專利名稱：基于三次諧波有源濾波的混合型電力濾波裝置的制作方法
基于三次諧波有源濾波的混合型電力濾波裝置本發(fā)明涉及基于三次諧波有源濾波的混合型電力濾波裝置，屬于電氣工程技術(shù)領(lǐng)域，不僅適用于三相四線制系統(tǒng)，同樣也適用于三相三線制系統(tǒng)。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)中各種非線性負(fù)載越來越多，使得電力系統(tǒng)的諧波污染日益嚴(yán)重，它導(dǎo)致電源質(zhì)量明顯下降，影響各種電氣設(shè)備的正常工作，對供電線路產(chǎn)生了附加損耗，使電網(wǎng)中的電容器產(chǎn)生諧振，使繼電保護(hù)和自動裝置出現(xiàn)誤動作，并使儀表和電 能計(jì)量出現(xiàn)較大誤差。目前諧波治理裝置主要有兩大類無源濾波裝置和有源濾波裝置。無源濾波裝置是由電抗器、電容器、電阻器構(gòu)成，具有成本低，技術(shù)成熟的特點(diǎn)，但因?yàn)樗峭ㄟ^對某些次數(shù)的諧波呈現(xiàn)出低阻抗或高阻抗來達(dá)到濾波的目的，因此存在著一些明顯的缺陷問題如對諧波電流的濾波效果受電力系統(tǒng)阻抗的影響大；對電網(wǎng)頻率偏移和諧波狀況經(jīng)常變化的情況濾波效果不好；連接在同一電網(wǎng)中的其他非線形負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流有可能流入該濾波器，從而造成過載；電網(wǎng)的系統(tǒng)阻抗和無源濾波器在某些頻率下可能會發(fā)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振。有源電力濾波裝置采用了先進(jìn)的電力電子技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)，是一種用于動態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置，它能夠?qū)Υ笮『皖l率都變化的諧波以及變化的無功進(jìn)行補(bǔ)償，其應(yīng)用可克服無源濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)跟蹤補(bǔ)償，而且可以既濾除諧波電流又補(bǔ)償無功功率。但是由于有源電力濾波裝置存在成本高價(jià)格貴，實(shí)際使用壽命短的問題，因此，在實(shí)際應(yīng)用中受到了極大的限制。而本發(fā)明采用的混合型電力電力濾波裝置能夠很好的解決這個(gè)問題，針對三次諧波濾波部分，本發(fā)明采用的信號取樣和控制方法與專利號200510022539.8中國發(fā)明專利提出的方法不同。陳斌發(fā)在“配電變壓器接法對諧波影響的分析”(電網(wǎng)技術(shù)-2001年6期P55-P58，作者單位北京供電局)一文中指出“當(dāng)變壓器接法Y-Yn(ln0時(shí)，相電壓總畸變率超標(biāo)主要是零序性的3次諧波電壓過高所致，3次諧波電壓由負(fù)荷的零序性3次諧波電流產(chǎn)生，并且零序性的3次諧波電流沒有流經(jīng)變壓器漏抗。當(dāng)流經(jīng)變壓器時(shí)，只能與380V側(cè)漏抗和零序勵(lì)磁電抗形成回路(在IOkV側(cè)感應(yīng)的零序電勢不能作用到系統(tǒng)阻抗)。當(dāng)變壓器結(jié)構(gòu)為三相三柱式時(shí)，由于三相零序磁通大小相等、相位相同，因而不能像正序(或負(fù)序)主磁通那樣，一相主磁通可以經(jīng)過另外兩相的鐵芯形成回路，它們被迫經(jīng)過絕緣介質(zhì)和外殼形成回路，遇到很大的磁阻。因此，這種變壓器的零序勵(lì)磁電抗視為有限值，XmO大致為0. 3 I. 0(遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于漏抗)。3次諧波電流將在此零序勵(lì)磁電抗上產(chǎn)生較大的壓降，即為3次諧波電壓，很容易造成電壓總畸變率超標(biāo)。當(dāng)變壓器接法為A/Yntl時(shí)，IOkV側(cè)的變壓器繞組形成3次諧波電流流通的回路，該回路阻抗為變壓器漏抗，遠(yuǎn)小于零序勵(lì)磁阻抗，因而不會產(chǎn)生較大的3次諧波電壓。”可見，不管配電變壓器是什么接法，由于配電力變壓器外殼必須接地，三次諧波都會形成電流通路，只不過阻抗大小不同，所產(chǎn)生的三次諧波電流大小不同罷了，因此必須考慮三次諧波電流對無功補(bǔ)償和濾波裝置的影響。本發(fā)明的裝置很好的解決了這個(gè)問題。本發(fā)明的技術(shù)方案包括混合型三次諧波電力有源濾波器1、5次LC無源濾波器組2、7次LC無源濾波器組3、電源側(cè)電壓互感器YT、電源側(cè)電流互感器CT1、負(fù)載側(cè)電流互感器CT2、混合型三次諧波電力有源濾波器I側(cè)電流互感器CT3。所述的混合型三次諧波電力有源濾波器I :包括DSP主控制電路板，由IGBT半橋和電容半橋組成的逆變電路、2路PWM輸出的IGBT驅(qū)動電路和給這個(gè)逆變電路提供直流電源的具有限流作用的直流開關(guān)電源。所述的5次LC無源濾波器組2 :是由許多組星型接法的有中性點(diǎn)抽頭的5次LC無源濾波器組成，它不僅能濾除5次諧波電流，給系統(tǒng)提供合適的無功功率，還能給三相電流中的零序性的三次電流提供通路。 所述的7次LC無源濾波器組3 :是由許多組星型接法的有中性點(diǎn)抽頭的7次LC無源濾波器組成，它不僅能濾除7次諧波電流，給系統(tǒng)提供合適的無功功率，還能給三相電流中的零序性的三次電流提供通路。所述的電源側(cè)電壓互感器YT、電源側(cè)電流互感器CTl、負(fù)載側(cè)電流互感器CT2、混合型三次諧波電力有源濾波器I的輸出側(cè)電流互感器CT3，由于各側(cè)的電流大小不一樣，因此，各個(gè)電流互感器的變比不一樣，在設(shè)計(jì)應(yīng)用中要把它們折合到同一個(gè)基準(zhǔn)上。所述的混合型三次諧波電力有源濾波器I中的DSP主控制電路板主要是由DSP、FPGA、ADC轉(zhuǎn)換器，通訊接口芯片等構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)的軟件功能模塊有控制系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)信號采集模塊、PWM驅(qū)動模塊、無功補(bǔ)償控制模塊、溫度檢測模塊、CAN總線通訊模塊、電網(wǎng)電壓同步鎖相控制模塊、人機(jī)接口模塊、保護(hù)和報(bào)警電路等，其中數(shù)據(jù)信號采集模塊包含有帶隔離的信號調(diào)理電路。以下通過附圖
和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述圖I為本發(fā)明原理框圖；圖2為三相電壓同步鎖相控制模塊；圖3為三次諧波電力有源濾波器I的固定頻率的PWM控制方法原理框圖；圖4為無功控制軟件模塊的原理框圖；其中，isa、isb、isc是配電變壓器低壓配電側(cè)的三相電流，ila、ilb、ilc是非線性負(fù)載的三相電流，if3J是混合型三次諧波電力有源濾波器I的輸出電流，UDU UD2混合型三次諧波電力有源濾波器I的直流電容CD1、CD2上電壓，CONVST是數(shù)據(jù)信號采集模塊ADC的啟動信號，CONVSTI和C0NVST2是備用信號；本發(fā)明所提出的裝置的原理框圖如圖I所示，首先，三相電壓信號Ua、Ub、U。通過由FPGA和鎖相環(huán)PLL芯片構(gòu)成的電網(wǎng)電壓同步鎖相控制模塊，分別產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字化了的10位的頻率為基波頻率1024倍的ADC啟動信號CONVST和二個(gè)功能一致的備用信號C0NVST1、C0NVST2 (完全保證ADC和DSP的可靠工作)(見圖2)，主控制電路板上的ADC芯片有了啟動信號CONVST后就開始不斷的進(jìn)行采樣保持和轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后發(fā)出EOC信號通知DSP讀取ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果。這樣，電源側(cè)電流互感器CTl上的三相電流isa、isb、isc和負(fù)載側(cè)電流互感器CT2上的三相電流ila、ilb、I1。及電流互感器CT3上的電流if3j分別經(jīng)過相應(yīng)的信號調(diào)理電路后送到相應(yīng)的ADC轉(zhuǎn)換器的輸入端，經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量，并由DSP讀取。然后，如圖3所示，DSP根據(jù)ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果，采用IIR數(shù)字濾波技術(shù)，分別計(jì)算出負(fù)載側(cè)的3次諧波電流
is3a、is3b、is3c，
5次諧波電流is5a、is5b、is5c和7次諧波電流is7a、is7b、is7。，和電源側(cè)的3次諧波電流i13a、i13b、i13c;，5次諧波電流i15a、i15b、i15c和7次諧波電流i17a、i17b、i17。，這樣就得到了混合型三次諧波電力有源濾波器I所需要的3次諧波基準(zhǔn)信號if3
—il3a+il3b+il3c。
混合型三次諧波電力有源濾波器I的反饋信號if3k = is3a+is3b+if3c經(jīng)過修正后的基準(zhǔn)信號& = * Z/3 + Kl * if 3k，式中Kp K2為小于I的系數(shù)。誤差信號= ic — ify，把這個(gè)誤差信號A 乘以增益A后與一個(gè)定頻率的三角波進(jìn)行比較后就得到了驅(qū)動IGBT的PWM信號。其PWM控制方法的原理框圖如圖3所示。它采用固定頻率的PWM控制方法，放大器A具有比例或比例積分特性，其參數(shù)直接影響著混合型三次諧波電力有源濾波器I的跟蹤特性。在這種方法中，功率開關(guān)器件的開關(guān)頻率是一定的，即等于載波頻率，這樣有利于濾除輸出電流或電壓上的開關(guān)紋波，輸出電流所含諧波較少，常用于對諧波和噪聲要求嚴(yán)格的場合，但是電流響應(yīng)比瞬時(shí)值比較方式的慢?；旌闲腿沃C波電力有源濾波器I對直流側(cè)電容CD1、CD2上電壓的控制要求實(shí)際上不是很嚴(yán)格的，為了保證直流開關(guān)電源的可靠工作，需要對直流開關(guān)電源的最大輸出電流進(jìn)行限制。在混合型三次諧波電力有源濾波器I開始工作后，DSP通過軟件操作IO 口，打開5次LC無源濾波器組2和7次LC無源濾波器組3的閉鎖通道。在圖I中所示的5次LC無源濾波器組3和7次LC無源濾波器組4的組數(shù)和每組容量是根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的最大無功需求和最大諧波情況進(jìn)行設(shè)計(jì)的。在LC無源濾波器投切時(shí)DSP里面的無功控制軟件模塊會根據(jù)當(dāng)時(shí)的系統(tǒng)無功和5、7次諧波電流的情況決定各LC無源濾波器的投切。DSP中負(fù)載的無功功率計(jì)算軟件框圖如圖4所示，低壓配電系統(tǒng)的三相電壓信號Ua、Ub、U。和非線性負(fù)載的三相電流ila、ilb、ii。通過三個(gè)FFT軟件模塊可以分別計(jì)算出A相的Ual、Illa、仏、I15a、I17a, B 相的 Ubl、Illb^M、I15b、I17b, C 相的 Ucl、Illc^cl、I15c, I17c,然后通過查DSP軟件里面的正余弦表可以求得三相的功率因數(shù)COS>al、COScpbx, COS(Pc'。這樣就可以求出a相的無功功率為fFa = c/al*j/la*cas0al ^相的無功功率為Wb = UtI * Inb * COS (pbx，C 相的無功功率為砂^ = UcX * Inc * COS q>cX。5 次 LC 無源濾波器組2和7次LC無源濾波器組3的無功功率是按照負(fù)載側(cè)的5次諧波電流大小和7次諧波電流大小的比例進(jìn)行分配的，計(jì)算公式如下
Wsa= - ha WaIlSa + I Ila5次LC無源濾波器組2的三相無功功率< Wsb = 一'—Wb
IlSb + Illb
Wsc= -Il~c Wc 、IlSc + IllC
Wla= -1'1- Wa
115a + Illa7次LC無源濾波器組3的三相無功功率< Wn = ~~ Wb
Il5b + Illb
Wic= ~In~ Wc
、IlSc + Illc
確定了 5次LC無源濾波器組2的三相無功功率和7次LC無源濾波器組3的三相無功功率后，DSP內(nèi)部的無功功率控制模塊分別根據(jù)5次LC無源濾波器組2和7次LC無源濾波器組3的實(shí)際分組數(shù)及每個(gè) 支路的實(shí)際容量決定各自的投切支路情況。
權(quán)利要求
1.一種基于三次諧波有源濾波的混合型電力濾波裝置，其特征在于，包括混合型三次諧波電力有源濾波器1、5次LC無源濾波器組2、7次LC無源濾波器組3、電源側(cè)電壓互感器YT、電源側(cè)電流互感器CTl、負(fù)載側(cè)電流互感器CT2、混合型三次諧波電力有源濾波器I側(cè)電流互感器CT3。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，這種裝置不僅適用于三相四線制低壓配電系統(tǒng)，也適用于配電變壓器外殼接地的三相三線制低壓配電系統(tǒng)，因此，該裝置具有非常寬廣的應(yīng)用范圍。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，混合型三次諧波電力有源濾波器I的3次諧波基準(zhǔn)信號if3是從低壓配電系統(tǒng)負(fù)載中三相相電流通過帶通數(shù)字濾波器提取出來的3次諧波電流，并用從電源側(cè)三相相電流中提取出來的3次諧波電流做了修正，形成了一個(gè)完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，混合型三次諧波電力有源濾波器1、5次LC無源濾波器組2、7次LC無源濾波器組3是由DSP主控制電路和輔助構(gòu)成的控制器綜合控制的，因此，能夠很好的實(shí)現(xiàn)3、5、7次諧波濾波和系統(tǒng)的無功補(bǔ)償目標(biāo)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，混合型三次諧波電力有源濾波器I對逆變電路中的IGBT功率器件的耐壓和電容器CD1、CD2的耐壓要求很低，因此，這將大大提高裝置工作的可靠性和裝置成本。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，混合型三次諧波電力有源濾波器I的逆變電路中的IGBT功率器件和電容器組可以分別實(shí)現(xiàn)模塊化的結(jié)構(gòu)，因此，可以很容易的對混合型三次諧波電力有源濾波器I的容量進(jìn)行擴(kuò)展。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，其5、7次無源濾波器的組數(shù)和容量可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的需要進(jìn)行配置，也可以對5、7次無源濾波器進(jìn)行分相控制。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，其無源濾波器的設(shè)置并不僅僅包括5、7次無源濾波器，也可以是其它次數(shù)或其它類型的無源濾波器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于三次諧波有源濾波的混合型電力濾波裝置，包括混合型三次諧波電力有源濾波器1、5次LC無源濾波器組2、7次LC無源濾波器組3、電源側(cè)電壓互感器YT、電源側(cè)電流互感器CT1、負(fù)載側(cè)電流互感器CT2、混合型三次諧波電力有源濾波器1側(cè)電流互感器CT3；該裝置不僅可以用在三相四線制配電系統(tǒng)中，而且可以用在三相三線制配電系統(tǒng)中。特別適用于系統(tǒng)中存在較大的5、7次諧波，另外，還存在比較多的三次諧波的用電場合。
文檔編號H02J3/18GK102624001SQ20121011823
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月20日
發(fā)明者鄭姝祺, 鄭文兵 申請人:上海潤玨機(jī)電科技有限公司