有源電力濾波系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種有源電力濾波系統(tǒng)，包括：電流互感器，用于檢測(cè)電網(wǎng)側(cè)的負(fù)荷電流；系統(tǒng)控制器，所述系統(tǒng)控制器包括數(shù)據(jù)采集模塊、脈沖及保護(hù)邏輯處理FPGA模塊、諧波補(bǔ)償控制DSP模塊以及IGBT驅(qū)動(dòng)模塊，所述數(shù)據(jù)采集模塊與所述電流互感器連接，所述脈沖及保護(hù)邏輯處理FPGA模塊與所述數(shù)據(jù)采集模塊、諧波補(bǔ)償控制DSP模塊以及IGBT驅(qū)動(dòng)模塊連接；電壓源換流器，所述電壓源換流器的主電路具有IGBT模塊，該IGBT模塊與所述IGBT驅(qū)動(dòng)模塊連接，所述IGBT模塊的直流端通過(guò)一疊層母排連接有直流電解電容。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，實(shí)時(shí)性、精確性以及可靠性高，提高了供電質(zhì)量。
【專利說(shuō)明】有源電力濾波系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于濾波器領(lǐng)域，尤其涉及一種有源電力濾波系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在電力系統(tǒng)中，各種諧波源產(chǎn)生的諧波也對(duì)電力系統(tǒng)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。尤其電力電子裝置等非線性負(fù)載的日益廣泛應(yīng)用，其產(chǎn)生的諧波和無(wú)功對(duì)電質(zhì)量產(chǎn)生了很大的影響，也就產(chǎn)生了電能質(zhì)量這一概念。
[0003]電能質(zhì)量直接關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的總體效益。改善電能質(zhì)量對(duì)于電網(wǎng)和電器設(shè)備的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，保障產(chǎn)品質(zhì)量以及人民生產(chǎn)生活的正常運(yùn)行等均有重要意義。采用高效電力負(fù)荷設(shè)備可以節(jié)約大量能源、延緩用電需求矛盾，從而節(jié)省電力建設(shè)所需的大量投資。因此提高供電質(zhì)量、滿足生產(chǎn)發(fā)展的需求已經(jīng)成為多方共同的愿望。從電能質(zhì)量的角度考慮，深入研究有源濾波器，已成為當(dāng)務(wù)之急。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]基于此，針對(duì)上述技術(shù)問(wèn)題，提供一種有源電力濾波系統(tǒng)。
[0005]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]一種有源電力濾波系統(tǒng)，包括:
[0007]電流互感器，用于檢測(cè)電網(wǎng)側(cè)的負(fù)荷電流；
[0008]系統(tǒng)控制器，所述系統(tǒng)控制器包括數(shù)據(jù)采集模塊、脈沖及保護(hù)邏輯處理FPGA模塊、諧波補(bǔ)償控制DSP模塊以及IGBT驅(qū)動(dòng)模塊，所述數(shù)據(jù)采集模塊與所述電流互感器連接，所述脈沖及保護(hù)邏輯處理FPGA模塊與所述數(shù)據(jù)采集模塊、諧波補(bǔ)償控制DSP模塊以及IGBT驅(qū)動(dòng)模塊連接；
[0009]電壓源換流器，所述電壓源換流器的主電路具有IGBT模塊，該IGBT模塊與所述IGBT驅(qū)動(dòng)模塊連接，所述IGBT模塊的直流端通過(guò)一疊層母排連接有直流電解電容。
[0010]所述電壓源換流器為多個(gè)，多個(gè)電壓源換流器分別設(shè)于一個(gè)主柜以及多個(gè)從柜中，所述主柜以及多個(gè)從柜之間通過(guò)光纖通信，所述系統(tǒng)控制器設(shè)于所述主柜內(nèi)，且與所述多個(gè)電壓源換流器連接。
[0011]所述系統(tǒng)控制器還包括通信和數(shù)據(jù)管理DSP模塊以及人機(jī)界面和控制面板模塊，所述人機(jī)界面和控制面板模塊經(jīng)所述通信和數(shù)據(jù)管理DSP模塊與所述脈沖及保護(hù)邏輯處理FPGA模塊連接，所述通信和數(shù)據(jù)管理DSP模塊以及人機(jī)界面和控制面板模塊設(shè)于所述主柜內(nèi)。
[0012]所述諧波補(bǔ)償控制DSP模塊通過(guò)傅里葉變換對(duì)所述數(shù)據(jù)采集模塊采集到的信號(hào)進(jìn)行分解，得到各次諧波的幅值和相位，然后根據(jù)預(yù)設(shè)的諧波補(bǔ)償次數(shù)進(jìn)行共軛，再通過(guò)傅里葉反變換形成補(bǔ)償波形，同時(shí)，
[0013]所述諧波補(bǔ)償控制DSP模塊通過(guò)檢測(cè)電網(wǎng)電流，得到補(bǔ)償誤差，將補(bǔ)償誤差反饋到共軛步驟，以調(diào)整補(bǔ)償波形。[0014]本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，實(shí)時(shí)性、精確性以及可靠性高，提高了供電質(zhì)量。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明:
[0016]圖1為本發(fā)明的并柜結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖3為本發(fā)明的系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖4為本發(fā)明的原理圖；
[0020]圖5為本發(fā)明的電壓源換流器的主電路的布局結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖6為本發(fā)明的參數(shù)變量定義示意圖；
[0022]圖7為本發(fā)明的電網(wǎng)電壓處理的原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]如圖2所示，一種有源電力濾波系統(tǒng)，包括電流互感器110、系統(tǒng)控制器120以及電壓源換流器130。
[0024]電流互感器110用于檢測(cè)電網(wǎng)側(cè)的負(fù)荷電流。
[0025]如圖3所示，系統(tǒng)控制器120包括數(shù)據(jù)采集模塊121、脈沖及保護(hù)邏輯處理FPGA (FieldProgrammable Gate Array,現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列)模塊122、諧波補(bǔ)償控制DSP模塊123以及IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極型晶體管)驅(qū)動(dòng)模塊 124。
[0026]數(shù)據(jù)采集模塊121與電流互感器110連接，脈沖及保護(hù)邏輯處理FPGA模塊122與數(shù)據(jù)采集模塊121、諧波補(bǔ)償控制DSP模塊123以及IGBT驅(qū)動(dòng)模塊124連接。
[0027]數(shù)據(jù)采集模塊121有兩部分組成:一是信號(hào)處理電路，負(fù)責(zé)把電流互感器采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為符合A/D芯片要求的信號(hào)；二是A/D芯片，負(fù)責(zé)把輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成DSP和FPGA系統(tǒng)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。
[0028]FPGA是最新發(fā)展起來(lái)的功能強(qiáng)大的集成邏輯芯片。由于FPGA編程簡(jiǎn)單，非常容易和方便地實(shí)現(xiàn)邏輯電路。因此對(duì)于電力電子設(shè)備的脈沖發(fā)生器，采用FPGA，控制精度高、可靠性好、編程簡(jiǎn)單、靈活性大而且容易實(shí)現(xiàn)邏輯保護(hù)，所以已經(jīng)成為數(shù)字式脈沖發(fā)生器的一種主要實(shí)現(xiàn)方式。通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)脈沖比通過(guò)DSP產(chǎn)生脈沖更加可靠，因?yàn)椴捎肈SP產(chǎn)生脈沖，一旦死機(jī)就需要復(fù)位才能正常工作，時(shí)間較長(zhǎng)。而采用FPGA產(chǎn)生脈沖，F(xiàn)PGA不會(huì)重新啟動(dòng)，即使出錯(cuò)也只是一個(gè)指令周期出錯(cuò)，不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)FPGA工作不正常，所以也不會(huì)使FPGA出現(xiàn)過(guò)電流、過(guò)電壓等，并最終導(dǎo)致有源電力濾波器停止工作的情況發(fā)生。
[0029]此外，脈沖及保護(hù)邏輯處理FPGA模塊122還進(jìn)行內(nèi)部保護(hù)和容錯(cuò)邏輯的處理。
[0030]電壓源換流器130是由具有關(guān)斷能力的絕緣柵雙極晶體管IGBT組成的換流器。
[0031]如圖5所示，該電壓源換流器130的主電路具有IGBT模塊131，該IGBT模塊131與系統(tǒng)控制器120的IGBT驅(qū)動(dòng)模塊124連接，IGBT模塊131的直流端通過(guò)一疊層母排132連接有直流電解電容134，使得IGBT模塊131與直流電解電容134的連接距離很短，極大地減小了雜散電抗，同時(shí)，疊層母排132增加了正負(fù)極間的疊層面積，進(jìn)而增加了直流正負(fù)連接排的電容，這兩方面的共同作用，極大地減小了 IGBT模塊131開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)電壓幅度，不僅保護(hù)了 IGBT模塊131，而且延長(zhǎng)了壽命。
[0032]IGBT驅(qū)動(dòng)模塊124下設(shè)有散熱器135。
[0033]本發(fā)明使用疊層母排132，使系統(tǒng)具有低阻抗、抗干擾、可靠性好、節(jié)省空間、裝配快捷等特點(diǎn)，并且通過(guò)使用層疊母排，提高了產(chǎn)品性能，縮小了產(chǎn)品體積。
[0034]本發(fā)明采用的IGBT模塊，為最新日本三菱第六代NX系列，較之第五代以前的早期廣品，可罪性和功率密度有很大提升，雜散電感和廣品體積大幅減小。IGBT娃片基于二菱的CSTBT技術(shù)，改善了 Vce (sat) -Eoff折衷曲線，減小了拖尾電流，整體損耗低，所需驅(qū)動(dòng)功率更小。二極管采用第六代LPT硅片技術(shù)，正向?qū)▔航档汀硅片允許最高結(jié)溫高達(dá)175°C，運(yùn)行溫度最高可達(dá) 150°C, IGBT 模塊內(nèi)部集成 NTC (Negative Temperature Coefficient)負(fù)溫度系數(shù)測(cè)溫電阻。整個(gè)系列從150A到450A共享同一封裝平臺(tái)。相比前一代芯片，新的IGBT增大了功率密度，確保NX6模塊輸出電流增大50A ;增加了臨界過(guò)載條件的溫度安全裕度，并且具有更高的性價(jià)比。
[0035]可以理解的是，系統(tǒng)控制器120還可以配有通信和數(shù)據(jù)管理DSP模塊125以及人機(jī)界面和控制面板模塊126。
[0036]通信和數(shù)據(jù)管理DSP模塊125可以連接外部工控機(jī)4。
[0037]人機(jī)界面和控制面板模塊126供外部輸入，如共軛次數(shù)的設(shè)定。
[0038]此時(shí)，系統(tǒng)具有兩個(gè)DSP模塊，雙DSP的優(yōu)勢(shì)在于快速地運(yùn)算能力，尤其是乘法運(yùn)算。系統(tǒng)除了完成數(shù)字信號(hào)處理功能外，還有很多諸如系統(tǒng)與外部通信、控制、人機(jī)接口等功能，如果僅采用一個(gè)DSP，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性得不到保證。采用雙DSP結(jié)構(gòu)，通過(guò)雙口 RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)調(diào)并行處理，充分保證了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。
[0039]人機(jī)界面和控制面板模塊126經(jīng)通信和數(shù)據(jù)管理DSP模塊125與脈沖及保護(hù)邏輯處理FPGA模塊122連接。
[0040]針對(duì)500A以上的大容量系統(tǒng)，需要采用并柜的方式。如果將多套本發(fā)明系統(tǒng)簡(jiǎn)單并聯(lián)，多套控制系統(tǒng)和部分輔助電路將會(huì)顯得冗余，因?yàn)橐惶卓刂葡到y(tǒng)足以控制整個(gè)多柜系統(tǒng)。而多套控制系統(tǒng)控制也使得控制系統(tǒng)的誤差成倍積累，使得有源濾波系統(tǒng)的精度有所降低。同時(shí)，系統(tǒng)由于負(fù)載變化等因素需要擴(kuò)容時(shí)，其難度和成本也會(huì)增加。對(duì)此，本發(fā)明按照主從結(jié)構(gòu)加以考慮。
[0041]基于上述考慮，電壓源換流器130可以為多個(gè)，多個(gè)電壓源換流器130分別設(shè)于一個(gè)主柜A以及多個(gè)從柜B中。
[0042]如圖1所示，主柜A以及多個(gè)從柜B之間通過(guò)光纖通信，系統(tǒng)控制器120設(shè)于主柜內(nèi)A，且與多個(gè)從柜B的多個(gè)電壓源換流器130連接，所有柜體輸出總和即形成了總輸出電流，完成補(bǔ)償。
[0043]當(dāng)系統(tǒng)為主從柜結(jié)構(gòu)時(shí)，通信和數(shù)據(jù)管理DSP模塊125以及人機(jī)界面和控制面板模塊126設(shè)于主柜A內(nèi)。
[0044]脈沖及保護(hù)邏輯處理FPGA模塊122的保護(hù)容錯(cuò)邏輯:當(dāng)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)流或過(guò)壓時(shí)，發(fā)出適當(dāng)?shù)男盘?hào)使裝置處于整流狀態(tài)，避免開(kāi)關(guān)器件損壞，當(dāng)電壓或電流恢復(fù)正常以后，再恢復(fù)正常的驅(qū)動(dòng)脈沖，使裝置復(fù)位并繼續(xù)投入運(yùn)行。如果系統(tǒng)或裝置的故障不是暫時(shí)性的，則發(fā)出跳閘信號(hào)，徹底切斷本發(fā)明系統(tǒng)和電系統(tǒng)的聯(lián)系，既保護(hù)了本發(fā)明系統(tǒng)本身，又避免了對(duì)電力系統(tǒng)或電路造成沖擊。[0045]本發(fā)明系統(tǒng)的原理:
[0046]如圖4所示，電力系統(tǒng)2中負(fù)載3吸收的負(fù)荷電流中含有諧波分量，若電壓源換流器130的主電路131向電網(wǎng)中注入的補(bǔ)償電流。與負(fù)荷電流諧波分量方向相反，則負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流就可以被抵消，只要檢測(cè)出負(fù)荷電流k中所含的諧波分量，從而就能確定補(bǔ)償電流iF。
[0047]電壓源換流器130與外界電力系統(tǒng)之間的耦合通過(guò)連接電抗器LF實(shí)現(xiàn)，電壓型換流器130產(chǎn)生的電壓與電力系統(tǒng)電壓的電壓差在連接電抗Lf上形成輸出電流iF。
[0048]基于上述理論，本發(fā)明系統(tǒng)的電流互感器110檢測(cè)電網(wǎng)中負(fù)載吸收的負(fù)荷電流，并由數(shù)據(jù)采集模塊121進(jìn)行采集，通過(guò)系統(tǒng)控制器120的諧波補(bǔ)償控制DSP模塊123計(jì)算并提取負(fù)載電流中的諧波或者無(wú)功電流分量，然后通過(guò)脈沖及保護(hù)邏輯處理FPGA模塊122生成補(bǔ)償波形，補(bǔ)償波形發(fā)送給IGBT驅(qū)動(dòng)模塊124，IGBT驅(qū)動(dòng)模塊124通過(guò)該補(bǔ)償波形控制電壓源換流器130產(chǎn)生一個(gè)和負(fù)荷電流畸變波形大小相等，方向相反的補(bǔ)償電流注入到電網(wǎng)中，達(dá)到濾波或者無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康摹?br> [0049]諧波補(bǔ)償控制DSP模塊123通過(guò)傅里葉變換對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊121采集到的信號(hào)進(jìn)行分解，得到各次諧波的幅值和相位，然后根據(jù)預(yù)設(shè)的諧波補(bǔ)償次數(shù)進(jìn)行共軛，再通過(guò)傅里葉反變換形成補(bǔ)償波形，同時(shí)，諧波補(bǔ)償控制DSP模塊通過(guò)檢測(cè)電網(wǎng)電流，得到補(bǔ)償誤差，將補(bǔ)償誤差反饋到共軛步驟，以調(diào)整補(bǔ)償波形。
[0050]本發(fā)明的諧波分析算法如下:
[0051 ] 本發(fā)明的諧波分析算法基于DFT諧波分析方法。DFT (Discrete FourierTransform)即離散傅立葉變換，是傅立葉變換在時(shí)域和復(fù)頻域的離散化。主要應(yīng)用于離散系統(tǒng)的頻域分析領(lǐng)域。DFT的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:`[0052]
【權(quán)利要求】
1.一種有源電力濾波系統(tǒng)，其特征在于，包括: 電流互感器，用于檢測(cè)電網(wǎng)側(cè)的負(fù)荷電流； 系統(tǒng)控制器，所述系統(tǒng)控制器包括數(shù)據(jù)采集模塊、脈沖及保護(hù)邏輯處理FPGA模塊、諧波補(bǔ)償控制DSP模塊以及IGBT驅(qū)動(dòng)模塊，所述數(shù)據(jù)采集模塊與所述電流互感器連接，所述脈沖及保護(hù)邏輯處理FPGA模塊與所述數(shù)據(jù)采集模塊、諧波補(bǔ)償控制DSP模塊以及IGBT驅(qū)動(dòng)模塊連接； 電壓源換流器，所述電壓源換流器的主電路具有IGBT模塊，該IGBT模塊與所述IGBT驅(qū)動(dòng)模塊連接，所述IGBT模塊的直流端通過(guò)一疊層母排連接有直流電解電容。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有源電力濾波系統(tǒng)，其特征在于，所述電壓源換流器為多個(gè)，多個(gè)電壓源換流器分別設(shè)于一個(gè)主柜以及多個(gè)從柜中，所述主柜以及多個(gè)從柜之間通過(guò)光纖通信，所述系統(tǒng)控制器設(shè)于所述主柜內(nèi)，且與所述多個(gè)電壓源換流器連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種有源電力濾波系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)控制器還包括通信和數(shù)據(jù)管理DSP模塊以及人機(jī)界面和控制面板模塊，所述人機(jī)界面和控制面板模塊經(jīng)所述通信和數(shù)據(jù)管理DSP模塊與所述脈沖及保護(hù)邏輯處理FPGA模塊連接，所述通信和數(shù)據(jù)管理DSP模塊以及人機(jī)界面和控制面板模塊設(shè)于所述主柜內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種有源電力濾波系統(tǒng)，其特征在于，所述諧波補(bǔ)償控制DSP模塊通過(guò)傅里葉變換對(duì)所述數(shù)據(jù)采集模塊采集到的信號(hào)進(jìn)行分解，得到各次諧波的幅值和相位，然后根據(jù)預(yù)設(shè)的諧波補(bǔ)償次數(shù)進(jìn)行共軛，再通過(guò)傅里葉反變換形成補(bǔ)償波形，同時(shí)， 所述諧波補(bǔ)償控制DSP模塊通過(guò)檢測(cè)電網(wǎng)電流，得到補(bǔ)償誤差，將補(bǔ)償誤差反饋到共軛步驟，以調(diào)整補(bǔ)償波形。
【文檔編號(hào)】H02J3/01GK103746382SQ201310754168
【公開(kāi)日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2013年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月31日
【發(fā)明者】李宏志, 吳思柱, 段繼紅, 童雪燕 申請(qǐng)人:上海東瑞節(jié)能科技有限公司