帶有多級有源電力濾波器的諧波抑制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種帶有多級有源電力濾波器的諧波抑制系統(tǒng)，多級有源電力濾波器相互并聯(lián)，它們通過一個空心線圈傳感器檢測電網(wǎng)中的非線性負載的負載電流，任意一級有源電力濾波器均從該負載電流中提取一個或多個預設抑制信號值，從而多級有源電力濾波器共同產(chǎn)生與預設抑制信號值大小相等相位相反的補償電流注入電網(wǎng)，抵消非線性負載的諧波電流，使電源側電流更接近正弦波，從而改善電能質(zhì)量。
【專利說明】
帶有多級有源電力濾波器的諧波抑制系統(tǒng)
技術領域
[0001] 本發(fā)明主要涉及消除非線性負載諧波的電力裝置，確切地說，是采用了多級有源 電力濾波器或者靜止無功發(fā)生器SVG等類型的電力電子設備，在任意一級有源電力濾波器 單獨進行檢修或停運時可保障其余的有源電力濾波器的正常運作。
【背景技術】
[0002] 隨著電力電子技術的迅猛發(fā)展，各種有著不同負載特性的家用電器大規(guī)模的進入 我們的生活，與之相伴的是，一些非線性負載例如逆變器、整流器和各種開關電源得到廣泛 的應用，由此產(chǎn)生的諧波對供電電網(wǎng)的危害也日趨嚴重。電力電子器件開關動作時向電網(wǎng) 注入了大量的諧波，使電網(wǎng)中的預期標準正弦電流和電壓波形嚴重失真。由于存在著各種 對電能質(zhì)量相對敏感的設備，例如計算機設備及空調(diào)、冰箱、電視等家用電器設備的大量使 用，對電能質(zhì)量的要求也越來越高。由諧波引發(fā)的各類電力故障和事故頻發(fā)，無論是對生產(chǎn) 生活還是國家經(jīng)濟建設都產(chǎn)生了很大的負面影響。所以對諧波的研究和治理逐步開始引起 人們的廣泛關注，諧波的管理、分析和治理被擺到了十分重要的地位。諧波問題包括諧波分 析、諧波檢測和諧波抑制等方面，有效抑制諧波已經(jīng)成為保證電網(wǎng)安全、高質(zhì)量運行的必要 措施之一。解決諧波主要途徑大致有兩種:一是對電力電子設備自身進行改進;二是對電網(wǎng) 進行諧波補償。本申請主要研究方向就是對電網(wǎng)進行諧波補償。
[0003] 在理想的干凈供電系統(tǒng)中，電流和電壓都是正弦波的。在只含電阻、電感及電容等 線性元件的簡單電路里，流過的電流與施加的電壓成正比，流過的電流是正弦波。用傅立葉 分析能夠把非正弦曲線信號分解成基本部分和它的倍數(shù)。諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線 性負載所導致的。當電流流經(jīng)負載時，與所加的電壓呈現(xiàn)非線性關系，形成非正弦電流即有 諧波產(chǎn)生。由于半導體晶閘管的開關操作和二極管、半導體晶閘管的非線性特性，電力系統(tǒng) 的某些設備如功率轉換器可能會產(chǎn)生比較大的背離正弦曲線的波形。在供電網(wǎng)絡阻抗下這 樣的非正弦曲線電流導致一個非正弦曲線的電壓降。在供電網(wǎng)絡阻抗下產(chǎn)生諧波電壓的振 幅等于相應諧波電流和對應于該電流頻率的供電網(wǎng)絡阻抗Z的乘積。有諧波源的地方就有 諧波。也有可能，諧波分量通過供電網(wǎng)絡到達用戶。例如供電網(wǎng)絡中一個用戶廠家的運轉可 能被相鄰的另一個用戶設備產(chǎn)生的諧波所干擾。所有的非線性負載都能產(chǎn)生諧波電流，產(chǎn) 生諧波的典型設備有:開關模式下的電源(SMPS)、電子熒火燈鎮(zhèn)流器、調(diào)速傳動裝置、不間 斷電源(UPS)、磁性鐵芯設備及某些家用電器如電視機等。
[0004] 諧波的治理主要有兩條途徑:一是主動治理，即從諧波源本身出發(fā)，使諧波源不產(chǎn) 生諧波或降低諧波源產(chǎn)生的諧波，這只適用于作為主要諧波源的電力電子裝置，如有源功 率因數(shù)校正技術和PWM整流技術;二是被動治理，即設置諧波補償裝置，抵消諧波源注入電 網(wǎng)的諧波，如各種無源、有源濾波器，這對各種諧波源都適用。
[0005] 電力系統(tǒng)中傳統(tǒng)的補償諧波和無功的裝置是LC無源電力濾波器，但由于結構原理 上的原因，LC無源電力濾波器存在著濾波補償特性依賴于電網(wǎng)和負載參數(shù)、LC參數(shù)的漂移 會導致濾波特性的改變、具有負的電壓調(diào)整效應、重量大、體積大和容易同系統(tǒng)發(fā)生諧振的 缺點。由于無源電力濾波裝置存在著許多的缺點和不足之處，為了解決這些問題，人們開始 對有源電力濾波技術進行探討。有源電力濾波器是一種動態(tài)抑制諧波和補償無功的電力電 子裝置，它能對頻率和大小都變化的諧波和無功進行補償，可以彌補無源濾波器的缺點，獲 得比無源濾波器更好的補償特性，是一種理想的諧波補償裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 在本發(fā)明公開的一個可選實施例中，提供了一種帶有多級有源電力濾波器的諧波 抑制系統(tǒng)，多級有源電力濾波器以分別單獨從同一個空心線圈傳感器檢測同一電網(wǎng)中的電 流信息的方式并聯(lián)設置，任意一級有源電力濾波器均從電流信息中提取預設抑制信號，從 而多級有源電力濾波器共同產(chǎn)生與預設抑制信號大小相等相位相反的補償電流注入電網(wǎng)。
[0007] 上述的帶有多級有源電力濾波器的諧波抑制系統(tǒng)，所述電流信息為電網(wǎng)中非線性 負載的負載電流信息或者是電源側的電流量信息。
[0008] 上述的帶有多級有源電力濾波器的諧波抑制系統(tǒng)，設定總共有N級有源電力濾波 器并聯(lián)，N為大于零的自然數(shù)，每一級有源電力濾波器均擷取預設抑制信號大小值的N分之 一予以反極性后作為指令信號，并產(chǎn)生實時跟蹤該指令信號的單級補償電流Ic，其中單級 補償電流Ic和抑制信號大小值的N分之一大小相同但相位相反，從而N級有源電力濾波器合 計注入電網(wǎng)的總補償電流為NX Ic。
[0009] 上述的帶有多級有源電力濾波器的諧波抑制系統(tǒng)，所述預設抑制信號是電源側電 流量中的諧波分量或是負載電流信息中的諧波分量。
[0010] 上述的帶有多級有源電力濾波器的諧波抑制系統(tǒng)，該空心線圈傳感器包括環(huán)形繞 組線圈，被測的電流沿軸線通過該環(huán)形繞組線圈的中心。
[0011] 上述的帶有多級有源電力濾波器的諧波抑制系統(tǒng)，所述空心線圈傳感器包括一個 用于將環(huán)形繞組線圈的感應電壓進行放大的放大電路。
[0012] 上述的帶有多級有源電力濾波器的諧波抑制系統(tǒng)，每一級有源電力濾波器均包括 將所述放大電路的模擬輸出量以模擬信號的方式予以接收的接收電路，并產(chǎn)生用于表征該 電流信息的電壓信號。
[0013] 上述的帶有多級有源電力濾波器的諧波抑制系統(tǒng)，所述放大電路包括第一、第二 運算放大器，該環(huán)形繞組線圈的兩端對應分別耦合到第一、第二運算放大器各自的正相輸 入端;在第一、第二運算放大器各自的反相輸入端之間連接有第一電阻，以及在第一運算放 大器的反相輸入端和輸出端之間連接有第二電阻，和在第二運算放大器的反相輸入端和輸 出端之間連接有第二電阻，藉此在第一、第二運算放大器各自的輸出端之間形成所述感應 電壓的差分放大信號。
[0014] 上述的帶有多級有源電力濾波器的諧波抑制系統(tǒng)，所述放大電路還包括一組或多 組相互串聯(lián)的第三電阻和開關器件，每一組串聯(lián)的第三電阻和開關器件均連接在第一、第 二運算放大器各自的反相輸入端之間；需要增加所述放大電路的放大倍數(shù)時，接通一個或 多個開關器件以將一個或多個該第三電阻和第一電阻予以并聯(lián);或者需要降低所述放大電 路的放大倍數(shù)時，斷開一個或多個開關器件以將一個或多個和第一電阻并聯(lián)的第三電阻從 所述放大電路中浮置。
[0015] 上述的帶有多級有源電力濾波器的諧波抑制系統(tǒng)，所述接收電路包括第三運算放 大器，所述放大電路輸出的差分放大信號通過電阻耦合到該第三運算放大器的正相和反相 輸入端，并在第三運算放大器的反相輸入端和輸出端之間連接有反饋電阻，因此第三運算 放大器將該差分放大信號轉為單端電壓信號。
[0016] 上述的帶有多級有源電力濾波器的諧波抑制系統(tǒng)，接收電路還包括前后級實現(xiàn)電 氣隔離的光耦合模塊和第四運算放大器;光耦合模塊輸出跟隨該單端電壓信號線性變化的 線性電流，第四運算放大器正相輸入端接地且在它的反相輸入端和輸出間連接有電阻，由 第四運算放大器將該線性電流轉換成其輸出端的與該單端電壓信號成線性關系的電壓信 號。
[0017] 上述的帶有多級有源電力濾波器的諧波抑制系統(tǒng)，多級有源電力濾波器APF1~ APFN中的每一個APF獨自產(chǎn)生為1。的單級補償電流，最終多級電力濾波器APF1~APFN共同 產(chǎn)生與預設抑制信號值Ifrter大小相等、相位相反的補償電流(NX IC)注入電網(wǎng)，抵消非線 性負載的諧波電流成分，使電源側電流更接近正弦波來改善電能質(zhì)量。所述的空心線圈傳 感器中環(huán)形繞組線圈產(chǎn)生的感應電壓是不危及人身安全的弱電而非強電，并且通過放大電 路和積分電路產(chǎn)生表征了負載電流值大小的電壓信號也是弱電，并且當任意一級有源電力 濾波器從電網(wǎng)上卸載分離時不會產(chǎn)生負面的電弧，而且空心線圈傳感器的線圈無磁滯效 應，也沒有相位誤差和磁飽和現(xiàn)象，其響應的頻帶寬度較寬，幾乎能檢測諧波中的各種高頻 成分。與帶有鐵磁性材料的電流電壓感測器相比，空心線圈或稱羅氏線圈的測量范圍更寬 而且精度更高，更符合安規(guī)和環(huán)保要求。
【附圖說明】
[0018] 閱讀以下詳細說明并參照以下附圖之后，本發(fā)明的特征和優(yōu)勢將顯而易見：
[0019] 圖1是有源電力濾波器檢測非線性負載電流后產(chǎn)生補償電流注入電網(wǎng)。
[0020] 圖2是多級有源電力濾波器串聯(lián)產(chǎn)生補償電流后注入電網(wǎng)。
[0021] 圖3是用于檢測非線性負載電流的一種感應式空心線圈傳感器。
[0022] 圖4是與空心線圈傳感器配合使用的放大器和積分器。
[0023]圖5是多級有源電力濾波器并聯(lián)產(chǎn)生補償電流后注入電網(wǎng)。
[0024] 圖6是空心線圈傳感器的響應頻帶具有較大的寬度的示意圖。
[0025] 圖7是空心線圈傳感器的放大電路傳遞模擬量信號給APF的接收電路。
[0026] 圖8是差分式放大電路的一種可選方案。
[0027]圖9是差分放大信號由雙端轉單端的電路結構。
[0028]圖10是和圖5的開環(huán)式檢測方法相對的另一種閉環(huán)式檢測方法。
【具體實施方式】
[0029]參見圖1，有源電力濾波器APF主要包括有兩大部分:指令電流運算模塊102和補償 電流發(fā)生電路，其中補償電流發(fā)生電路又細分為至少包括電流跟蹤控制模塊103和驅動電 路104以及主電路105。有源電力濾波器大體上可分為單相和三相兩種，三相系統(tǒng)又分為三 相三線制和三相四線制，本申請后文暫時以三相三線作為范例來闡明本申請的發(fā)明精神。 圖1表示了交流三相電源Esa和Esb及E SC，通過電網(wǎng)傳遞電源到負載110,負載110-般是非線 性負載也是諧波源和補償對象。
[0030] 參見圖1，主電路105中開關組S1~S2和開關組S3~S4和開關組S5~S6這三組開關 相互并聯(lián)，此外任意一個單獨的開關組S1~S2或S3~S4或S5~S6還分別和一個直流電壓Udc 并聯(lián)。開關管可以是IGBT或M0SFET或BJT或GT0晶閘管等。在第一組的兩個開關S1~S2之間 的連接點a和提供電源Esa的一相電網(wǎng)支路之間連接有電感L，注入給該電網(wǎng)的補償電流是 Ica。第二組的兩個開關S3~S4之間的連接點b和提供Esb的一相電網(wǎng)支路之間連接有電感L， 注入給該電網(wǎng)的補償電流是Icb。以及第三組的兩個開關S5~S6之間的連接點c和提供Esc的 一相電網(wǎng)支路之間連接有電感L，注入給該電網(wǎng)的補償電流是I CC。值得注意的是，在本申請 圖1的主電路105中，開關S1~S6的元件類型/數(shù)量/具體連接關系等因素僅僅作為闡釋本申 請發(fā)明精神的一個范例，實際上任何能實現(xiàn)相同功能的主電路/開關管拓撲均適用于本發(fā) 明和可以替換它，所以這并不表明本發(fā)明的主電路僅僅限制于該特定的拓撲類型。
[0031] 參見圖1，補償電流實質(zhì)上是由直流側電容電壓UDC和交流測的電源電壓差值作用 于交流測的電感L上所產(chǎn)生的，直流側電容電壓U DC可以是直流電源也可以是儲能電容提供 的直流電壓，當主電路105產(chǎn)生補償電流是作為逆變器使用，如果向直流側的電容等儲能元 件充電時則作為整流器。主電路105的運行是開關組S1~S2或S3~S4或S5~S6的接通和關 斷決定的，通常而言每個開關組(S1~S2或S3~S4或S5~S6)中總有一個開關是處于導通狀 態(tài)的，而同時另一個開關則是處于關斷狀態(tài)的。
[0032] 參見圖1，先行假設三相電源之和滿足ESA+ESB+E SC = 0,根據(jù)電路理論，補償給三相 電網(wǎng)母線各自的補償電流之和滿足Ica+IcB+Icc = 0,假設Ka和Kb和Kc是根據(jù)開關狀態(tài)預先設 定的開關系數(shù)，在理想和粗略計算的狀況下，各相中補償電流和時間t的微分方程與交流電 源之間還存在以下函數(shù)關系：
[0033]
[0034]
[0035]
[0036] 為了討論的方便，后文中我們暫時取其中的一相電網(wǎng)支路Esa作為研究對象，其他 余下幾相電網(wǎng)支路Esb~Esc的運作原理也基本類似。參見圖1，有源電力濾波器的基本工作 機制是，在負載端由霍爾電流傳感器101對負載電流II進行檢測，并將負載電流II信息傳輸 給有源電力濾波器。指令電流運算模塊102檢測出被補償對象中的例如諧波和無功電流分 量等信息，假定負載電流II信息中的諧波分量Ilh被檢測出來，其后指令電流運算模塊102再 將諧波分量Ilh反極性后作為一個補償電流的指令信號I*ca。電流跟蹤控制模塊103接收來 自指令電流運算模塊102的指令信號1*^后，產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制信號pmn專輸給驅動電路 104,進一步來讓驅動能力更強的驅動電路104來驅動主電路105中每個開關組(S1~S2或S3 ~S4或S5~S6)的開關狀態(tài)，目的是使得主電路105產(chǎn)生實時精確跟蹤指令信號I* CA的補償 電流Ica。如果補償電流Ica和負載電流II的諧波分量Ilh大小相等但是極性/方向相反，則兩 者相互抵消，使電源Esa提供的電源電流Isa中只含近乎標準的正弦基波電流分量，最終達到 抑制電源電流中諧波的目的。
[0037] 上文介紹了在第一組兩個開關S1~S2之間的連接節(jié)點a和提供電源Esa的一相電網(wǎng) 支路之間連接有電感L，從節(jié)點a通過電感L注入給該電網(wǎng)的補償電流是ICA，現(xiàn)在以主電路 105的a節(jié)點向提供電源Esa的一相電網(wǎng)產(chǎn)生的補償電流ICA來示范有源電力濾波器的補償機 制。在有源電力濾波器APF的正常運作階段，主電路105輸出的補償電流I CA在指令信號I*CA 值的上下浮動，大體上會呈現(xiàn)鋸齒狀來跟隨指令信號I*CA值的變化。
[0038]
[0039]其中式(4)是式（1)的變形，要求補償電流ICA實時精確跟蹤指令信號I*CA，則一旦 補償電流Ica發(fā)生任何較之補償電流Ica的偏差時，應當選擇接通或關斷主電路105中的開關 S1~S2來減小這種偏差，并且式中開關系數(shù)Ka通?？梢匀∫?1/3或一 2/3。當補償電流ICA小 于指令信號I*ca，表明了補償電流Ica應當增加來努力靠近指令信號I*ca，此時式(4)等式左 邊應當大于0,也即意味著開關S1~S2橋臂中的上開關管S1應當關斷而下開關管S2接通。當 補償電流Ica大于指令信號I*ca，表明了補償電流Ica應當減小來靠近指令信號I*ca，此時式 (4)等式左邊應當小于0,意味著開關S1~S2橋臂中的上開關管S1應當接通而下開關管S2關 斷。也即實現(xiàn)以下方案：電流跟蹤控制模塊103接收來自指令電流運算模塊102的指令信號 I*ca后，將接收的指令信號I*ca和擷取的實際補償電流Ica進行比較，產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號PWM 傳輸給驅動電路104,進一步讓驅動能力更強的驅動電路104來驅動主電路105中每個開關 組(S1~S2或S3~S4或S5~S6)的開關狀態(tài)，使補償電流I CA實時精確跟蹤指令信號I*CA。
[0040] 上文是以補償諧波分量ILH的方式來闡釋整個系統(tǒng)的運作過程，在一個可選但非必 須的實施例中，如果我們要求有源電力濾波器在補償諧波的同時，還進一步補償負載的無 功功率，則只要在補償電流I CA的指令信號1*以中增加與負載的基波無功分量反極性的成 分即可。此時負載電流II信息中的諧波分量Ilh與無功分量I LQ被檢測出來，指令電流運算模 塊102再將諧波分量Uh與無功分量1^合并反極性后作為一個補償電流的指令信號I* CA，補 償電流Ica= -（Ilh+Ilq)。從而在整個電網(wǎng)中補償電流Ica與負載電流II中的諧波Ilh及無功 Ilq成分相抵消，電源電流Isa最終等于負載電流的基波有功分量。
[0041] 在另一個可選實施例中，有源電力濾波器可以只補償無功功率，此時補償電流Ica 的指令信號I*ca應當與負載電流II信息中的瞬時無功分量大小相同但是極性相反，也即 滿足補償電流Ica= - Il-q，補償后的電源電流Isa最終等于負載電流的有功分量。
[0042]在另一個可選實施例中，考慮到三相不平衡系統(tǒng)中負載電流可能存在負序分量， 當有源電力濾波器既補償無功功率又補償諧波電流還進一步補償負序電流時，補償電流Ica 的指令信號I*ca應當與負載電流II信息中的瞬時無功分量Il-q、諧波分量Ilh、負序有功分量 Il-p、負序無功分量Il-q大小相同但極性相反，補償電流Ica= -（Il-q+Ilh+Il-p+Il-q)。補償后 的電源電流Isa最終等于負載電流的正序有功分量。
[0043]參見圖2,與圖1中略有區(qū)別的是，圖1是單級有源電力濾波器APF為電網(wǎng)提供補償 電流，而圖2中是采用多級有源電力濾波器APF為電網(wǎng)提供補償電流。仍然取其中的一相電 網(wǎng)支路Esa作為研究和闡釋對象，其他余下幾相電網(wǎng)支路Esb~E SC的運作原理也基本類似。在 圖1中是單級有源電力濾波器為該一相電網(wǎng)提供補償電流Ica，在圖2中是多級有源電力濾波 器APF1、APF2、……APFN(N是自然數(shù))對應分別為該一相電網(wǎng)提供補償電流I C1、IC2、……I? (N是自然數(shù)），任意一級的有源電力濾波器APFN均可以向該電網(wǎng)中注入對應的補償電流I CN， 最終，我們可以計算合計注入在該相電網(wǎng)中的總補償電流是Ici+Ic2+......+Icn。如果圖2中多 級有源電力濾波器和圖1中單級有源電力濾波器的補償效果相同，則ICA=Iq+IC2+……+1?， 多級取代單級的方式可以降低單級有源電力濾波器的運算壓力并極大的提高補償精度和 效果。
[0044] 參見圖2,第一級有源電力濾波器APF1至少預留有兩個端口 10-1和10-2來擷取電 流傳感器101的感測電流，依此類推第Ν級有源電力濾波器APFN也至少預留有兩個端口 10-1 和10-2,其中第一級APF1和第二級APF2……第Ν級APFN在電性連接關系上是并聯(lián)的方式。這 體現(xiàn)在，電流傳感器101的電流傳輸線101 a在它的X1節(jié)點處連接到第一級APF1的端口 10-1， 然后電流傳輸線l〇la從第一級APF1的端口 10-2再次回連到電流傳輸線101a的Y1節(jié)點處。依 此類推，電流傳感器1 〇 1的電流傳輸線1 〇 1 a在它的XN節(jié)點處連接到第N級APFN的端口 10-1， 然后電流傳輸線1 〇 1 a從第N級APFN的端口 10-2再次回連到電流傳輸線101 a的YN節(jié)點處。從 而將所有的第一級APF 1和第二級APF2……第N級APFN全部串接在同一條電流傳輸線101 a 上。
[0045]在一個可選實施例中，第一級APF1提供的補償電流IcdP第二級APF2提供的補償電 流Ic2……以及第N級APFN提供的補償電流I?相等，IC1 = IC2 = IC3 =……I?，此時任意一級有 源電力濾波器APFN從電流傳輸線101a上擷取到負載電流IL中的預設抑制信號值I FILTER后， APFN自身的指令信號I*CA-ν應該等于的IFILTER + N(但相位相反）。相當于各級APF提供的單級 補償電流Ici=Ic2 = Ic3......Icn= -Ifilter/N，所以合計的總補償電流滿足IcA=Ici+Ic2+......+ Icn= - Ifilter。預設抑制信號值Ifilter是負載電流中需要被濾除掉的分量，可以是上文的諧 波分量Ilh，也可以是諧波分量Ilh與無功分量Ilq，還可以是瞬時無功分量Il-ci，或同時帶有瞬 時無功分量In、諧波分量Ilh、負序有功分量Il-p和負序無功分量In，注意Ifilter和這些分量 大小相同但極性相反。
[0046] 參見圖2,第一級APF1和第二級APF2……第N級APFN全部串接，雖然可以降低單級 有源電力濾波器的運算壓力，但也有弊端，如第一級APF1遇到損壞或者需要檢修等突發(fā)情 況時，濾波器APFN需要從電流傳輸線10 la上分離下來，此時為了避免后級的各個APF2…… APFN仍然正常工作，在不能斷電網(wǎng)的這一前提下，只能將電流傳輸線101a上連接到第一級 APF1的I0-1/I0-2端口上的節(jié)點XI和Y1強行短接，例如以物理的方式利用金屬彈片或導線 l〇lb短接在節(jié)點XI和Y1之間，滿足電流傳輸線101a不斷開才能不至于影響到后面的 APF2……APFN。依此類推，第N級APFN (N為自然數(shù))從電網(wǎng)上斷開時它的10-1 /10-2端口上的 節(jié)點XN和YN必須強行短接。盡管濾波器可以從電網(wǎng)上被卸載下來，但是任意一個濾波器從 電網(wǎng)上斷開的瞬態(tài)，都會在它的I0-1/I0-2端口附近產(chǎn)生危及人身安全的危險電弧，因為這 屬于強電的范疇。
[0047] 為了彌補圖2的不足，本申請在下文中提出了圖3的實施例。
[0048]參見圖3,空心線圈傳感器121用來替換圖1~2的霍爾電流傳感器101，該空心線圈 傳感器121用來檢測負載電流II信息的各種分量，空心線圈121在結構上沒有使用類似霍爾 電流傳感器101那樣的含鐵磁性材料的磁芯，線圈123纏繞在起到物理支撐作用的柔性或剛 性骨架122上構成環(huán)形繞組，骨架122不是磁芯所以空心線圈121無磁滯效應，也沒有相位誤 差和磁飽和現(xiàn)象，響應的頻帶寬度從0.1HZ到幾 MHZ。空心線圈傳感器121的理論依據(jù)是法拉 第電磁感應定律和安培環(huán)路定律，電網(wǎng)的負載電流U沿著軸線通過空心線圈傳感器121的 線圈123中心時，線圈123的環(huán)形繞組包圍的體積范圍內(nèi)會產(chǎn)生對應變化的磁場，在線圈123 的兩端產(chǎn)生的感應電壓Ui(t) =MX (di/dt)，它與需測量的隨時間t變化的交流電流i的微 分方程成正比，Μ是線圈繞組的互感系數(shù)。
[0049] 參見圖4,考慮到圖3中線圈123兩端產(chǎn)生的感應電壓UKt)信號很微弱，在可選的 實施例中，可以先將感應電壓UKt)放大后再進行積分。必須強調(diào)的是，在圖4中采用的放大 電路123和采用的積分電路124是任意可選的，在本申請中以具體的放大電路123和積分電 路124架構只是為了證明和闡釋本申請的發(fā)明精神，實際上任何其他適用的放大電路和積 分電路類型均可以替換圖中的放大電路123和積分電路124，例如拉扎維在模擬CMOS集成電 路設計一書中披露的各種放大器和積分器。在本發(fā)明后續(xù)圖8~9的方案中提出了較之圖4 更佳的放大電路或積分電路方案。
[0050] 參見圖4,在運算放大器AM1的反相輸入端和輸出端之間連接有一個電阻R2,在所 輸入的感應電壓山(〇和運算放大器AM1的反相輸入端之間連接有一個電阻R1，運算放大器 AM1的正相輸入端接地，算出運算放大器AM1輸出端電壓U2 (t) = - Ui (t) X (R2/R1)。另外在 積分電路124中，輸入給積分電路124的電壓U2(t)和運算放大器AM2的反相輸入端之間連接 有一個電阻R3,在運算放大器AM2的反相輸入端和輸出端之間連接有電容C，運算放大器AM2 正相輸入端梓地，筧出運筧放太器AM2輸出端電壓U 3(t)滿足：
[0051]
[0052]在上文介紹的利用空心線圈傳感器121檢測負載電流IL方案的基礎上，圖5還展示 了另一個較佳的實施例。與圖4相比在圖5中，第一級APF1和第二級APF2……及第N級APFN不 再是串聯(lián)關系，取而代之的是相互并聯(lián)。任意一級的濾波器APFN單獨從空心線圈傳感器121 的電流傳輸線12la上檢測負載電流II信息的各種分量。例如在一個可選的實施例中，第一 級APF1提供的補償電流I ^和第二級APF2提供的補償電流IC2……以及第N級APFN提供的補 償電流Icn相等，IC1 = Ic2 = Ic3 =……Icn，此時任意一級有源電力濾波器APFN從電流傳輸線 121a上擷取到負載電流IL中的預設抑制信號值I FILTER后，該任意一級APFN自身的指令信號 I*CA-n應該等于的Ifilter + N。相當于各級提供的補償電流Ici = Ic2 = Ic3......Icn= - Ifilter/N, 所以Ica=Iq+Ic2+......+I?= -Ifilter，這仍然能夠達到預期的補償效果。
[0053] 參見圖5,空心線圈傳感器121的優(yōu)勢之一在于它輸出的電壓山（〇~U3(t)均屬于 弱電的范疇，相比圖2中霍爾電流傳感器101的輸出的強電現(xiàn)象和卸載任意一級APF時所產(chǎn) 生的電弧，空心線圈傳感器121滿足了更佳的安規(guī)效果，空心線圈有時也被稱作羅氏線圈。 當空心線圈傳感器121在電壓和/或電流傳輸線121a上提供負載電流信息時，有源電力濾波 器APFN可以利用類似家用電話線和電話機相連的水晶接頭實現(xiàn)對接空心線圈傳感器121， 也即可以摒棄圖2中會產(chǎn)生電弧的強制短接方式，任意一級APF從電網(wǎng)上卸載時，由于并聯(lián) 關系其他余下的有源電力濾波器不會收到任何負面影響。
[0054]參見圖6,假定負載電流IL中攜帶有近乎三角波的諧波分量曲線151，如果以圖2的 霍爾電流傳感器101對諧波分量進行檢測，最終所擷取的諧波反饋量曲線實際如152所示的 那樣，可以發(fā)現(xiàn)諧波分量曲線151和諧波反饋量曲線152之間存在畸變，導致圖1中的指令電 流運算模塊102產(chǎn)生的指令信號1*以存在較大的誤差，最終致使電流跟蹤控制模塊103產(chǎn)生 的PWM信號也與期望值不符，補償電流I CA也會隨之精度變差。這是因為霍爾電流傳感器101 對負載交電流的響應頻帶寬度過窄的緣故。圖6是空心線圈傳感器121檢測出來的諧波反饋 量曲線153,高頻諧波反饋量曲線153和諧波分量151的原始曲線基本一致，幾乎不會產(chǎn)生任 何嚴重的畸變，所以電流跟蹤控制模塊103產(chǎn)生的ΠΜ信號可以按照預期的那樣切換開關， 補償電流Ica具有高精度值?；魻栯娏鱾鞲衅?01除了無法保證上文作為范例的曲線151三角 波難以被精確的捕捉到，同樣也難以保證其他類似帶有尖峰脈沖成分的高頻諧波被精確檢 測到，而空心線圈傳感器121的交流電檢測帶寬較寬，類似這樣的尖峰脈沖諧波可以以不損 失精度的方式進行捕捉。
[0055] 參見圖7,虛線左側是空心線圈傳感器的部分模塊而虛線右側則是有源電力濾波 器的部分模塊?？招木€圈傳感器還至少包括對電流信號進行檢測的放大電路211，基于本申 請的發(fā)明精神，放大電路211的放大倍數(shù)可以利用放大倍數(shù)控制模塊212進行控制，另外考 慮到空心線圈傳感器所檢測的信號能夠及時傳遞給有源電力濾波器以避免任何不必要的 延遲，放大電路211檢測到的信號用模擬量(而非1/0的二進制數(shù)字量)輸送給有源電力濾波 器，有源電力濾波器對應則用一個接收電路311實現(xiàn)模擬信號的接收。
[0056] 參見圖8,放大電路211包括第一運算放大器A1和第二運算放大器A2,其中環(huán)形繞 組線圈的兩端DSA、DSB對應分別耦合到第一運算放大器的正相輸入端V IN1和第二運算放大 器A2的正相輸入端VIN2。圖8中線圈的DSA端和正相輸入端V皿之間連接有電阻R21，以及線圈 的DSB端和正相輸入端V IN2之間連接有電阻R22,同時還在第一運算放大器A1的正相輸入端 V皿和第二運算放大器A2的正相輸入端VIN2之間連接有一個電容C21，當信號頻率較低時，電 容C21的容抗很大使差分放大電路的輸入阻抗很高。參見圖8,在第一運算放大器A1的反相 輸入端(節(jié)點N1)和第二運算放大器A2的反相輸入端(節(jié)點N2)之間連接有第一電阻R25,以 及在第一運算放大器A1的反相輸入端和它的輸出端Vcrnn之間連接有第二電阻R23,和在第 二運算放大器A2的反相輸入端和它的輸出端V QUT2之間連接有第二電阻R24，R23和R24的電 阻值大小可以相同，但它們和R25的阻值可以相同也可以不同。較為粗略的計算，輸出端 Vouti~Vqut2之間的差分電壓Vqut2 -Vciuti大體上等于(ViN2 -Vini) X (1+2 XR23/R25)，其中 ViN2 - V皿等于環(huán)形繞組線圈兩端DSA、DSB的感應電壓差，從而我們可以實現(xiàn)在第一運算放 大器和第二運算放大器A1~A2各自的輸出端Vcrnn~V QUT2之間，擷取到上文介紹的環(huán)形繞組 線圈兩端DSA~DSB感測到的感應電壓的差分放大信號。
[0057]參見圖8,已知節(jié)點N1和第一運算放大器A1的反相輸入端相連，節(jié)點N2和第二運算 放大器A2的反相輸入端相連，上文的第一電阻R25連接在節(jié)點N1和N2之間?？梢杂^察到放大 電路211還包括一組或多組相互串聯(lián)的第三電阻R26和開關器件S26,而且每一組串聯(lián)的第 三電阻R26和開關器件S26均連接在第一、第二運算放大器A1~A2各自的反相輸入端之間 (即節(jié)點N1~N2之間），目的在于，我們希望放大電路211的整體增益或稱放大倍數(shù)是可調(diào) 的。節(jié)點N1~N2之間除了原本存在的第一電阻R25之外，當每一組相互串聯(lián)的第三電阻R26 和開關器件S26中S26接通時，便讓該組當中的第三電阻R26和第一電阻R25并聯(lián)在節(jié)點N1~ N2之間。所以在節(jié)點N1~N2之間引入的有效狀態(tài)的第三電阻R26(S26接通)越多，節(jié)點N1~ N2之間的并聯(lián)總阻值就越小，反之亦然，在節(jié)點N1~N2之間舍去的第三電阻R26(S26斷開） 越多，節(jié)點N1~N2之間的并聯(lián)總阻值就越大。開關S26的接通或關斷可由圖7中的放大倍數(shù) 控制模塊212輸出的高低電平來控制開關S26的控制端進行切換。當需要增加放大電路211 的放大倍數(shù)時，接通一個或多個開關器件S26以將一個或多個該第三電阻R26和第一電阻 R25予以并聯(lián)?；蛘咝枰档头糯箅娐?11的放大倍數(shù)時，斷開一個或多個開關器件S26以將 一個或多個和第一電阻R25并聯(lián)的第三電阻R26從放大電路中浮置(floating)，此時浮置狀 態(tài)的第三電阻R26是高阻態(tài)可以不予考慮它在N1~N2節(jié)點間造成的并聯(lián)阻值影響。
[0058]參見圖9，有源濾波器APF中的接收電路311包括第三運算放大器A3，圖7中放大電 路211輸出的差分放大信號(VciuT2-Vciuti)親合到該第三運算放大器A3的正相和反相輸入端。 例如圖8中的第二運算放大器A2的輸出端V QUT2通過電阻R32耦合到三運算放大器A3的正相 輸入端VINB，圖8中的第一運算放大器A1的輸出端Vcrnn通過電阻R31耦合到第三運算放大器 A3的反相輸入端VINA，并在第三運算放大器A3的反相輸入端和輸出端之間連接有反饋電阻 R33,因此第三運算放大器A3將該差分放大信號轉為單端信號。有源APF的第三運算放大器 A3接收到的差分信息是高速模擬量，這里電阻R31的阻值和R32可以相同或不同，差分電壓 Vout2 -VQUT1轉換成第三運算放大器A3的單端電壓信號，等于（Vmb -VINA) XR33/R31或 (Vout2 - Voun) XR33/R31。作為其他的可選實施例，還可以將一個參考電壓VREF通過一個電 阻輸入到第三運算放大器A3的正相輸入端VlNB，來使差分值V〇UT2 - Vciuti略微向上抬升。
[0059] 參見圖9,接收電路311還包括可以使得前級電路和后級電路實現(xiàn)電氣隔離的光耦 合模塊345，光耦合模塊345中等效發(fā)光二極管和受光器件(如光敏半導體管)相互配合來提 供輸出電流，光耦合模塊345完成電信號一光信號一電信號的轉換，從而起到輸入信號和輸 出信號的隔離作用。由于光耦合模塊345輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特 點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。所以光耦合模塊345在傳輸信息中作為終端 隔離元件可以大大提高信噪比。本發(fā)明中考慮到各級APF之間是互相并聯(lián)的關系，光耦合模 塊345可以有效屏蔽不同APF之間各自檢測支路對其他檢測支路的信號干擾，而且在同一級 濾波器APF中不同的三相電流信號檢測支路彼此之間的干擾也被屏蔽。在本發(fā)明中光耦合 模塊345接收第三運算放大器A3輸出的單端電壓信號，并且生成與運算放大器A3輸出的單 端電壓信號保持為線性關系的線性電流If_w。所以光耦合模塊345作用至少有兩個，第一 個是實現(xiàn)前后級的電氣隔離，第二個則是形成跟隨著運算放大器A3輸出的單端電壓信號變 化而線性變化的線性電流。接收電路311還包括第四運算放大器A4，第四運算放大器A4將線 性電流Ifoluw轉換還原成最終期望得到的電壓值。光耦合模塊345的電流輸出端耦合到與第 四運算放大器A4的反相輸入端相連的一個節(jié)點N3,我們還在第四運算放大器A4的正相輸入 端接地且在它的反相輸入端和輸出間連接有電阻R45，雖然圖中沒有表示出來，電阻R45可 以設置成可調(diào)電阻或者直接和它串聯(lián)一個可調(diào)電阻。第四運算放大器A4通過電阻R45將在 該節(jié)點N3所吸收的線性電流IFQLXCIW轉換成它輸出的電壓信號VciUT-A。由于限定線性電流IFC1LX0W 和第三運算放大器A3輸出的單端電壓信號保持線性關系，則第四運算放大器A4輸出的電壓 信號Vout-a也和第三運算放大器A3輸出的單端電壓信號保持線性關系。在第四運算放大器A4 的反相輸入端和輸出間連接有補償電容C42,它與電阻R45并聯(lián)，補償電容C42用于改進電路 穩(wěn)定性和減小電路輸出噪聲及限制電路的工作帶寬于10kHz左右內(nèi)。
[0060] 參見圖10,這主要是區(qū)別于圖5的開環(huán)式檢測法，在圖5中，多級有源電力濾波器以 分別單獨從同一個空心線圈傳感器121檢測同一電網(wǎng)中非線性負載的負載電流II中的電流 信息的方式而并聯(lián)設置，在開環(huán)式檢測法中，空心線圈傳感器121的位置一般是靠近非線性 負載。但在圖10的閉環(huán)式檢測法中，空心線圈傳感器121的位置卻是靠近交流電源Es，也就 是說，空心線圈傳感器121將檢測到的電源側的電流量信息傳輸給有源電力濾波器，此時有 源電力濾波器根據(jù)所擷取到電源側的電流量中的諧波分量后，直接產(chǎn)生補償電流來濾除電 源側的諧波。
[0061] 在本發(fā)明中，多級有源電力濾波器以分別單獨從同一個空心線圈傳感器檢測同一 電網(wǎng)中的非線性負載的負載電流信息的方式并聯(lián)設置，所以任何一級APF從電網(wǎng)卸載下來 均不影響其他余下有源電力濾波器正常的從空心線圈傳感器擷取負載電流信息，這與多級 有源電力濾波器相互串聯(lián)來檢測負載電流的方式有著本質(zhì)的區(qū)別。
[0062] 以上，通過說明和附圖，給出了【具體實施方式】的特定結構的典型實施例，上述發(fā)明 提出了現(xiàn)有的較佳實施例，但這些內(nèi)容并不作為局限。對于本領域的技術人員而言，閱讀上 述說明后，各種變化和修正無疑將顯而易見。因此，所附的權利要求書應看作是涵蓋本發(fā)明 的真實意圖和范圍的全部變化和修正。在權利要求書范圍內(nèi)任何和所有等價的范圍與內(nèi) 容，都應認為仍屬本發(fā)明的意圖和范圍內(nèi)。
【主權項】
1. 一種帶有多級有源電力濾波器的諧波抑制系統(tǒng)，其特征在于，多級有源電力濾波器 以分別單獨從同一個空心線圈傳感器檢測同一電網(wǎng)中的電流信息的方式并聯(lián)設置，任意一 級有源電力濾波器均從電流信息中提取預設抑制信號，從而多級有源電力濾波器共同產(chǎn)生 與預設抑制信號大小相等相位相反的補償電流注入電網(wǎng)。2. 根據(jù)權利要求1所述的帶有多級有源電力濾波器的諧波抑制系統(tǒng)，其特征在于，所述 電流信息為電網(wǎng)中非線性負載的負載電流信息或者是電源側的電流量信息。3. 根據(jù)權利要求1所述的帶有多級有源電力濾波器的諧波抑制系統(tǒng)，其特征在于，設定 總共有N級有源電力濾波器并聯(lián)，N為大于零的自然數(shù)，每一級有源電力濾波器均擷取預設 抑制信號大小值的N分之一予以反極性后作為指令信號，并產(chǎn)生實時跟蹤該指令信號的單 級補償電流Ic，其中單級補償電流Ic和抑制信號大小值的N分之一大小相同但相位相反，從 而N級有源電力濾波器合計注入電網(wǎng)的總補償電流為NX Ic。4. 根據(jù)權利要求2所述的帶有多級有源電力濾波器的諧波抑制系統(tǒng)，其特征在于，所述 預設抑制信號是電源側電流量中的諧波分量或是負載電流信息中的諧波分量。5. 根據(jù)權利要求1所述的帶有多級有源電力濾波器的諧波抑制系統(tǒng)，其特征在于，該空 心線圈傳感器包括環(huán)形繞組線圈，被測的電流沿軸線通過該環(huán)形繞組線圈的中心。6. 根據(jù)權利要求5所述的帶有多級有源電力濾波器的諧波抑制系統(tǒng)，其特征在于，所述 空心線圈傳感器包括一個用于將環(huán)形繞組線圈的感應電壓進行放大的放大電路。7. 根據(jù)權利要求6所述的帶有多級有源電力濾波器的諧波抑制系統(tǒng)，其特征在于，每一 級有源電力濾波器均包括將所述放大電路的模擬輸出量以模擬信號的方式予以接收的接 收電路，并產(chǎn)生用于表征該電流信息的電壓信號。8. 根據(jù)權利要求6所述的帶有多級有源電力濾波器的諧波抑制系統(tǒng)，其特征在于，所述 放大電路包括第一、第二運算放大器，該環(huán)形繞組線圈的兩端對應分別耦合到第一、第二運 算放大器各自的正相輸入端； 在第一、第二運算放大器各自的反相輸入端之間連接有第一電阻，以及在第一運算放 大器的反相輸入端和輸出端之間連接有第二電阻，和在第二運算放大器的反相輸入端和輸 出端之間連接有第二電阻，藉此在第一、第二運算放大器各自的輸出端之間形成所述感應 電壓的差分放大信號。9. 根據(jù)權利要求8所述的帶有多級有源電力濾波器的諧波抑制系統(tǒng)，其特征在于，所述 放大電路還包括一組或多組相互串聯(lián)的第三電阻和開關器件，每一組串聯(lián)的第三電阻和開 關器件均連接在第一、第二運算放大器各自的反相輸入端之間； 需要增加所述放大電路的放大倍數(shù)時，接通一個或多個開關器件以將一個或多個該第 三電阻和第一電阻予以并聯(lián);或者 需要降低所述放大電路的放大倍數(shù)時，斷開一個或多個開關器件以將一個或多個和第 一電阻并聯(lián)的第三電阻從所述放大電路中浮置。10. 根據(jù)權利要求7所述的帶有多級有源電力濾波器的諧波抑制系統(tǒng)，其特征在于，所 述接收電路包括第三運算放大器，所述放大電路輸出的差分放大信號通過電阻耦合到該第 三運算放大器的正相和反相輸入端，并在第三運算放大器的反相輸入端和輸出端之間連接 有反饋電阻，因此第三運算放大器將該差分放大信號轉為單端電壓信號。11. 根據(jù)權利要求10所述的帶有多級有源電力濾波器的諧波抑制系統(tǒng)，其特征在于，所 述接收電路還包括可實現(xiàn)電氣隔離的光耦合模塊和第四運算放大器； 該光耦合模塊輸出跟隨該單端電壓信號線性變化的線性電流，第四運算放大器正相輸 入端接地且在它的反相輸入端和輸出間連接有電阻，由第四運算放大器將該線性電流轉換 成其輸出端的與該單端電壓信號成線性關系的電壓信號。
【文檔編號】H02J3/01GK105932677SQ201610389958
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月3日
【發(fā)明人】張永
【申請人】豐郅(上海)新能源科技有限公司