CN101359831B - 模块化有源电力滤波装置 - Google Patents

Abstract

一种模块化有源电力滤波装置，其包含一控制模块及至少一功率模块，该控制模块可自动检测该功率模块的数量，并输出一脉波宽度调制信号控制各该功率模块，使全部功率模块共同产生一总补偿容量，以符合一负载的容量需求。藉此，该有源电力滤波装置可增加安装容量的弹性、缩短维修保养的时间、适合大量生产及降低生产成本。

Description

模块化有源电力滤波装置 

技术领域

本发明关于一种有源电力滤波装置，特别是关于一种利用控制模块搭配至少一功率模块，该控制模块可自动检测该功率模块的数量并送出正确控制信号，使全部功率模块共同产生一总补偿容量，以滤除一负载所产生的谐波并进行无功补偿，以增加安装容量的弹性、缩短维修保养的时间、适合大量生产及降低生产成本的模块化有源电力滤波装置。 

背景技术

随着半导体技术的进步，许多具有良好可控性且耐高电压及大电流的电力电子元件相继问世，这些元件目前已被广泛的应用在电力设备中，如马达驱动器、充电器、照明器具及不间断供电系统等。由于上述设备具有非线性输入特性，使得该设备在操作时将产生大量谐波电流，进而导致一些问题，诸如变压器的过热现象、旋转机械的扰动、供应电压的失真、电力元件的破坏及医疗设备的机能故障等。为了有效限制谐波问题，一些国际研究机构纷纷制定谐波管制标准，如IEEE519-1992、IEC1000-3-2及IEC1000-3-4等。在中国台湾方面，台电公司也制订电力系统谐波管制暂行标准来管制谐波。 

为了解决上述谐波问题，近年来已发展有源电力滤波装置及技术以滤除谐波，请参考现有有源电力滤波装置架构如图1所示，一电源7提供一电力经一电力馈线10给一负载6，而一有源电力滤波装置8与该负载6并联，用以提供一补偿电流，且该补偿电流与该负载6产生的谐波及基波无功电流相同，将该补偿电流注入该电源7与该负载6间的电力馈线10，可滤除该负载6产生的谐波电流并改善功率因数，例如美国专利US5,677,832及US5,614,770等均是此类型的实施方式。然而上述现有的有源电力滤波装置8大多为一控制电路与一功率电路整合的单一机组设 计，对于制造商而言无论是在安装、测试、生产、维修与保养上均存在相当多的不便，而对于用户而言，当负载容量增加而需变更补偿容量时，则必须更换整部有源电力滤波装置8，以提供不同补偿容量，这将造成投资上的浪费；另外，虽然一些单一机组的有源电力滤波装置8有提供并联运转功能，可以使用多台单机的有源电力滤波装置8并联操作以提升补偿容量，但是多台单机的有源电力滤波装置8并联操作时，由于每一机组均各自具备完整的控制电路与功率电路，所以成本无法大幅降低。 

为了增加使用上的弹性，因此具有模块化架构设计的一有源电力滤波装置9被发展出来，请参考现有模块化有源电力滤波装置9架构，如图2所示，该模块化有源电力滤波装置9包含一控制模块91及一功率模块92。该控制模块91设有一主控制电路911及一电流检出器912。该功率模块92设有一电力转换器921、一电压及电流检出器922、一辅助控制电路923、一脉波宽度调制电路924及一驱动电路925，该电力转换器921具有一交流输出端9211及一直流端9212，该电力转换器921的交流输出端9211连接至该电力馈线10。当该现有模块化架构设计的有源电力滤波装置9进行谐波滤除及进行无功补偿时，该控制模块91的电流检出器912借助一连接线(未标示)自一负载6检出一负载电流后，产生一电流检测信号并送至该主控制电路911，以便该主控制电路911产生一负载电流控制信号予该功率模块92的辅助控制电路923。 

该功率模块92的电压及电流检出器922分别通过一连接线(未标示)自该电力转换器921检出一补偿电流及自该电力转换器921的直流端9212检出一电压后，并产生一补偿电流信号与一电压信号后送至该辅助控制电路923，该辅助电路923将根据该控制模块91的主控制电路911输出的负载电流控制信号及该功率模块92的电压及电流检出器922产生的补偿电流信号与电压信号后输出一谐波补偿信号，再送至该脉波宽度 调制电路924，以便产生一脉宽调制控制信号，该驱动电路925接收该脉宽调制控制信号，进而转换产生一驱动信号，以便驱动该电力转换器921的电力电子开关元件，使该电力转换器921产生该补偿电流，且该补偿电流与该负载6产生的谐波及基波无功电流相同，将该补偿电流注入该电源7与该负载6间的电力馈线10，可滤除该负载6产生的谐波电流并改善功率因数。 

请再参照图2，当该现有模块化有源电路滤波装置9的滤波容量因负载容量增加而需增加时，该现有模块化有源电力滤波装置9可通过增加功率模块92的数量以完成滤波容量的变更，相较于图1的现有有源电力滤波装置8滤波容量固定的设计，图2现有的模块化有源电力滤波装置9具有较佳的滤波容量扩充弹性，上述现有的模块化有源电力滤波装置9虽具有较佳的扩充弹性，然而，其功率模块92中仍需该辅助控制电路924，以便接收由该主控制电路911传送的负载电流控制信号及该电压及电流检出器922检出的输出补偿电流与电力转换器921的直流端9212电压，以便进行闭环控制，并通过该脉波宽度调制电路924产生一脉波宽度调制信号，再通过该驱动电路925以控制该电力转换器921，由于每一功率模块均需该辅助控制电路923，此将导致该功率模块92电路复杂且成本增加，且该控制模块91与该功率模块92间并没有传送安装的模块数量与容量的信号，因此在初次及增加安装该功率模块92时均需于该控制模块91上手动设定安装的功率模块92的容量与数量的参数值，对于安装、测试、生产、维修与保养上均存在相当多的不便。 

发明内容

为了改善上述现有技术的缺点，本发明主要目的是提供一种模块化有源电力滤波装置，其借助一控制模块自动检测所安装的全部功率模块的数量，并输出一脉波宽度调制信号控制各该功率模块，使全部功率模块共同产生一总补偿容量，以滤除一负载所产生的谐波并进行无功补偿，使得本发明具有增加安装容量的弹性、大量且快速的生产及降低生产成本与维修时间的功效。 

为达上述目的，本发明的模块化有源电力滤波装置的技术方案为：所述的模块化有源电力滤波装置包含一个控制模块，其具有一个模块计算电路；一个控制信号汇流排，其具有一条模块状态线；及至少一个功率模块，其具有一个模块状态检测电路，该模块状态检测电路通过该控制信号汇流排的模块状态线连接该控制模块的该模块计算电路，该模块状态检测电路产生一个检测信号，并输入至该模块计算电路；所述控制模块的模块计算电路利用该检测信号计算出该功率模块的数量，且该控制模块产生一个控制信号经该控制信号汇流排控制各该功率模块，使全部功率模块共同产生一个总补偿容量，以滤除一负载所产生的谐波并进行无功补偿。 

本发明揭示的一种模块化有源电力滤波装置，其有益的技术效果为：该控制模块可自动检测该功率模块的数量，并输出一脉波宽度调制信号控制各该功率模块，使全部功率模块产生一总补偿容量，以滤除一负载所产生的谐波并进行无功补偿。藉此，该有源电力滤波装置可增加安装容量的弹性、缩短维修保养的时间、大量生产及降低生产成本，且该控制模块直接输出一脉波宽度调制信号给该功率模块，因此相较于现有技术可在该功率模块中省去该辅助控制电路。藉此，当该功率模块故障或更改补偿容量时，可迅速进行更换及变更，进而增加安装容量的弹性并缩短维修保养的时间，借助模块化设计，可适合大量生产，并可以降低生产成本。 

附图说明

图1：现有有源电力滤波装置的电路示意图。 

图2：现有模块化有源电力滤波装置的电路示意图。 

图3：本发明第一实施例的模块化有源电力滤波装置的电路示意图。 

图4：本发明第二实施例的模块化有源电力滤波装置的电路示意图。 

图5：本发明第三实施例的模块化有源电力滤波装置的电路示意图。 

【主要元件符号说明】 

1     模块化有源电力滤波装置     1’   扩充模块化有源电力滤波装置 

11    控制模块           11’   控制模块            111  主控制电路 

111’ 主控制电路         112    模块计算电路        112’模块计算电路 

113   脉波宽度调制电路   114    电压检出器          115  电流检出器 

12    第一功率模块       12’   第一功率模块 

121   电流检测电路       122    模块状态检测电路    123  驱动电路 

124   电力转换器         1241   交流输出端          1242 直流端 

13    控制信号汇流排     131    脉宽调制信号线      132  模块状态线 

133   电流信号线         14     交流输出线 

15    第二功率模块       15’   第二功率模块 

151   电流检测电路       152    模块状态检测电路 

153   驱动电路           154    电力转换器 

1541  交流输出端         1542   直流端 

16    直流汇流排连接线   2      电力馈线             3   电源 

4     负载               5      通讯线               6   负载 

7     电源               8      有源电力滤波装置 

9     模块化有源电力滤波装置 

91    控制模块           911    主控制电路           912  电流检出器 

92    功率模块           921    电力转换器           9211 交流输出端 

9212  直流端             922    电压及电流检出器     923  辅助控制电路 

924   脉波宽度调制电路   925    驱动电路             10   电力馈线 

具体实施方式

为让本发明的上述及其他目的、特征及优点能更明显易懂，下文特举本发明的较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下： 

请参考图3所示，本发明第一实施例的模块化有源电力滤波装置1通过一电力馈线2并联连接于一电源3及一负载4之间。该电源3通过该电力馈线2提供电力给该负载4。该模块化有源电力滤波装置1用以产生一补偿电流，该补偿电流与该负载4产生的谐波及基波无功电流相同，借助将该补偿电流注入该电力馈线2，可滤除该负载4产生的谐波及基波无功电流并改善功率因数。 

请再参考图3所示，本发明第一实施例的模块化有源电力滤波装置1包含一控制模块11、一第一功率模块12、一控制信号汇流排13及一交流输出线14。该控制模块11及第一功率模块12通过该控制信号汇流排13相互连接。该控制信号汇流排13包含一脉宽调制信号线131、一模块状态线132及一电流信号线133。该控制模块11可用以计算全部功率模块12的安装数量。在此，本发明第一实施例由于仅装设了一个第一功率模块12，因此该控制模块11将计算出功率模块的数量为1，此外该控制模块11产生一控制信号，以控制该第一功率模块12产生一总补偿电流，并通过一交流输出线14将该总补偿电流馈入该电力馈线2，以补偿该负载4产生的谐波并改善功率因数。 

请再参考图3所示，本发明第一实施例的模块化有源电力滤波装置1的控制模块11包含一主控制电路111、一模块计算电路112、一脉波宽度调制电路113、一电压检出器114及一电流检出器115。该第一功率模块12包含一电流检测电路121、一模块状态检测电路122、一驱动电路123及一电力转换器124。该控制模块11的模块计算电路112、电压检出器 114及电流检出器115输出连接至该主控制电路111，而该主控制电路111的输出连接并送信号至该脉波宽度调制电路113，该脉波宽度调制电路113的输出通过该脉宽调制信号线131连接并送脉波宽度调制信号至该第一功率模块12的驱动电路123；该第一功率模块12的该电流检测电路121连接至该电力转换器124以检测该第一功率模块12的输出电流；该第一功率模块12的该电流检测电路121的输出经该电流信号线133连接并送信号至该控制模块11的该主控制电路111，该电流检测电路121的输出亦连接至该驱动电路123，而该驱动电路123连接至该电力转换器124用以产生该电力转换器124内电力电子开关元件的驱动信号。另外，该第一功率模块12的电力转换器124具有一交流输出端1241及一直流端1242，该电力转换器124的交流输出端1241借助该交流输出线14连接至该电力馈线2。 

请再参考第3图所示，本发明第一实施例与现有模块化有源电力滤波装置架构不同之处在于：该第一功率模块12的模块状态检测电路122可产生一检测信号，且该模块状态检测电路122通过该控制信号汇流排13的模块状态线132连接该控制模块11的该模块计算电路112，以便该检测信号通过该模块状态线132回传予该控制模块11的模块计算电路112，以便得知该第一功率模块12目前的状态为正常或故障，更重要的是，该控制模块11的模块计算电路112可利用该检测信号计算出该有源电力滤波装置1中全部功率模块的安装数量。另外，本发明第一实施例的控制模块11的脉波宽度调制电路113产生一脉波宽度调制信号，并借助该脉宽调制信号线131以控制该第一功率模块12的驱动电路123。相较于第2图的现有模块化有源电路滤波装置的功率模块92，本发明第一实施例的第一功率模块12未设有该辅助控制电路，因此可简化该第一功率模块12的硬件电路。 

请再参考第3图所示，当本发明第一实施例的第一功率模块12正常操作时，此时，该控制模块11的模块计算电路112检测到全部功率模块安装数量为1，该模块计算电路112将产生一功率模块计算数目信号，并传送至该主控制电路111；该负载4的电流IL借助一连接线(未标示)连接该电流检出器115，以便该电流检出器115检出该负载4的电流IL后，产生一负载电流检测信号，并送至该主控制电路111，该主控制电路111将根据检出的负载电流检测信号与该功率模块计算数目信号，计算出单一功率模块所需分配的单模块负载电流信号i_L单模块，其计算如下列公式(1)所示： 

另外，该电压检出器114亦借助一连接线(未标示)连接该电力转换器124的直流端1242，以便检出该电力转换器124的直流端1242的电压后，产生一电压检测信号送至该主控制电路111，该主控制电路111将利用该单模块负载电流信号i_L单模块与该电压检测信号计算一补偿电流参考信号；该第一功率模块12中的电流检测电路121用以检出该电力转换器124的输出电流，并产生一输出电流信号通过该电流信号线133送回该主控制电路111，该主控制电路111利用该补偿电流参考信号与该输出电流信号作闭环控制，以产生一控制信号，并将该控制信号送至该脉波宽度调制电路113，以便该脉波宽度调制电路113产生一脉波宽度调制信号，该脉波宽度调制信号通过该脉宽调制信号线131提供给该第一功率模块12的驱动电路123，以产生一驱动信号，该电力转换器124受控于该驱动信号，并产生该补偿电流，再将该补偿电流通过该交流输出端1241及该交流输出线14注入该电力馈线2，以补偿该负载4产生的谐波电流及基波无功电流。另外，该电流检测电路121的输出电流信号亦送至该驱动电路123作为过电流保护之用。 

请参考图4所示，其揭示本发明第二实施例，相较于第一实施例，第二实施例另依据该负载4的容量增设一第二功率模块15。该第二功率模块15与该第一功率模块12同样包含一电流检测电路151、一模块状态检测电路152、一驱动电路153及一电力转换器154。 

请再参考图4所示，该控制模块11、第一功率模块12及第二功率模块15同时被安装在该模块化有源电力滤波装置1内。该第一功率模块12中的电力转换器124的直流端1242及第二功率模块15中的电力转换器154的直流端1542通过一直流汇流排连接线16相连接；该模块计算电路112通过该模块状态线132与该第一功率模块12中的模块状态检测电路122及第二功率模块15中的模块状态检测电路152相连接。 

请再参考图4所示，若该第一功率模块12及第二功率模块15操作正常，此时该模块计算电路112可检测出全部功率模块的安装数量为2，并产生该功率模块计算数目信号，同时将该功率模块计算数目信号送至该主控制电路111，故公式(1)的单模块负载电流信号i_L单模块可更改如下列公式(2)所示： 

该主控制电路111则利用该单模块负载电流信号i_L单模块与该电力转换器124及154的直流端1242及1542产生的电压检测信号计算出该补偿电流参考信号。 

请再参考图4所示，该主控制电路111另通过该电流信号线133连接该第一功率模块12的电流检测电路121，以便接收该电流检测电路121所检出的输出电流信号，该主控制电路111利用该补偿电流参考信号与该输出电流信号进行闭环控制以产生该控制信号，该控制模块11的主控制电路111的该控制信号送至该脉波宽度调制电路113产生该脉波宽度调制 信号，再通过该脉宽调制信号线131连接并送信号至该第一功率模块12的驱动电路123及第二功率模块15的驱动电路153，以产生驱动该电力转换器124及154的驱动信号，该电力转换器124及154受该驱动信号的控制将各自产生一补偿电流，并注入该电力馈线2，该第一功率模块12及第二功率模块15产生的该补偿电流加总可得一总补偿电流，以滤除该负载4所产生的谐波并进行无功补偿。 

请再参考图4所示，本发明的模块化有源电力滤波装置1的功率模块可有两种工作模式，其一为该第一功率模块12的工作模式，该第一功率模块12的电流检测电路121检测该电力转换器124所产生的输出电流信号，通过该电流信号线133传给该控制模块11的主控制电路111，同时亦送至该驱动电路123作为过电流保护。另一工作模式为该第二功率模块15的工作模式，该第二功率模块15的电路架构与该第一功率模块12完全相同，该第二功率模块15的电流检测电路151用来检测该电力转换器154所产生的输出电流信号，但是该输出电流信号不反馈给该控制模块11的该主控制电路111，只送至该驱动电路153作为过电流保护用。 

因此，请再参考图4所示，本发明第二实施例只需借助一个功率模块(即第一功率模块12)以提供该输出电流信号予该控制模块11中的主控制电路111，且该第一功率模块12及第二功率模块15内部均包含该模块状态检测电路122及152作为传送该第一功率模块12及第二功率模块15目前状态为正常或故障的检测信号。 

请再参考图4所示，当该第一功率模块12或第二功率模块15产生故障时，可借助该模块状态检测电路122或152回传该检测信号(此时该检测信号内含一故障信息)，该模块化有源电力滤波装置1将自该电力馈线2切离，待该故障的功率模块移除、修护或更换后，再重新启动该模块化有源电力滤波装置1，并重新连接至该电力馈线2，此时该控制模块 11中的模块计算电路112可再度自动检测出该模块化有源电力滤波装置1中全部功率模块的安装数量，并通过该主控制电路111及该脉波宽度调制电路113以控制各该功率模块。藉此，该模块化有源电力滤波装置1可迅速的完成功率模块数量的变更，以达降低维修时间与成本的优点。 

再者，该模块化有源电力滤波装置1可视该负载4的容量选择增设数个第二功率模块15。该数个第二功率模块15的电路控制方块图、连接及控制方式均可依据本发明第一实施例及第二实施例类推，于此不多作赘述。且该第一功率模块12及数个第二功率模块15产生的该补偿电流相加可得一总补偿电流，以滤除该负载4所产生的谐波并进行无功补偿。 

请参照第5图所示，其揭示本发明的模块化有源电力滤波装置1的第三实施例，相较于第一实施例及第二实施例，第三实施例另装设有一模块化有源电力滤波装置1’，且与该模块化有源电力滤波装置1并联运转，该模块化有源电力滤波装置1与1’的电路架构及控制方式完全相同。 

请再参照图5所示，该两组模块化有源电力滤波装置1及1’通过该电力馈线2与该负载4并联连接，该两组模块化有源电力滤波装置1与1’均具相同的控制模块及功率模块，该两组模块化有源电力滤波装置1与1’的控制模块11与11’中的模块计算电路112与112’可通过一通讯线5连接。 

请再参照图5所示，该两组模块化有源电力滤波装置1与1’安装的第二功率模块15及15’可选择为相同或是不同数量，例如，该模块化有源电力滤波装置1的模块计算电路112取得该第一功率模块12加上数个第二功率模块15的安装数量为m；而该模块化有源电力滤波装置1’的模块计算电路112’取得该第一功率模块12’加上数个第二功率模块15’的安装数量为n，该模块计算电路112与112’经该通讯线5作通讯后，该模块计算电路112与112’便可得知该两模块化有源电力滤波装置1与1’的功率模块总数量为m+n，送至该主控制电路111与111’，该主控制电路111 与111’即可用以计算出单模块负载电流信号i_L单模块，如下式(3) 

再利用该单模块负载电流信号i_L单模块计算该补偿电流参考信号，后续的控制方式则与第一实施例及第二实施例相同，不再赘述。 

如上所述，相较于现有利用模块化架构设计的有源电力滤波装置以提升补偿容量的技术，因现有模块化有源电力滤波装置9的各该功率模块92均各自具备该辅助控制电路923而无法降低成本，且于第一次安装或增加模块时，需利用手动来设定安装信息，进而造成安装的不便，本发明的模块化有源电力滤波装置1利用该控制模块11自动检测并计算全部功率模块12及15的安装数量，并产生该脉波宽度调制信号送至各该功率模块12及15进行控制，各该功率模块12及15中均不需设置如现有的辅助控制电路923，因此可简化该功率模块12及15的硬件电路；另外，借助全部功率模块12及15产生的补偿电流加总而得该总补偿电流，以滤除该负载4所产生的谐波并进行无功补偿，如此本发明相较于现有技术确实不需利用手动来设定安装信息。综上所述，本发明具有增加安装容量的弹性、缩短维修保养的时间、而更有利于大量生产及降低生产成本的功效。 

Claims (8)

1.一种模块化有源电力滤波装置，其特征在于，其包含：

一个控制模块，其具有一个模块计算电路；

一个控制信号汇流排，其具有一条模块状态线；及

至少一个功率模块，其具有一个模块状态检测电路，该模块状态检测电路通过该控制信号汇流排的模块状态线连接该控制模块的该模块计算电路，该模块状态检测电路产生一个检测信号，并输入至该模块计算电路；

所述控制模块的模块计算电路利用该检测信号计算出该功率模块的数量，且该控制模块产生一个控制信号经该控制信号汇流排控制各该功率模块，使全部功率模块共同产生一个总补偿容量。

2.根据权利要求1所述的模块化有源电力滤波装置，其特征在于：该控制模块还包含一个主控制电路、一个脉波宽度调制电路、一个电压检出器及一个电流检出器，该控制模块的模块计算电路、电压检出器及电流检出器的输出连接并送信号至该主控制电路，该主控制电路的输出连接并送信号至该脉波宽度调制电路，该脉波宽度调制电路产生一个脉波宽度调制信号并连接至一条脉宽调制信号线。

3.根据权利要求2所述的模块化有源电力滤波装置，其特征在于：该功率模块还包含一个电流检测电路、一个驱动电路及一个电力转换器，该电流检测电路连接至该电力转换器以检测该功率模块的输出电流，该电流检测电路的输出连接至该驱动电路，该驱动电路通过该脉宽调制信号线取得该控制模块的脉波宽度调制电路产生的该脉波宽度调制信号，而该驱动电路的输出连接至该电力转换器以控制该电力转换器产生一个补偿电流。

4.根据权利要求3所述的模块化有源电力滤波装置，其特征在于：该功率模块的电力转换器还包含一个交流输出端，该功率模块的该交流输出端借助一条交流输出线连接至一组电力馈线，并联连接在一个负载及一个电源之间。

5.根据权利要求3所述的模块化有源电力滤波装置，其特征在于：一个该功率模块的电流检测电路通过一条电流信号线传送信号至该控制模块的主控制电路。

6.根据权利要求3所述的模块化有源电力滤波装置，其特征在于：该功率模块的电力转换器另包含一个直流端，该功率模块的直流端利用一条直流汇流排连接线与其它功率模块的直流端连接。

7.根据权利要求1所述的模块化有源电力滤波装置，该模块化有源电力滤波装置与另一个模块化有源电力滤波装置并联运转，以滤除一个负载所产生的谐波并进行无功补偿的需求。

8.根据权利要求7所述的模块化有源电力滤波装置，该模块化有源电力滤波装置与另一个模块化有源电力滤波装置并联运转时，利用一条通讯线连接各该模块化有源电力滤波装置的模块计算电路作信号传递。

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