CN102130457B - 谐波电流抵消模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种谐波电流抵消模块，包括直流稳压和电流跟踪控制单元、驱动单元、三相全桥变换电路、直流稳压电容器组、三相单次谐波滤波电路、电流传感器和电压传感器。本发明还公开了一种由所述谐波电流抵消模块组成的谐波电流抵消模块组，所述谐波电流抵消模块在并联后经过断路器连接低压配电母联。本发明采用模块结构，便于标准化生产，扩容方便，N+1冗余，可以提高系统运行可靠性，由于针对单次电力谐波进行抵消，滤波电路设计合理，谐波电流抵消效果好。

Description

谐波电流抵消模块
技术领域
本发明涉及一种电力低压配电系统，特别是应用于该系统的谐波电流抵消模块。
背景技术
随着半导体器件在电力系统中大量使用，非线性负载引起的谐波危害开始引起重视，电力低压配电系统中的谐波问题也越来越受到人们关注。对于谐波抑制及消除，主要的手段有在配电系统侧加入无源电力滤波、有源电力滤波等装置；或在用电侧加入功率因数校正环节等。无源电力滤波装置主要是采用电抗器与电容器的连接组合，通过串联或并联谐振方式使无源电力滤波装置对谐波电压或谐波电流呈现合理阻抗，从而达到谐波抑制或消除的目的。有源电力滤波器主要采用电力电子半导体器件，通过计算出系统的谐波电流或谐波电压针对性地进行消除，一般是对各次谐波整体进行抑制或消除。功率因数校正也是采用电力电子半导体器件，通过控制使电流波形与电压波形基本保持一致，从而达到提高功率因数、抑制和消除谐波的目的。
上述几种方法都已进行使用，无源电力滤波由于采用电抗器与电容器的连接组合，受自身频率特性比较固定等影响，使用范围比较有限；有源电力滤波装置由于对各次谐波进行抑制及消除，实时要求也很高，设计和生产相对困难，成本较高；功率因数校正由于所有功率都会流经功率变换电路，一般只适用于中小功率场合。
发明内容
发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种可以在电力低压配电系统中针对性地对单次谐波电流进行抵消的谐波电流抵消模块和谐波电流抵消模块组。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种谐波电流抵消模块，包括直流稳压和电流跟踪控制单元、驱动单元、三相全桥变换电路、直流稳压电容器组、三相单次谐波滤波电路、电流传感器和电压传感器；所述直流稳压和电流跟踪控制单元的输入端输入单次谐波电流相位信号，直流稳压和电流跟踪控制单元的输出端连接驱动单元的输入端，三相全桥变换电路的输入端连接驱动单元的输出端，三相全桥变换电路的直流电容侧连接直流稳压电容器组，三相全桥变换电路的交流侧连接三相单次谐波滤波电路的输入端，电流传感器对三相单次谐波滤波电路的输出电流进行采样并反馈到直流稳压和电流跟踪控制单元，电压传感器对三相全桥变换电路的直流电容侧进行直流电压采样并反馈到直流稳压和电流跟踪控制单元。
所述三相单次谐波滤波电路可包括三相电抗器。
所述三相全桥变换电路可包括6只两两串联后再并联的绝缘栅双极性晶体管或者场效应管。
所述直流稳压电容器组可包括两个串联的直流电解电容器和两个串联的电阻，其中两个串联的直流电解电容器整体和两个串联的电阻整体并联。
所述直流稳压和电流跟踪控制单元可包括内环谐波电流环和外环直流电压稳压环。
所述谐波电流抵消模块还可包括连接所述三相单次谐波滤波电路的输出端的进线断路器。
所述谐波电流抵消模块还可包括保护单元和显示及监控单元，所述电流传感器和电压传感器的反馈信号输入保护单元，保护单元连接驱动单元和显示及监控单元，显示及监控单元连接直流稳压和电流跟踪控制单元。
所述显示及监控单元可包括依次连接的显示及人机界面、单片机和双口RAM(随机存取存储器)。
所述显示及监控单元可通过RS485接口和上位机进行通信。
本发明还公开了一种由所述谐波电流抵消模块组成的谐波电流抵消模块组，所述谐波电流抵消模块在并联后经过断路器连接低压配电母联。
有益效果：只需检测单次谐波电流的相位，直接对单次电力谐波电流进行抵消，而不需繁琐的所有谐波的检测与计算；每个模块根据自己容量和谐波次数输出谐波电流，可针对性地对相应次数的系统谐波进行抵消；每个模块采用内环谐波电流环、外环直流稳压环的双闭环控制，保证单台运行的控制精度和性能；采用模块化结构，N+1冗余，可以提高整体运行的稳定性与可靠性。
附图说明
图1是本发明的整体结构图；
图2是本发明的模块化应用接线图；
图3是本发明的主电路电路图；
图4是本发明的直流稳压和电流跟踪控制单元方框图；
图5是本发明的显示及监控单元方框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，本发明谐波电流抵消模块由进线断路器、针对抵消次数的三相单次谐波滤波电路、三相全桥变换电路、直流稳压电容器组连接组成，并具有对应的电路控制系统。该模块的电路控制系统由直流稳压和电流跟踪控制单元、保护单元、驱动单元以及显示及监控单元组成。
谐波电流抵消模块从进线柜CT(电流互感器)检测出单次谐波电流相位信号，根据该相位信号采用内环谐波电流环、外环直流稳压环经驱动单元后对三相全桥变换电路进行双闭环控制，三相全桥变换电路直流侧为直流稳压电容器组，交流侧通过三相单次谐波滤波电路后产生与系统单次谐波电流相位相反的谐波电流，从而实现对系统的电力谐波电流的抵消。
谐波电流抵消模块具有全面的保护功能，保护单元的功能包括：输出过流保护、直流过压及欠压保护、输入过压及欠压保护，过热保护等。以输出过流保护为例：采样得到的输出电流信号经滤波整流后得到的数值与设定的过流保护值进行比较，当输出电流滤波整流后得到的数值大于设定的过流保护值时，保护启动动作，使驱动单元不工作；反之则保护不启动。其他保护原理类似，功能不同。
如图2所示，由于低压用电侧存在大量非线性负载，采用N+1台谐波电流抵消模块对谐波进行抑制及消除，模块安装于电力低压配电系统中，每台模块能独立运行或根据需要组合运行。谐波电流抵消模块经过断路器连接于低压配电母联上，根据需抵消谐波的次数及容量进行模块化并联连接，每台模块将进线柜CT的电流信号作为输入，以确定需抵消的单次谐波电流的相位信号，通过输出对应次数谐波电流，以完成单次谐波抵消电流的功能。
如图3所示，每个模块的主电路由三相单次谐波滤波电路、三相全桥变换电路以及直流稳压电容器组连接而成。针对抵消次数的三相单次谐波滤波电路一般可由三相电抗器(或电抗器与电容器的组合)构成；三相全桥变换电路由6个电力电子半导体器件组成的，可选用绝缘栅双极性晶体管(IGBT)或者场效应管(MOSFET)；直流稳压电容器组由直流电解电容器与放电电阻的组合构成。
如图4所示，模块的直流稳压和电流跟踪控制单元采用内环谐波电流环、外环直流电压稳压环的双闭环控制。需抵消的单次谐波电流相位信号经过锁相环和正弦信号乘积后得到谐波电流基准信号ihr，ihr与Δip及负的ih求和后的误差经过比例调节后通过滞环电流控制，对三相全桥变换电路进行功率驱动。然后从直流电容侧进行直流电压采样，经过电压反馈后与直流电压基准信号进行比较，比较得到的误差信号通过比例积分调节后作为误差补偿信号Δip加入电流环。三相全桥变换电路的交流侧经滤波环节后对输出电流进行采样并反馈，作为电流反馈信号ih与电流基准信号ihr及误差补偿信号Δip进行比较。模块的直流稳压和电流跟踪控制单元主要可由数字信号处理器完成。
如图5所示，显示及监控单元由显示及人机界面、单片机及双口RAM组成。单片机一方面将从直流稳压和电流跟踪控制单元中传来的的主要电压电流信号读取过来进行显示；另一方面将人机界面中的输入指令及参数通过双口RAM传输给直流稳压和电流跟踪控制单元的DSP(数字信号处理器)。显示及监控单元也可通过RS485进行通信，将主要的信息传送至上位机并进行组网。

Claims (10)

1.一种谐波电流抵消模块，其特征在于：包括直流稳压和电流跟踪控制单元、驱动单元、三相全桥变换电路、直流稳压电容器组、三相单次谐波滤波电路、电流传感器和电压传感器；所述直流稳压和电流跟踪控制单元的输入端输入单次谐波电流相位信号，直流稳压和电流跟踪控制单元的输出端连接驱动单元的输入端，三相全桥变换电路的输入端连接驱动单元的输出端，三相全桥变换电路的直流电容侧连接直流稳压电容器组，三相全桥变换电路的交流侧连接三相单次谐波滤波电路的输入端，电流传感器对三相单次谐波滤波电路的输出电流进行采样并反馈到直流稳压和电流跟踪控制单元，电压传感器对三相全桥变换电路的直流电容侧进行直流电压采样并反馈到直流稳压和电流跟踪控制单元；谐波电流抵消模块由进线断路器、针对抵消次数的三相单次谐波滤波电路、三相全桥变换电路、直流稳压电容器组连接组成，并具有对应的电路控制系统；该模块的电路控制系统由直流稳压和电流跟踪控制单元、保护单元、驱动单元以及显示及监控单元组成；谐波电流抵消模块从进线柜CT检测出单次谐波电流相位信号，根据该相位信号采用内环谐波电流环、外环直流稳压环经驱动单元后对三相全桥变换电路进行双闭环控制，三相全桥变换电路直流侧为直流稳压电容器组，交流侧通过三相单次谐波滤波电路后产生与系统单次谐波电流相位相反的谐波电流，从而实现对系统的电力谐波电流的抵消；谐波电流抵消模块具有全面的保护功能，保护单元的功能包括：输出过流保护、直流过压及欠压保护、输入过压及欠压保护，过热保护；其中输出过流保护：采样得到的输出电流信号经滤波整流后得到的数值与设定的过流保护值进行比较，当输出电流滤波整流后得到的数值大于设定的过流保护值时，保护启动动作，使驱动单元不工作；反之则保护不启动；由于低压用电侧存在大量非线性负载，采用N+1台谐波电流抵消模块对谐波进行抑制及消除，模块安装于电力低压配电系统中，每台模块能独立运行或根据需要组合运行；谐波电流抵消模块经过断路器连接于低压配电母联上，根据需抵消谐波的次数及容量进行模块化并联连接，每台模块将进线柜CT的电流信号作为输入，以确定需抵消的单次谐波电流的相位信号，通过输出对应次数谐波电流，以完成单次谐波抵消电流的功能；每个模块的主电路由三相单次谐波滤波电路、三相全桥变换电路以及直流稳压电容器组连接而成；针对抵消次数的三相单次谐波滤波电路由三相电抗器或电抗器与电容器的组合构成；三相全桥变换电路由6个电力电子半导体器件组成；直流稳压电容器组由直流电解电容器与放电电阻的组合构成；模块的直流稳压和电流跟踪控制单元采用内环谐波电流环、外环直流电压稳压环的双闭环控制；需抵消的单次谐波电流相位信号经过锁相环和正弦信号乘积后得到谐波电流基准信号ihr，ihr与Δip及负的ih求和后的误差经过比例调节后通过滞环电流控制，对三相全桥变换电路进行功率驱动；然后从直流电容侧进行直流电压采样，经过电压反馈后与直流电压基准信号进行比较，比较得到的误差信号通过比例积分调节后作为误差补偿信号Δip加入电流环；三相全桥变换电路的交流侧经滤波环节后对输出电流进行采样并反馈，作为电流反馈信号ih与电流基准信号ihr及误差补偿信号Δip进行比较；模块的直流稳压和电流跟踪控制单元主要由数字信号处理器完成；显示及监控单元由显示及人机界面、单片机及双口RAM组成；单片机一方面将从直流稳压和电流跟踪控制单元中传来的的主要电压电流信号读取过来进行显示；另一方面将人机界面中的输入指令及参数通过双口RAM传输给直流稳压和电流跟踪控制单元的DSP；显示及监控单元也通过RS485进行通信，将主要的信息传送至上位机并进行组网。
2.根据权利要求1所述谐波电流抵消模块，其特征在于：所述三相单次谐波滤波电路包括三相电抗器。
3.根据权利要求1所述谐波电流抵消模块，其特征在于：所述三相全桥变换电路包括6只两两串联后再并联的绝缘栅双极性晶体管或者场效应管。
4.根据权利要求1所述谐波电流抵消模块，其特征在于：所述直流稳压电容器组包括两个串联的直流电解电容器和两个串联的电阻，其中两个串联的直流电解电容器整体和两个串联的电阻整体并联。
5.根据权利要求1所述谐波电流抵消模块，其特征在于：所述直流稳压和电流跟踪控制单元包括内环谐波电流环和外环直流电压稳压环。
6.根据权利要求1所述谐波电流抵消模块，其特征在于：还包括连接所述三相单次谐波滤波电路的输出端的进线断路器。
7.根据权利要求1所述谐波电流抵消模块，其特征在于：还包括保护单元和显示及监控单元，所述电流传感器和电压传感器的反馈信号输入保护单元，保护单元连接驱动单元和显示及监控单元，显示及监控单元连接直流稳压和电流跟踪控制单元。
8.根据权利要求7所述谐波电流抵消模块，其特征在于：所述显示及监控单元包括依次连接的显示及人机界面、单片机和双口RAM。
9.根据权利要求7或8所述谐波电流抵消模块，其特征在于：所述显示及监控单元通过RS485接口和上位机进行通信。
10.一种由如权利要求1所述谐波电流抵消模块组成的谐波电流抵消模块组，其特征在于：所述谐波电流抵消模块在并联后经过断路器连接低压配电母联。
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