CN102315647A

CN102315647A - 基于辅助谐振软开关技术的有源电力滤波器及软启动方法

Info

Publication number: CN102315647A
Application number: CN201110265919A
Authority: CN
Inventors: 马幼捷; 杨亚光; 周雪松; 周金程; 崔立强
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2011-09-08
Filing date: 2011-09-08
Publication date: 2012-01-11

Abstract

一种基于辅助谐振软开关技术的有源电力滤波器，包括含有负载和谐波源的电网，其特征在于它包括前级处理电路、DSP预处理和数据计算模块、单片机主控制器、键盘与显示器LCD、外设通信接口、越限报警装置和后级处理电路；其优越性在于：①硬件装置体积小重量轻，软件编程通俗易懂；②软开关技术，提高逆变器的转换效率，没有过高的dv/dt和di/dt危险；③逆变器直流侧电压利用率高；④执行速度快，提高了控制器的实时控制能力。

Description

基于辅助谐振软开关技术的有源电力滤波器及软启动方法

(一)技术领域：

本发明涉及电力系统谐波治理领域，特别是一种基于辅助谐振软开关技术的有源电力滤波器及软启动方法。

(二)背景技术：

随着我国社会经济的快速发展，非线性设备的大量采用，其带来的谐波问题也日趋严重，再加上广泛采用的传统变压器和铁心电抗器也会产生谐波，谐波污染越来越多地威胁到电力系统的安全、稳定和经济运行，给周围的电气环境带来了极大影响。而由于传统无源滤波器的技术局限性，以及有源电力滤波器技术的不断进步，有源电力滤波器在谐波治理中的作用日益显著。有源滤波器的系统中，逆变器是一个重要的组成部分，所以降低逆变器的开关损耗，提高逆变器的效率成为研究的热点。

随着PWM(Pulse Width Modulation脉冲宽度调制)电力变换装置的广泛应用，对其性能的要求也越来越高。小型化、轻量化是现代电力电子装置的发展趋势，同时对装置的效率和电磁兼容也提出了更高的要求。传统的硬开关PWM逆变器存在着许多问题亟待解决。通常，硬开关换流方式的APF(Active Power Filter有源电力滤波器)结构及控制简单，成本较低。但由于开关频率较低，在高电压状态下导通，大电流状态下关断，因此，整个装置的开关损耗较大。如果长期运行在高频工作状态，容易因工作温度过高导致逆变单元失灵，甚至损坏逆变单元，而且还会影响APF对谐波电流的跟踪和消除能力，影响装置的动态响应速度。逆变器的转换效率较低，一般低于90％。逆变单元的换流元件面临过高的dv/dt和di/dt危险，即使采用一些无源的辅助换流措施，当负荷电流或直流侧电容电压变化时，也容易导致换流条件发生变化，使开关元件的换流条件进一步恶化。采用软开关技术，开关元件换流发生在零电压或零电流的条件下，逆变器的转换效率较高，一般高于95％。逆变单元在换流时没有过高的dv/dt和口di/dt危险。

由于开关元件在换流时处于零电流或零电压状态，同时软开关技术的控制技术可以跟随负荷电流的变化，及时调整各换流元件的触发信号，达到零电流或零电压换流条件。

软开关换流方式的逆变设备具有高转换效率、高开关频率和高稳定性等特点，所以软开关技术的应用在PWM逆变器高频化进程中起着举足轻重的作用。

(三)发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于辅助谐振软开关技术的有源电力滤波器及软启动方法，它可以降低逆变器中的滤波电感、贮能电容的体积和重量占的比例，实现逆变器的小型化和轻量化，是一种运行可靠、损耗低、效率高、体积小、有效防止电磁干扰和噪声的滤波器。

本发明的技术方案：一种基于辅助谐振软开关技术的有源电力滤波器，包括含有负载和谐波源的电网，其特征在于它包括前级处理电路、DSP预处理和数据计算模块、单片机主控制器、键盘与显示器LCD、外设通信接口、越限报警装置和后级处理电路；其中，所述前级处理电路的输入端连接电网的靠近谐波源的位置，与DSP预处理和数据计算模块呈双向连接；所述单片机主控制器与DSP预处理和数据计算模块、键盘与显示器LCD、外设通信接口、后级处理电路呈双向连接，其输出端连接越限报警装置的输入端；所述后级处理电路的输出端连接电网中需要进行谐波补偿的位置。

所述前级处理电路是由电压传感器、电流传感器、电压信号调理电路、电流信号调理电路I和多路转换及A/D采样电路构成；其中，所述电压传感器、电流传感器的输入端分别采集电网中的电压信号和电流信号，其输出端分别连接电压信号调理电路、电流信号调理电路I；所述电压信号调理电路、电流信号调理电路I的输出端与多路转换及A/D采样电路的输入端连接。

所述电压、电流传感器均采用霍尔传感器。

所述DSP预处理和数据计算模块采用双DSP芯片；分别选用了TI公司生产的TMS320C6713和TMS320F2835作为主、从处理器。

所述后级处理电路是由软开关逆变器主电路、直流侧电压模块、电流传感器、电流信号调理电路II和A/D采样电路构成；其中所述软开关逆变器主电路的输出端连接电网中需要谐波补偿的位置，其输入端与直流侧电压模块的输入端连接；所述电流传感器的输入端采集直流侧电压模块的电流信号，其输出端与电流信号调理电路II的输入端连接；所述信号调理电路II的输出端与A/D采样电路的输入端连接。

所述的软开关逆变器主电路由直流开关单元、零电压开关ZVS谐振电路和DC-AC逆变器组成；其中零电压开关ZVS谐振电路是由电容C_d1、电容C_d2、电感L_r、二极管VD_c1、二极管VD_c2、IGBT管V_c1和IGBT管V_c2构成；所述电容C_d1和电容C_d2串联后与直流电源并联；所述二极管VD_c1与IGBT管V_c1并联后的输入端与电容C_d1接直流电源的正信号侧相连，二极管VD_c2与IGBT管V_c2并联后输入端与二极管VD_c1、IGBT管V_c1并联的输出端相连，二极管VD_c2与IGBT管V_c2并联后输出端与电感L_r的一端相连，电感L_r的另一端与电容C_d1和电容C_d2的中点相连，二极管VD_c1与IGBT管V_c1并联的输出端和电容C_d2的直流信号的负电源信号侧为零电压开关ZVS谐振电路的输出侧；所述DC-AC逆变器由6个IGBT模块构成，每个IGBT模块都是由IGBT管V_x、二极管VD_x和电容C_x并联而组成，其中X＝1、2、3、4、5或6；6个IGBT模块组成三相桥式逆变电路，其输入端与零电压开关ZVS谐振电路的输出端相连，其输出端连接电网中需要谐波补偿的位置。

本发明工作原理：本发明运用传感器测量谐波信号，采用电压传感器并联至电网、电流传感器穿过电线的设计，而后由采样电阻将电流信号转换为电压信号，再进行信号调理和采样等处理。采用双DSP进行处理，主DSP芯片通过EDMA(Enhanced Direct Memory Access增强型直接内存存取)方式接收由采样芯片采集的电网电压电流信号，利用准同步采样方法对采样数据进行快速的预处理，并同时计算出对谐波和无功功率的补偿电流，而后通过SPI(Serial PeripheralInterface串行外设接口)方式，将采样数据预处理结果和补偿电流信号计算结果上传至从DSP芯片。从DSP根据主DSP的数据预处理结果进行电网电压、电流、频率、功率等实时数据计算，同时接收由后级补偿电路送入电网中的补偿电流信号，经过与主DSP送来的补偿电流信号比较计算后送出PWM波形以控制IGBT模块的工作，实现对电网中谐波和无功功率的补偿。其中IGBT模块由从DSP输出PWM波形控制其开关的打开与关闭以控制直流侧电压模块大电容的充放电，其目的是将与谐波和无功分量大小相等、方向相反的电流注入供配电系统中，实现抑制谐波、动态补偿无功功率的功能。电流传感器、信号调理电路和A/D采样电路对直流侧大电容进行采样后送入从DSP构成闭环控制系统。由从DSP根据主DSP送来的补偿电流与后级采样信号分析比较，根据PID控制算法计算出PWM波形的占空比以控制IGBT模块。主控单片机根据DSP传送的脉冲信号对零电压开关ZVS谐振电路进行控制，使达到逆变桥的开关器件软启动的目的。

软开关三相PWM逆变器的主电路由DC-AC逆变器和零电压开关ZVS谐振电路构成。IGBT功率开关器件V₁～V₆和二极管VD₁～VD₆构成三相PWM逆变桥，V_c1、V_c2、VD_c1、VD_c2、电感L_r及电容C_d1、C_d2构成辅助谐振电路。逆变桥中，每一个功率开关器件上都并联一个缓冲电容器，分别为C₁～C₆，容量均为C_s。由于逆变桥上的每一个功率开关器件上都并联有缓冲电容，而电容电压不能突变，所以功率开关器件在任何时刻关断都是以ZVS软关断。

软开关三相PWM逆变器电路，由于在任一载波周期中，三相PWM逆变器每一相桥臂的功率开关器件总有一个处于开通状态，处于关断状态的三个功率开关器件等效并联在直流母线上，由于三相PWM逆变器的载波频率远远高于逆变器的输出频率，因此可以认为在一个载波周期内，逆变器的输出电流基本不变，另外，由于电容C_d1、C_d2的容量很大，可以认为在一个载波周期里C_d1、C_d2上的电压基本恒定，因为三相逆变桥上下桥臂功率开关器件总有一方导通，与之并联的缓冲电容将被短路，使剩下的三个缓冲电容并联在一起，只要在C_r上的电压U_cr为零期间，三相逆变桥上的功率开关器件开通，就可以实现整个主电路功率开关器件的软开关启动动作。

电压、电流传感器均采用霍尔传感器，采用电压传感器并联至电网、电流传感器穿过电线的设计，而后由采样电阻将电流信号转换为电压信号，再进行信号调理和采样等处理。信号调理电路模块，对经由传感器采样来的电压信号进行放大、滤波、再放大处理，以满足A/D模块的采样要求，一次放大与电感器之间利用光耦隔离以保护后面的电路安全。一次放大采用仪表放大器AD620芯片，只需改变外围电路电阻值就可以改变放大器的增益，增益范围为1～10000，此处增益的大小DSP芯片进行控制，可以根据具体应用对象选择合适的增益。

DSP预处理和数据计算模块采用双DSP芯片进行处理，主DSP芯片通过EDMA方式接收由采样芯片采集的电网电压电流信号，利用准同步采样方法对采样数据进行快速的预处理，并同时计算出对谐波和无功功率的补偿电流，而后通过SPI方式，将采样数据预处理结果和补偿电流信号计算结果上传至从DSP芯片。从DSP根据主DSP的数据预处理结果进行电网电压、电流、频率、功率等实时数据计算，同时接收由后级补偿电路送入电网中的补偿电流信号，经过与主DSP送来的补偿电流信号比较计算后送出PWM波形以控制IGBT模块的工作，实现对电网中谐波和无功功率的补偿。

主控制器采用单片机进行处理，完成与键盘连接，进行显示器LCD状态显示，与外设通信接口连接，控制越限报警装置。主控单片机根据DSP传送的脉冲信号对零电压开关ZVS谐振电路进行控制，使达到逆变桥的开关器件软启动的目的。

IGBT模块由从DSP输出PWM波形控制其开关的打开与关闭以控制直流侧电压模块大电容的充放电，其目的是将与谐波和无功分量大小相等、方向相反的电流注入供配电系统中，实现抑制谐波、动态补偿无功功率的功能。电流传感器、信号调理电路和A/D采样电路对直流侧大电容进行采样后送入从DSP构成闭环控制系统。由从DSP根据主DSP送来的补偿电流与后级采样信号分析比较，根据PID控制算法计算出PWM波形的占空比以控制IGBT模块。采用闭环控制系统可以有效减小干扰实现精确控制。电流传感器、信号调理电路、A/D采样电路的设计与前级处理电路相同，因此可大大节省设计周期。

本发明的优越性在于：①硬件装置与计算机软件编程相结合，硬件装置体积小重量轻，软件编程通俗易懂；②采用了软开关技术，提高逆变器的转换效率，使逆变器单元换流时没有过高的dv/dt和di/dt危险；③采用SAPWM载波调制控制方式，使逆变器直流侧电压利用率高；④控制电路的核心芯片采用DSP，其执行速度达30MIPS几乎所有的指令均可在30ns的单周期内完成，从而提高了控制器的实时控制能力。

(四)附图说明：

图1为本发明所涉一种基于辅助谐振软开关技术的有源电力滤波器的整体结构示意图。

图2为本发明所涉一种基于辅助谐振软开关技术的有源电力滤波器中前级处理电路的结构框图。

图3为本发明所涉一种基于辅助谐振软开关技术的有源电力滤波器中后级处理电路的结构框图。

图4为本发明所涉一种基于辅助谐振软开关技术的有源电力滤波器中软开关逆变器主电路的结构框图。

图5为本发明所涉一种基于辅助谐振软开关技术的有源电力滤波器的软启动方法软件设计主流程图。

(五)具体实施方式：

实施例：一种基于辅助谐振软开关技术的有源电力滤波器(见图1)，包括含有负载和谐波源的电网，其特征在于它包括前级处理电路、DSP预处理和数据计算模块、单片机主控制器、键盘与显示器LCD、外设通信接口、越限报警装置和后级处理电路；其中，所述前级处理电路的输入端连接电网的靠近谐波源的位置，与DSP预处理和数据计算模块呈双向连接；所述单片机主控制器与DSP预处理和数据计算模块、键盘与显示器LCD、外设通信接口、后级处理电路呈双向连接，其输出端连接越限报警装置的输入端；所述后级处理电路的输出端连接电网中需要进行谐波补偿的位置。

所述前级处理电路(见图2)是由电压传感器、电流传感器、电压信号调理电路、电流信号调理电路I和多路转换及A/D采样电路构成；其中，所述电压传感器、电流传感器的输入端分别采集电网中的电压信号和电流信号，其输出端分别连接电压信号调理电路、电流信号调理电路I；所述电压信号调理电路、电流信号调理电路I的输出端与多路转换及A/D采样电路的输入端连接。

所述电压、电流传感器均采用霍尔传感器(见图1)。

所述DSP预处理和数据计算模块(见图1)采用双DSP芯片；分别选用了TI公司生产的TMS320C6713和TMS320F2835作为主、从处理器。

所述后级处理电路(见图3)是由软开关逆变器主电路、直流侧电压模块、电流传感器、电流信号调理电路II和A/D采样电路构成；其中所述软开关逆变器主电路的输出端连接电网中需要谐波补偿的位置，其输入端与直流侧电压模块的输入端连接；所述电流传感器的输入端采集直流侧电压模块的电流信号，其输出端与电流信号调理电路II的输入端连接；所述信号调理电路II的输出端与A/D采样电路的输入端连接。

所述的软开关逆变器主电路(见图4)由直流开关单元、零电压开关ZVS谐振电路和DC-AC逆变器组成；其中零电压开关ZVS谐振电路是由电容C_d1、电容C_d2、电感L_r、二极管VD_c1、二极管VD_c2、IGBT管V_c1和IGBT管V_c2构成；所述电容C_d1和电容C_d2串联后与直流电源并联；所述二极管VD_c1与IGBT管V_c1并联后的输入端与电容C_d1接直流电源的正信号侧相连，二极管VD_c2与IGBT管V_c2并联后输入端与二极管VD_c1、IGBT管V_c1并联的输出端相连，二极管VD_c2与IGBT管V_c2并联后输出端与电感L_r的一端相连，电感L_r的另一端与电容C_d1和电容C_d2的中点相连，二极管VD_c1与IGBT管V_c1并联的输出端和电容C_d2的直流信号的负电源信号侧为零电压开关ZVS谐振电路的输出侧；所述DC-AC逆变器由6个IGBT模块构成，每个IGBT模块都是由IGBT管V_x、二极管VD_x和电容C_x并联而组成，其中X＝1、2、3、4、5或6；6个IGBT模块组成三相桥式逆变电路，其输入端与零电压开关ZVS谐振电路的输出端相连，其输出端连接电网中需要谐波补偿的位置。

Claims

1.一种基于辅助谐振软开关技术的有源电力滤波器，包括含有负载和谐波源的电网，其特征在于它包括前级处理电路、DSP预处理和数据计算模块、单片机主控制器、键盘与显示器LCD、外设通信接口、越限报警装置和后级处理电路；其中，所述前级处理电路的输入端连接电网的靠近谐波源的位置，与DSP预处理和数据计算模块呈双向连接；所述单片机主控制器与DSP预处理和数据计算模块、键盘与显示器LCD、外设通信接口、后级处理电路呈双向连接，其输出端连接越限报警装置的输入端；所述后级处理电路的输出端连接电网中需要进行谐波补偿的位置。

2.根据权利要求1中所述一种基于辅助谐振软开关技术的有源电力滤波器，其特征在于所述前级处理电路是由电压传感器、电流传感器、电压信号调理电路、电流信号调理电路I和多路转换及A/D采样电路构成；其中，所述电压传感器、电流传感器的输入端分别采集电网中的电压信号和电流信号，其输出端分别连接电压信号调理电路、电流信号调理电路I；所述电压信号调理电路、电流信号调理电路I的输出端与多路转换及A/D采样电路的输入端连接。

3.根据权利要求2中所述一种基于辅助谐振软开关技术的有源电力滤波器，其特征在于所述电压传感器和电流传感器均采用霍尔传感器。

4.根据权利要求1中所述一种基于辅助谐振软开关技术的有源电力滤波器，其特征在于所述DSP预处理和数据计算模块采用双DSP芯片；分别选用了TI公司生产的TMS320C6713和TMS320F2835作为主、从处理器。

5.根据权利要求1中所述一种基于辅助谐振软开关技术的有源电力滤波器，其特征在于所述后级处理电路是由软开关逆变器主电路、直流侧电压模块、电流传感器、电流信号调理电路II和A/D采样电路构成；其中所述软开关逆变器主电路的输出端连接电网中需要谐波补偿的位置，其输入端与直流侧电压模块的输入端连接；所述电流传感器的输入端采集直流侧电压模块的电流信号，其输出端与电流信号调理电路II的输入端连接；所述信号调理电路II的输出端与A/D采样电路的输入端连接。

6.根据权利要求5中所述一种基于辅助谐振软开关技术的有源电力滤波器，其特征在于所述的软开关逆变器主电路由直流开关单元、零电压开关ZVS谐振电路和DC-AC逆变器组成；其中零电压开关ZVS谐振电路是由电容C_d1、电容C_d2、电感L_r、二极管VD_c1、二极管VD_c2、IGBT管V_c1和IGBT管V_c2构成；所述电容C_d1和电容C_d2串联后与直流电源并联；所述二极管VD_c1与IGBT管V_c1并联后的输入端与电容C_d1接直流电源的正信号侧相连，二极管VD_c2与IGBT管V_c2并联后输入端与二极管VD_c1、IGBT管V_c1并联的输出端相连，二极管VD_c2与IGBT管V_c2并联后输出端与电感L_r的一端相连，电感L_r的另一端与电容C_d1和电容C_d2的中点相连，二极管VD_c1与IGBT管V_c1并联的输出端和电容C_d2的直流信号的负电源信号侧为零电压开关ZVS谐振电路的输出侧；所述DC-AC逆变器由6个IGBT模块构成，每个IGBT模块都是由IGBT管V_x、二极管VD_x和电容C_x并联而组成，其中X＝1、2、3、4、5或6；6个IGBT模块组成三相桥式逆变电路，其输入端与零电压开关ZVS谐振电路的输出端相连，其输出端连接电网中需要谐波补偿的位置。