CN102593838B - 一种智能分布式有源滤波系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能分布式有源滤波系统，该智能分布式有源滤波系统主要是基于分布式、网络化架构。各台有源滤波模块与谐波源就近安装，对谐波污染进行就地抑制，阻止谐波电流进入配电网内部其他支路。本发明的智能分布式有源滤波系统，其包括有源滤波模块和基于通信网络的中央控制器，有源滤波模块连接配电网再与基于通信网络的集中监控系统连接，所述的有源滤波模块与谐波源负载就近连接安装，对谐波电流进行就地补偿。

Description

一种智能分布式有源滤波系统

技术领域

本发明涉及一种有源滤波系统，更具体地说涉及一种智能分布式有源滤波系统。

背景技术

随着电力电子技术的广泛应用，“节能减排”顺利推进，电能得到更加充分的利用。但电力电子装置自身的非线性也使电网的电压和电流发生畸变，这些高度非线性设备数量和额定容量的日益增大使得电力系统谐波污染问题日益严重，已成为影响电能质量的公害，对电力系统的安全、经济运行造成极大的影响；而供电方及其电力系统设备、用户及其用电器对电能质量的要求越来越高，这一矛盾使谐波污染问题更重视。作为改善供电质量的一项关键技术，目前有源电力滤波器已得以应用，并从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统供电质量的方向发展。

但是目前的有源滤波器的使用有两种方式，集中滤波和分散就地滤波，传统的集中补偿方案对于集中式的谐波源具有较好的补偿效果，但是只能滤除补偿点到配电变压器这段线路的谐波电流，而对于配电网络内部线路上的谐波电流没有治理效果，严重影响配电网的运行效率和安全性。

分散就地滤波能够对配电网络内部线路上的谐波电流进行有效治理，但需要数量较多的有源滤波模块，成本较高，缺乏经济性。专利《一种分布式有源滤波器》(201010257106.1)公布了一种分布式谐波补偿方案，但该方案中的有源滤波模块不能自主运行，各条补偿线路的谐波检测、PWM脉冲产生采用集中式计算单元，由于受到DSP计算能力的制约，有源滤波模块数量有限。论文《分布式有源电力滤波系统》(朱燕，电网技术)和《分布式有源滤波系统的研究》(朱燕，重庆大学硕士学位论文)讨论了分布式滤波系统谐波放大和滤波器容量与安装位置优化选择问题，但没有涉及如何避免有源滤波器诱发的无功补偿电容与线路电感的谐波振荡问题、有源滤波器的单机成本和效率问题以及有源滤波器的集中监控问题。

随着电力电子设备的广泛应用和国家节能减排战略的推进，配电网中的谐波源快速增加，配电网的谐波污染更加严重，需要一种新的滤波系统，来经济、高效地解决这个问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对传统的集中补偿方式无法解决分布式谐波源造成的谐波污染问题以及传统的分散就地滤波存在的缺陷，提供一种智能分布式有源滤波系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的智能分布式有源滤波系统，其包括有源滤波模块和基于通信网络的中央控制器，有源滤波模块连接配电网再与基于通信网络的集中监控系统连接，所述的有源滤波模块与谐波源负载就近连接安装，对谐波电流进行就地补偿。本发明的智能分布式有源滤波系统，其进一步的技术方案是所述的对谐波电流进行就地补偿时通过在补偿电流指令中采用基于多重坐标旋转的方法剔除诱发配电网谐振的若干次谐波，避免与无功补偿电容发生谐波振荡。配电网中的无功补偿电容和线路电感构成振荡电路，有源滤波模块的补偿电流中如果含有与线路谐振频率点相近的谐波电流成分，则将激励无功补偿电容和线路电感之间的振荡。采用分散的就地补偿，单个设备独立工作，容易诱发谐振。有源滤波模块采用基于多重坐标旋转的方法检测补偿节点的电网电压、负载电流和电网侧电流频谱，自动判断是否产生有源滤波模块诱发振荡以及谐振频率，剔除谐振频率谐波补偿指令就能消除无功补偿电容和线路电感的谐振，保证配电网的安全、稳定运行。

本发明的智能分布式有源滤波系统，其进一步的技术方案是所述的有源滤波模块采用优化的三电平逆变电路拓扑，其外管采用高速型IGBT(即绝缘栅双极型晶体管)，内管采用普通型IGBT(即绝缘栅双极型晶体管)。三电平电路相比两电平电路可以减小开关损耗和高频纹波、提高开关频率，利于提高有源滤波模块的效率、减小体积、噪声。传统的三电平电路外管和内管采用相同规格的IGBT，但在三电平电路的损耗构成中，外管以开关损耗为主，而内管以导通损耗为主。因此，外管采用针对开关损耗优化的高速型IGBT，内管采用导通损耗和开关损耗折衷设计的普通IGBT，进一步减小三电平逆变电路的损耗、提高效率。

本发明的智能分布式有源滤波系统，其进一步的技术方案是所述的有源滤波模块采用环形铁硅磁粉芯电感。相比传统的硅钢片磁芯，铁硅环形粉芯高频损耗小、磁致伸缩系数接近于零，利于提高有源滤波模块的效率、减小噪声。

本发明的智能分布式有源滤波系统，其进一步的技术方案还可以是所述的基于通信网络的中央控制器通过网络与每台有源滤波模块连接，接收有源滤波模块的信号、所有运行参数并发布指令。中央控制器通过网络能够远程访问系统内所有有源滤波模块。读取各滤波模块及其电网节点的状态信息，包括：运行、停机、故障、故障代码、启停时刻、负荷率、节点电压有效值/频率/相位/谐波畸变率/频谱/波形、节点电网侧电流有效值/基波功率因数/谐波畸变率/频谱/波形、节点负载侧电流有效值/基波功率因数/谐波畸变率/频谱/波形、节点有功功率/无功功率。上述状态参数可以与能效管理系统融合，用于评估配电网运行状态。中央控制器能够通过网络向有源滤波模块下发运行控制指令，包括：启停命令、有源滤波模块自启动/自关机时刻、无功补偿容量在总滤波容量中的百分比、滤波/无功模式切换。更进一步的技术方案是所述的通信网络包括有线网络和无线网络，通信网络的接口包括RS485\422、以太网、Profibus、2G\3G\4G无线数据接口、短信接口或光纤接口。

本发明的智能分布式有源滤波系统，其进一步的技术方案还可以是所述的有源滤波模块在中央控制器的统一控制下工作在无功补偿模式下，有源滤波模块能够在中央控制器的统一控制下将大部分容量运行在感性模式下，补偿配电网轻载工况下线路呈现的容性，提高功率因数。

本发明的智能分布式有源滤波系统，其进一步的技术方案还可以是所述的中央控制器使用多核处理器；更进一步的技术方案是所述的多核处理器采用基于多代理机制的控制和优化决策技术，主要分三层：第一层可靠运行，避免谐振；第二层进行电能质量的优化控制，减少谐波和电压的波动；第三层进行经济优化，即成本优化，根据电网谐波情况降低系统的能耗，避免传统分散方式的高能耗，比如停止运行部分滤波模块，或控制进入节电模式。

本发明的智能分布式有源滤波系统，其更进一步的技术方案还可以是所述的中央处理器和有源滤波模块安装在同一装置中。

与现有技术相比本发明具有以下有益效果：

本发明的智能分布式有源滤波系统主要是基于分布式、网络化架构。各台有源滤波模块与谐波源就近安装，对谐波污染进行就地抑制，阻止谐波电流进入配电网内部其他支路。这样既减小了谐波损耗、提高了配电网内部电压质量，又降低了谐波电流引起的无功补偿电容谐振风险，提高了配电网的运行安全性。各台有源滤波模块自主检测就近谐波源的谐波电流，并进行补偿。其运行信息通过网络上传到中央控制器，同时能够接收中央控制器下发的运行模式指令，整个分布式补偿系统中有源滤波模块能够协调运行。

智能分布式有源滤波系统中的有源滤波模块采用高功率密度设计，减小体积，方便与谐波源就近安装，真正做到谐波就地补偿。高功率密度设计还能降低成本，保证整个补偿系统的经济性。有源滤波模块采用低噪声设计，保证了在民用场合下对噪声的指标要求。

有源滤波模块采用低损耗设计，保证了整个补偿系统的效率，减小电能损失。

附图说明

图1是本发明的实施例1中智能分布式有源滤波系统的结构示意图；

图1中：1-有源滤波模块一，2、谐波源负载一，3-有源滤波模块二，4、谐波源负载二，5-有源滤波模块三，6、谐波源负载三，7-中央控制器，8-以太网，9-配电网；

图2是本发明的有源滤波模块采用的三电平逆变电路拓扑；

图2中：21-外管，22-内管

图3是有源滤波模块采用的铁硅环形粉芯电感外形图；图4本发明的实施例2中智能分布式有源滤波系统的结构示意图；

图4中：41-有源滤波模块一，42、谐波源负载一，43-有源滤波模块二，44、谐波源负载二，45-有源滤波模块三，46、谐波源负载三，47-中央控制器，48-以太网，49-配电网。

具体实施方式

实施例中使用以太网接口和IP网络进行连接，也可以使用其他通信接口，如RS485总线接口，光纤接口，RS422接口，还可以使用无线通信网络接口，如传统的短信和GPRS，2G\3G\4G的GSM\CDMA\WCDMA\TD-SCDMA\LTE等无线宽带网络接口，实现远程部署。

实施例1

如图1、图2和图3所示，在本发明的智能分布式有源滤波系统，其包括3台与谐波源负载就近安装的有源滤波模块，1台中央控制器通过以太网与3台有源滤波模块通信，所述的有源滤波模块与谐波源负载就近连接。每台有源滤波模块的工作方式均相同，现以有源滤波模块一为例进行说明。有源滤波模块一检测谐波源负载1产生的谐波电流，有源滤波模块一自动产生与该谐波电流波形相同相位相反的电流抵消该谐波电流，这样谐波源负载一产生的谐波电流在有源滤波模块一的接入点就被滤除了，不会流入配电网的其他支路，保证了配电网的高效、可靠运行。

分布式安装的有源滤波模块可能会诱发无功补偿电容和线路电感的谐波振荡，通过在补偿电流指令中采用基于多重坐标旋转的方法剔除诱发配电网谐振的若干次谐波加以避免。举例如下：假设无功补偿电容和线路电感构成的LC谐振电路谐振频率点是950Hz，也就是17次谐波的频率。谐波源负载的谐波电流以3、5、7次为主，19次含量较小，在有源滤波模块不工作时，由于19次谐波电流较小，对于该LC谐振电路的激励也较小，配电网能够正常工作。而投入有源滤波模块后，有源滤波模块检测到负载电流中含有19次谐波，就会产生相反的19次谐波，这反而增强了对于LC谐振电路的激励，无功补偿电容中的19次谐波电流将变大。有源滤波模块检测到19次谐波也随之变大，有源滤波模块将发出更多的19次谐波电流，这将进一步增强对于LC谐振电路的激励。如此形成正反馈过程，危及配电网的正常运行。解决方法就是将19次补偿电流从补偿电流指令中剔除，这样有源滤波模块就不会产生19次谐波电流，LC谐振电路失去了激励源后就不会发生振荡，保证了配电网的安全运行。

有源滤波模块采用优化的三电平逆变电路拓扑，其外管采用高速型IGBT、内管采用普通IGBT。通常的三电平电路内、外管采用相同规格的IGBT，但内、外管的损耗构成并不相同，内管以导通损耗为主、外管的开关损耗较大，因此传统三电平电路的损耗并不是最优的。所述的有源滤波模块采用单管封装IGBT，该封装只含有单只IGBT及其反并联二极管，内、外管分别选用开关损耗与导通损耗折衷设计的普通型IGBT和针对开关损耗优化设计的高速型IGBT。采用单管IGBT还便于并联扩容。

有源滤波模块采用环形铁硅磁粉芯电感，减小了磁芯的高频损耗和噪音。环形磁芯采用绝缘材料包覆后，铜漆包线在磁芯上卷绕所需的匝数。电感绕制完成后采用绝缘树脂粘合固定在绝缘板基座上，这样整个电感就能安装在PCB板上。

所述的基于通信网络的中央控制器通过网络与每台有源滤波模块连接，接收有源滤波模块的信号、所有运行参数并发布指令。中央控制器通过网络能够远程访问系统内所有有源滤波模块。读取各滤波模块及其电网节点的状态信息，包括：运行、停机、故障、故障代码、启停时刻、负荷率、节点电压有效值/频率/相位/谐波畸变率/频谱/波形、节点电网侧电流有效值/基波功率因数/谐波畸变率/频谱/波形、节点负载侧电流有效值/基波功率因数/谐波畸变率/频谱/波形、节点有功功率/无功功率。上述状态参数可以与能效管理系统融合，用于评估配电网运行状态。中央控制器能够通过网络向有源滤波模块下发运行控制指令，包括：启停命令、有源滤波模块自启动/自关机时刻、无功补偿容量在总滤波容量中的百分比、滤波/无功模式切换。所述的中央控制器使用多核处理器，该多核处理器采用基于多代理机制的控制和优化决策技术，主要分三层：第一层可靠运行，避免谐振；第二层进行电能质量的优化控制，减少谐波和电压的波动；第三层进行经济优化，即成本优化，根据电网谐波情况降低系统的能耗，避免传统分散方式的高能耗，比如停止运行部分滤波模块，或控制进入节电模式。中央控制器可以和能效管理系统相融合，便于评估配电网运行状态。并且有源滤波模块还能够在中央控制器的统一调度下，运行在无功补偿模式，解决配电网在轻载工况下的功率因数问题。

实施例2

如图4，中央控制器可以和有源滤波模块放置在同一装置内，有源滤波模块3和中央控制器设计在同一装置中，通过以太网连接有源滤波模块1，2，其它同实施例1。

Claims (4)

1.一种智能分布式有源滤波系统，其特征在于包括有源滤波模块和基于通信网络的中央控制器，有源滤波模块连接配电网再与基于通信网络的中央控制器连接，所述的有源滤波模块与谐波源负载连接安装，对谐波电流进行就地补偿；所述的对谐波电流进行就地补偿通过在补偿电流指令中采用基于多重坐标旋转的方法剔除诱发配电网谐振的若干次谐波，避免与无功补偿电容发生谐波振荡；所述的有源滤波模块采用优化的三电平逆变电路拓扑，其外管采用高速型IGBT，内管采用普通型IGBT；所述的有源滤波模块采用环形铁硅磁粉芯电感；所述的基于通信网络的中央控制器通过通信网络与每台有源滤波模块连接，接收有源滤波模块的信号、所有运行参数并发布指令控制有源滤波模块的运行状态；所述的基于通信网络的中央控制器使用多核处理器，所述的多核处理器采用基于多代理机制的控制和优化决策技术，主要分三层：第一层可靠运行，避免谐振；第二层进行电能质量的优化控制，减少谐波和电压的波动；第三层进行成本优化，根据电网谐波情况降低系统的能耗，避免传统分散方式的高能耗。

2.根据权利要求1所述的智能分布式有源滤波系统，其特征在于所述的有源滤波模块在基于通信网络的中央控制器的统一控制下工作在无功补偿模式下。

3.根据权利要求1所述的智能分布式有源滤波系统，其特征在于所述的基于通信网络的中央控制器和有源滤波模块安装在同一装置中。

4.根据权利要求1所述的智能分布式有源滤波系统，其特征在于所述的通信网络包括有线网络和无线网络，通信网络的接口包括RS485\422、以太网、2G\3G\4G无线数据接口、短信接口或光纤接口。

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