CN102624001B - 基于三次谐波有源滤波的混合型电力滤波装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三次谐波有源滤波的混合型电力滤波装置，包括：混合型三次谐波电力有源滤波器1、5次LC无源滤波器组2、7次LC无源滤波器组3、电源侧电压互感器YT、电源侧电流互感器CT1、负载侧电流互感器CT2、混合型三次谐波电力有源滤波器1侧电流互感器CT3；该装置不仅可以用在三相四线制配电系统中，而且可以用在三相三线制配电系统中。特别适用于系统中存在较大的5、7次谐波，另外，还存在比较多的三次谐波的用电场合。

Description

基于三次谐波有源滤波的混合型电力滤波装置

本发明涉及基于三次谐波有源滤波的混合型电力滤波装置，属于电气工程技术领域，不仅适用于三相四线制系统，同样也适用于三相三线制系统。

随着现代电力电子技术的不断发展，电力系统中各种非线性负载越来越多，使得电力系统的谐波污染日益严重，它导致电源质量明显下降，影响各种电气设备的正常工作，对供电线路产生了附加损耗，使电网中的电容器产生谐振，使继电保护和自动装置出现误动作，并使仪表和电能计量出现较大误差。

目前谐波治理装置主要有两大类：无源滤波装置和有源滤波装置。无源滤波装置是由电抗器、电容器、电阻器构成，具有成本低，技术成熟的特点，但因为它是通过对某些次数的谐波呈现出低阻抗或高阻抗来达到滤波的目的，因此存在着一些明显的缺陷问题：如对谐波电流的滤波效果受电力系统阻抗的影响大；对电网频率偏移和谐波状况经常变化的情况滤波效果不好；连接在同一电网中的其他非线形负载所产生的谐波电流有可能流入该滤波器，从而造成过载；电网的系统阻抗和无源滤波器在某些频率下可能会发生串联或并联谐振。有源电力滤波装置采用了先进的电力电子技术和数字信号处理技术，是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，其应用可克服无源滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点，实现了动态跟踪补偿，而且可以既滤除谐波电流又补偿无功功率。但是由于有源电力滤波装置存在成本高价格贵，实际使用寿命短的问题，因此，在实际应用中受到了极大的限制。而本发明采用的混合型电力电力滤波装置能够很好的解决这个问题，针对三次谐波滤波部分，本发明采用的信号取样和控制方法与专利号200510022539.8中国发明专利提出的方法不同。

陈斌发在“配电变压器接法对谐波影响的分析”(电网技术-2001年6期P55-P58，作者单位北京供电局)一文中指出“当变压器接法Y-Y_n0n0时，相电压总畸变率超标主要是零序性的3次谐波电压过高所致，3次谐波电压由负荷的零序性3次谐波电流产生，并且零序性的3次谐波电流没有流经变压器漏抗。当流经变压器时，只能与380V侧漏抗和零序励磁电抗形成回路(在10kV侧感应的零序电势不能作用到系统阻抗)。当变压器结构为三相三柱式时，由于三相零序磁通大小相等、相位相同，因而不能像正序(或负序)主磁通那样，一相主磁通可以经过另外两相的铁芯形成回路，它们被迫经过绝缘介质和外壳形成回路，遇到很大的磁阻。因此，这种变压器的零序励磁电抗视为有限值，Xm0大致为0.3～1.0(远远大于漏抗)。3次谐波电流将在此零序励磁电抗上产生较大的压降，即为3次谐波电压，很容易造成电压总畸变率超标。当变压器接法为Δ/Y_n0时，10kV侧的变压器绕组形成3次谐波电流流通的回路，该回路阻抗为变压器漏抗，远小于零序励磁阻抗，因而不会产生较大的3次谐波电压。”可见，不管配电变压器是什么接法，由于配电力变压器外壳必须接地，三次谐波都会形成电流通路，只不过阻抗大小不同，所产生的三次谐波电流大小不同罢了，因此必须考虑三次谐波电流对无功补偿和滤波装置的影响。本发明的装置很好的解决了这个问题。

本发明的技术方案：包括：混合型三次谐波电力有源滤波器1、5次LC无源滤波器组2、7次LC无源滤波器组3、电源侧电压互感器YT、电源侧电流互感器CT1、负载侧电流互感器CT2、混合型三次谐波电力有源滤波器1侧电流互感器CT3。

所述的混合型三次谐波电力有源滤波器1：包括DSP主控制电路板，由IGBT半桥和电容半桥组成的逆变电路、2路PWM输出的IGBT驱动电路和给这个逆变电路提供直流电源的具有限流作用的直流开关电源。

所述的5次LC无源滤波器组2：是由许多组星型接法的有中性点抽头的5次LC无源滤波器组成，它不仅能滤除5次谐波电流，给系统提供合适的无功功率，还能给三相电流中的零序性的三次电流提供通路。

所述的7次LC无源滤波器组3：是由许多组星型接法的有中性点抽头的7次LC无源滤波器组成，它不仅能滤除7次谐波电流，给系统提供合适的无功功率，还能给三相电流中的零序性的三次电流提供通路。

所述的电源侧电压互感器YT、电源侧电流互感器CT1、负载侧电流互感器CT2、混合型三次谐波电力有源滤波器1的输出侧电流互感器CT3，由于各侧的电流大小不一样，因此，各个电流互感器的变比不一样，在设计应用中要把它们折合到同一个基准上。

所述的混合型三次谐波电力有源滤波器1中的DSP主控制电路板：主要是由DSP、FPGA、ADC转换器，通讯接口芯片等构成，可以实现的软件功能模块有：控制系统模块、数据信号采集模块、PWM驱动模块、无功补偿控制模块、温度检测模块、CAN总线通讯模块、电网电压同步锁相控制模块、人机接口模块、保护和报警电路等，其中数据信号采集模块包含有带隔离的信号调理电路。

以下通过附图和实施例对本发明作进一步的描述：

图1为本发明原理框图；

图2为三相电压同步锁相控制模块；

图3为三次谐波电力有源滤波器1的固定频率的PWM控制方法原理框图；

图4为无功控制软件模块的原理框图；

其中，i_sa、i_sb、i_sc是配电变压器低压配电侧的三相电流，i_la、i_lb、i_lc是非线性负载的三相电流，i_f3j是混合型三次谐波电力有源滤波器1的输出电流，UD1、UD2混合型三次谐波电力有源滤波器1的直流电容CD1、CD2上电压，CONVST是数据信号采集模块ADC的启动信号，CONVST1和CONVST2是备用信号；

本发明所提出的装置的原理框图如图1所示，首先，三相电压信号U_a、U_b、U_c通过由FPGA和锁相环PLL芯片构成的电网电压同步锁相控制模块，分别产生一个数字化了的10位的频率为基波频率1024倍的ADC启动信号CONVST和二个功能一致的备用信号CONVST1、CONVST2(完全保证ADC和DSP的可靠工作)(见图2)，主控制电路板上的ADC芯片有了启动信号CONVST后就开始不断的进行采样保持和转换，转换结束后发出EOC信号通知DSP读取ADC的转换结果。这样，电源侧电流互感器CT1上的三相电流i_sa、i_sb、i_sc和负载侧电流互感器CT2上的三相电流i_la、i_lb、i_lc及电流互感器CT3上的电流i_f3j分别经过相应的信号调理电路后送到相应的ADC转换器的输入端，经过ADC转换成相应的数字量，并由DSP读取。然后，如图3所示，DSP根据ADC的转换结果，采用IIR数字滤波技术，分别计算出负载侧的3次谐波电流i_s3a、i_s3b、i_s3c，5次谐波电流i_s5a、i_s5b、i_s5c和7次谐波电流i_s7a、i_s7b、i_s7c，和电源侧的3次谐波电流i_l3a、i_l3b、i_l3c，5次谐波电流i_l5a、i_l5b、i_l5c和7次谐波电流i_l7a、i_l7b、i_l7c，这样就得到了混合型三次谐波电力有源滤波器1所需要的3次谐波基准信号：i_f3＝i_l3a+i_l3b+i_l3c。

混合型三次谐波电力有源滤波器1的反馈信号：i_f3k＝i_s3a+i_s3b+i_f3c

经过修正后的基准信号：式中K₁、K₂为小于1的系数。

误差信号把这个误差信号Δi_C乘以增益A后与一个定频率的三角波进行比较后就得到了驱动IGBT的PWM信号。其PWM控制方法的原理框图如图3所示。它采用固定频率的PWM控制方法，放大器A具有比例或比例积分特性，其参数直接影响着混合型三次谐波电力有源滤波器1的跟踪特性。在这种方法中，功率开关器件的开关频率是一定的，即等于载波频率，这样有利于滤除输出电流或电压上的开关纹波，输出电流所含谐波较少，常用于对谐波和噪声要求严格的场合，但是电流响应比瞬时值比较方式的慢。混合型三次谐波电力有源滤波器1对直流侧电容CD1、CD2上电压的控制要求实际上不是很严格的，为了保证直流开关电源的可靠工作，需要对直流开关电源的最大输出电流进行限制。

在混合型三次谐波电力有源滤波器1开始工作后，DSP通过软件操作IO口，打开5次LC无源滤波器组2和7次LC无源滤波器组3的闭锁通道。在图1中所示的5次LC无源滤波器组3和7次LC无源滤波器组4的组数和每组容量是根据实际系统的最大无功需求和最大谐波情况进行设计的。在LC无源滤波器投切时DSP里面的无功控制软件模块会根据当时的系统无功和5、7次谐波电流的情况决定各LC无源滤波器的投切。

DSP中负载的无功功率计算软件框图如图4所示，低压配电系统的三相电压信号U_a、U_b、U_c和非线性负载的三相电流i_la、i_lb、i_lc通过三个FFT软件模块可以分别计算出A相的U_a1、I_l1a、I_l5a、I_l7a，B相的U_b1、I_l1b、I_l5b、I_l7b，C相的U_c1、I_l1c、I_l5c、I_l7c，然后通过查DSP软件里面的正余弦表可以求得三相的功率因数这样就可以求出A相的无功功率为B相的无功功率为C相的无功功率为5次LC无源滤波器组2和7次LC无源滤波器组3的无功功率是按照负载侧的5次谐波电流大小和7次谐波电流大小的比例进行分配的，计算公式如下：

5次LC无源滤波器组2的三相无功功率： $\left\{\begin{array}{c}{W}_{5a}=\frac{I_{l5a}}{I_{l5a}+I_{l7a}}{W}_a\\ W_{5b}=\frac{I_{l5b}}{I_{l5b}+I_{l7b}}{W}_b\\ W_{5c}=\frac{I_{l5c}}{I_{l5c}+I_{l7c}}{W}_c\end{array}\right.$

7次LC无源滤波器组3的三相无功功率 $\left\{\begin{array}{c}{W}_{7a}=\frac{I_{l7a}}{I_{l5a}+I_{l7a}}{W}_a\\ W_{7b}=\frac{I_{l7b}}{I_{l5b}+I_{l7b}}{W}_b\\ W_{7c}=\frac{I_{l7c}}{I_{l5c}+I_{l7c}}{W}_c\end{array}\right.$

确定了5次LC无源滤波器组2的三相无功功率和7次LC无源滤波器组3的三相无功功率后，DSP内部的无功功率控制模块分别根据5次LC无源滤波器组2和7次LC无源滤波器组3的实际分组数及每个支路的实际容量决定各自的投切支路情况。

Claims (1)

1.一种基于三次谐波有源滤波的混合型电力滤波装置的使用方法，其特征在于，包括：混合型三次谐波电力有源滤波器、5次LC无源滤波器组、7次LC无源滤波器组、电源侧电压互感器YT、电源侧电流互感器CT1、负载侧电流互感器CT2、混合型三次谐波电力有源滤波器侧电流互感器CT3；

所述混合型三次谐波电力有源滤波器包括DSP主控制电路板，由IGBT半桥和电容半桥组成的逆变电路、2路PWM输出的IGBT驱动电路以及给所述逆变电路提供直流电源的具有限流作用的直流开关电源；

所述5次LC无源滤波器组包括若干组星型接法的有中性点抽头的5次LC无源滤波器，用于滤除5次谐波电流和给三相电流中的零序性的三次电流提供通路；

所述7次LC无源滤波器组包括若干组星型接法的有中性点抽头的7次LC无源滤波器，用于滤除7次谐波电流和给三相电流中的零序性的三次电流提供通路；

所述电源侧电压互感器YT、电源侧电流互感器CT1、负载侧电流互感器CT2、混合型三次谐波电力有源滤波器的输出侧电流互感器CT3位于统一基准上；

所述的混合型三次谐波电力有源滤波器包括DSP主控制电路板，DSP主控制电路板包括DSP、FPGA、ADC转换器，通讯接口芯片，DSP主控制电路板的软件功能模块包括控制系统模块、数据信号采集模块、PWM驱动模块、无功补偿控制模块、温度检测模块、CAN总线通讯模块、电网电压同步锁相控制模块、人机接口模块、保护和报警电路，所述数据信号采集模块包含有带隔离的信号调理电路；

上述装置的使用方法如下：

1)三相电压信号Ua、Ub、Uc通过由FPGA和锁相环PLL芯片构成的电网电压同步锁相控制模块，分别产生一个数字化了的10位的频率为基波频率1024倍的ADC启动信号CONVST和二个功能一致的备用信号CONVST1、CONVST2；

2)主控制电路板上的ADC芯片接受启动信号CONVST后开始不断的进行采样保持和转换，转换结束后发出EOC信号通知DSP读取ADC的转换结果；电源侧电流互感器CT1上的三相电流isa、isb、isc和负载侧电流互感器CT2上的三相电流ila、ilb、ilc及电流互感器CT3上的电流if3j分别经过相应的信号调理电路后送到相应的ADC转换器的输入端，经过ADC转换成相应的数字量，并由DSP读取；

3)DSP根据ADC的转换结果，采用IIR数字滤波技术，分别计算出负载侧的3次谐波电流is3a、is3b、is3c，5次谐波电流is5a、is5b、is5c和7次谐波电流is7a、is7b、is7c和电源侧的3次谐波电流il3a、il3b、il3c，5次谐波电流il5a、il5b、il5c和7次谐波电流il7a、il7b、il7c，从而得到混合型三次谐波电力有源滤波器所需要的3次谐波基准信号：i_f3＝i_l3a+i_l3b+i_l3c；

4)在混合型三次谐波电力有源滤波器1开始工作后，DSP通过软件操作IO口，打开5次LC无源滤波器组和7次LC无源滤波器组的闭锁通道；

三相电压信号Ua、Ub、Uc和非线性负载的三相电流ila、ilb、ilc通过三个FFT软件模块分别计算出A相的U_a1、I_l1a、I_l５a、I_l7a，B相的U_b1、I_l1b、I_l5b、I_l7b，C相的U_c1、I_l1c、I_l5c、I_l7c然后通过DSP中的正余弦表求得三相的功率因数：进而求出

A相的无功功率：

B相的无功功率：

C相的无功功率：

5次LC无源滤波器组和7次LC无源滤波器组3的无功功率是按照负载侧的5次谐波电流大小和7次谐波电流大小的比例进行分配的，计算公式如下：

5次LC无源滤波器组的三相无功功率： $\left\{\begin{array}{c}{W}_{5a}=\frac{I_{l5a}}{I_{l5a}+I_{l7a}}{W}_a\\ W_{5b}=\frac{I_{l5b}}{I_{l5b}+I_{l7b}}{W}_b\\ W_{5c}=\frac{I_{l5c}}{I_{l5c}+I_{l7c}}{W}_c\end{array}\right.;$

7次LC无源滤波器组的三相无功功率： $\left\{\begin{array}{c}{W}_{7a}=\frac{I_{l7a}}{I_{l5a}+I_{l7a}}{W}_a\\ W_{7b}=\frac{I_{l7b}}{I_{l5b}+I_{l7b}}{W}_b\\ W_{7c}=\frac{I_{l7c}}{I_{l5c}+I_{l7c}}{W}_c\end{array}\right.;$

5)确定了5次LC无源滤波器组和7次LC无源滤波器组的三相无功功率后，DSP内部的无功功率控制模块分别根据5次LC无源滤波器组2和7次LC无源滤波器组的实际分组数及每个支路的实际容量决定各自的投切支路情况。