CN102801141B

CN102801141B - 一种并联型有源电力滤波器可置位硬件保护装置

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Publication number: CN102801141B
Application number: CN201210261069.0A
Authority: CN
Inventors: 李岚; 康增尚; 曹效霞
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2012-07-26
Filing date: 2012-07-26
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2032-07-26
Also published as: CN102801141A

Abstract

本发明涉及有源电力滤波器的硬件保护装置，具体为一种有源电力滤波器可置位硬件保护装置，包括智能功率模块IPM故障保护及报警电路、智能功率模块IPM直流侧电容过压保护及报警电路、故障信号处理电路和智能功率模块IPM故障信号四合一电路，成功的解决APF中IPM自带的保护电路故障时不置位和现有技术对IPM直流侧的大电容过压不能有效保护的问题，且电路简单，易于维护。

Description

一种并联型有源电力滤波器可置位硬件保护装置

技术领域

本发明涉及有源电力滤波器的硬件保护装置，具体为一种并联型有源电力滤波器可置位硬件保护装置。

背景技术

近年来，随着电力电子技术的广泛应用，电能得到了更加充分的利用。但电力电子装置自身所具有的非线性特性也使得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，已成为了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。

针对抑制谐波污染的问题，方法种类繁多，但是归结起来可以分为两种思路：其一是利用补偿装置来抑制谐波污染，从谐波的传输路径上想办法滤除，是一类先产生后治理的方法；其二是改造电力电子装置，使其不产生谐波，是一类从源头上消除谐波的方法。第一类抑制谐波污染的思路包括：传统的利用无源滤波器（LC滤波器）消除谐波的方法，利用有源滤波器（APF）消除谐波的方法，利用统一电能质量调节器（UPQC）消除谐波的方法，利用有源线路调节器（APLC）消除谐波的方法等。利用APF消除谐波的方法是一种很有发展潜力的谐波抑制方案，是近年来的研究热点。APF补偿特性不受电网系统参数影响，而且能对变化的谐波进行补偿。

随着APF的发展与应用， APF运行的可靠性与安全性等问题也日益突显，当故障发生时，能否及时停止APF的运行，消除故障确保操作人员的人身安全以及设备不受损坏，已引起人们的日益关注。

APF的结构如图1所示，其包括含有IGBT的智能功率模块IPM、信号检测与调理电路、数字信号处理器DSP2812、IPM驱动模块，在IPM的直流侧连接有一个大电容。APF工作时，信号检测与调理电路测得电网中被污染的三相电流、、与IPM输出的三相补偿电流、、，并将其调节成0~3.3V之间电压信号输入到DSP2812中，DSP2812通过检测到的被污染的电流，计算出其中所含有的谐波电流并将谐波电流作为指令电流，与补偿电流形成闭环回路并产生相应的PWM控制信号， PWM控制信号通过IPM驱动模块控制IPM通断产生三相补偿电流，三相补偿电流输入到电网中将谐波电流抵消掉，抑制了谐波污染。

APF中智能功率模块IPM产生三相补偿电流，IPM发生故障直接影响APF的补偿性能，IPM内部电路设计时已经集成了过电压保护、过温保护、过流保护、短路保护多种保护电路，如图2所示，信号UF0、VF0、WF0分别是IPM中上桥臂三个IGBT的故障信号，信号NF0为下桥臂三个IGBT的故障信号，信号UF0、VF0、WF0、NF0都是各自的IGBT的过压、过温、短路、过流信号经过与门得到的，当上述任意一桥臂的IGBT出现故障时，与之对应的故障信号被置为低电平，同时IPM的门极驱动信号被封锁，停止工作。但是，故障信号是非保持性质的，故障信号的持续时间为1.8ms。这就意味着如果在1.8ms期间故障没有彻底消除，IPM的保护会反复动作。这在控制系统运行时是非常危险的和需要严格避免的。

APF中IPM直流侧的大电容的保护也尤为重要，直流侧电容的作用包括：第一，在整流过程中储能，在逆变过程中供能，并在DSP2812中PI调节器的作用下维持直流电压恒定；第二，滤除直流电压中的纹波含量，提高直流电压质量；第三，为无功能量在变流器两侧交换作缓冲媒介。APF正常工作时，通过PI调节器的作用，直流侧电解电容的电压达到动态平衡，基本稳定在给定值。如果PI参数选用不合适，或者APF出现故障等异常情况发生时，直流侧电容电压将不能稳定在给定值，有可能出现电压飙升的状况，这对于APF的运行来说是致命的。如果发生直流侧电容电压迅速升高的情况，可能导致电容爆炸，甚至由于过电压过电流导致IPM的损坏，不仅带来经济损失还可能威胁操作人员安全。

而现在没有实际有效的保护措施或装置对IPM和IPM直流侧的大电容进行保护。

发明内容

本发明为了解决APF中IPM自带的保护电路故障时不置位和现有技术对IPM直流侧的大电容过压不能有效保护的问题，提供了一种并联型有源电力滤波器可置位硬件保护装置。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种并联型有源电力滤波器可置位硬件保护装置，包括智能功率模块IPM故障保护及报警电路、智能功率模块IPM直流侧电容过压保护及报警电路、故障信号处理电路和智能功率模块IPM故障信号四合一电路；其中智能功率模块IPM故障信号四合一电路含有四个光电耦合器PC817，四个光电耦合器PC817的1管脚分别连接着15V的直流电，四个光电耦合器PC817的2管脚分别和智能功率模块IPM四路故障信号UF0、VF0、WF0、NF0连接，四个光电耦合器PC817的3管脚接地，4管脚相连接且输出Fault信号；智能功率模块IPM保护及报警电路中包括IPM故障信号输入模块、复位模块、和故障信号输出模块，IPM故障信号输入模块含有第一74LS00芯片，第一74LS00芯片的1管脚和故障信号输出模块连接，2管脚和复位模块连接，第一74LS00芯片的3、4管脚相互连接，第一74LS00芯片的5管脚经第一电阻RP1连接在5V的直流电压上且输入Fault信号，第一74LS00芯片的6管脚和1管脚连接，第一74LS00芯片的7管脚接地，第一74LS00芯片的14管脚接在5V的直流电压上，复位模块含有第一复位按钮H_CLS1以及和第一复位按钮H_CLS1并联的电解电容CP1，电解电容CP1的正极经第二电阻RP2连接在5V的直流电上，电解电容CP1的正极并且和第一74LS00芯片的2管脚连接，电解电容CP1的负极接地，故障信号输出模块含有第一NPN三极管Q1，第一NPN三极管Q1的基极通过第三电阻RP3和负极通过第五电阻RP5接地的第一发光二极管DP1的正极连接，第一发光二极管DP1的正极和第一74LS00芯片的1管脚连接，第一NPN三极管Q1的集电极通过第四电阻RP4连接在3.3V的直流电上，集电极上输出信号F0，第一NPN三极管Q1的发射极接地；智能功率模块IPM直流侧电容过压保护及报警电路含有电压比较器LM393和光电耦合器TLP521-2，电压比较器LM393的3引脚连接着测定IPM直流侧电容电压的电压霍尔传感器，电压比较器LM393的2引脚经第六电阻RP6连接着5V的直流电，电压比较器LM393的2引脚和第六电阻RP6之间连接着可调电阻RP7，可调电阻RP7的另一端接地，电压比较器LM393的4引脚接地，8引脚接15V的直流电，电压比较器LM393的1引脚经第八电阻RP8和电压比较器LM393的8引脚连接，电压比较器LM393的1引脚同时和光电耦合器TLP521-2的1引脚连接，光电耦合器TLP521-2的2引脚和3引脚相连，光电耦合器TLP521-2的4引脚经第九电阻RP9接地，光电耦合器TLP521-2的5引脚和蜂鸣器U1一端连接，蜂鸣器U1的另一端经第二发光二极管DP2接地，光电耦合器TLP521-2的6引脚接3.3V的直流电，光电耦合器TLP521-2的7引脚接地，光电耦合器TLP521-2的8引脚经第十电阻RP10接3.3V的直流电，第十电阻RP10两端并联第三个二极管DP3，第三个二极管DP3的负极接3.3V的直流电，第三个二极管DP3的正极接第四个二极管DP4的负极，第四个二极管DP4的正极接地，光电耦合器TLP521-2的8引脚输出信号F1；故障处理电路中含有第二74LS00芯片，第二74LS00芯片的1管脚和6管脚相连，第二74LS00芯片的2管脚经第二复位开关H_CLS2接地，第二复位开关H_CLS2和第二74LS00芯片的2管脚的连接端通过第十一电阻RP11和5V的直流电连接，第二74LS00芯片的3管脚和4管脚连接，第二74LS00芯片的5管脚和8管脚连接，第二74LS00芯片的7管脚接地，第二74LS00芯片的9管脚、10管脚和11管脚相连，第二74LS00芯片的12管脚接信号F0，13管脚接信号F1，第二74LS00芯片的14管脚接5V的直流电，第七发光二极管DP7的正极接第二74LS00芯片的1管脚，第七发光二极管DP7的负极经第十四电阻RP14接地，第二NPN三极管Q2的基极经第十二电阻RP12和第二74LS00芯片的1管脚连接，第二NPN三极管Q2的发射极接地，集电极通过第十三电阻RP13和3.3V直流电连接，第十三电阻RP13两端并联第五个二极管DP5，第五个二极管DP5的负极和3.3V直流电连接，第五个二极管DP5的正极和第六个二极管DP6的负极连接，第六个二极管DP6的正极接地，第二NPN三极管Q2的集电极输出信号PDPINT且与APF中DSP2812的PDPINT端口连接。

APF中IPM发生故障时，IPM输出的信号UF0、VF0、WF0、NF0中有一路或者几路为低电平，信号UF0、VF0、WF0、NF0经过智能功率模块IPM故障信号四合一电路变成一路低电平的Fault信号，Fault信号输入智能功率模块IPM故障保护及报警电路，智能功率模块IPM故障保护及报警电路输出低电平的F0信号同时第一发光二极管DP1亮，低电平的F0信号输入故障信号处理电路，故障信号处理电路输出低电平的PDPINT信号同时第七发光二极管DP7亮，低电平的PDPINT信号输入到DSP2812中，则DSP2812不输出PWM控制信号，APF中IPM不进行逆变过程，IPM不输出补偿电流，工作人员看到报警的发光二极管发亮则断电检查处理故障，故障消除后上电，实验人员按第一复位开关H_CLS1和第二复位开关H_CLS2，报警的发光二极管的灯灭，DSP2812输出PWM控制信号，IPM正常工作输出补偿电流；APF中IPM直流侧的电容过压，经过电压霍尔传感器输出测定电压，测定电压输入智能功率模块IPM直流侧电容过压保护及报警电路, IPM直流侧电容过压保护及报警电路输出低电平的故障信号F1，同时第二发光二极管DP2发亮和蜂鸣器U1鸣叫报警，低电平的F1信号输入故障信号处理电路，故障信号处理电路输出低电平的PDPINT信号同时第七发光二极管DP7亮，低电平的PDPINT信号输入到APF的DSP2812中，则DSP2812不输出PWM控制信号，APF中IPM不进行逆变过程，IPM直流侧电容电压也不再上升，实验人员看到报警的发光二极管发亮以及听到报警的蜂鸣声则断电检查处理故障，故障消除后上电，实验人员按第二复位开关H_CLS2，报警的发光二极管的灯灭，DSP2812输出PWM控制信号，IPM正常工作输出补偿电流。APF正常工作时，信号Fault、信号F0、信号F1都为高电平，PDPINT信号也为高电平。智能功率模块IPM故障信号四合一电路中的四个光电耦合器PC817对四路信号UF0、VF0、WF0、NF0起到合并的作用，四路信号UF0、VF0、WF0、NF0都为高电平时，输出一路Fault信号为高电平，四路故障信号UF0、VF0、WF0、NF0有一路或者一路以上为低电平时，也只输出一路Fault信号且为低电平；智能功率模块IPM故障保护及报警电路中第一74LS00芯片将输入的Fault信号反转，Fault信号为高电平时74LS00芯片1管脚输出低电平，无报警信号，F0信号为高电平，Fault信号为低电平时第一74LS00芯片1管脚输出高电平，第一发光二极管DP1亮，F0信号为低电平，第一复位按钮H_CLS1或者和第一复位按钮H_CLS1并联的电解电容CP1在故障消除后可手动复位或者上电复位（刚上电瞬间，此时5V的压降都在第二电阻RP2上，第一74LS00芯片的2管脚为低电位，随着电源给电解电容CP1充电，电解电容CP1的压降接近于5V，第一74LS00芯片的2管脚为高电位，所以只是在上电的瞬间完成复位）将F0信号复位为高电平；智能功率模块IPM直流侧电容过压保护及报警电路中利用电压比较器LM393将电压5V的分压和IPM直流侧电容电压（APF正常工作时，直流侧电解电容的电压达到动态平衡，基本稳定在给定值）的测定电压比较，IPM直流侧电容电压正常时测定电压小于电压5V的分压，不发出报警信号，信号F1为高电平，IPM直流侧电容电压高于直流侧允许电压时，测定电压大于电压5V的分压，第二发光二极管DP2发亮，蜂鸣器U1鸣响，信号F1为低电平；故障信号处理电路中第二74LS00芯片的12管脚和13管脚分别接信号F0、F1，只有信号F0、F1都为高电平，第二74LS00芯片的1管脚才输出低电平，第七发光二极管DP7也不会亮，信号PDPINT为高电平，DSP2812正常提供PWM控制信号给IPM, 只要信号F0、F1中有一个为低电平，第二74LS00芯片的1管脚就会输出高电平，第七发光二极管DP7发亮，信号PDPINT为低电平，DSP2812不提供PWM控制信号给IPM，第二复位按钮H-CLS1在故障消除后将信号PDPINT复位为高电平，则DSP2812提供PWM控制信号给IPM。

本发明成功的解决APF中IPM自带的保护电路故障时不置位和现有技术对IPM直流侧的大电容过压不能有效保护的问题，且电路简单，易于维护。

附图说明

图1为有源电力滤波器和并联型有源电力滤波器可置位硬件保护装置的流程图。

图2为有源电力滤波器故障信号输出电路图。

图3为并联型有源电力滤波器可置位硬件保护装置中智能功率模块IPM故障保护及报警电路的内部电路图。

图4为并联型有源电力滤波器可置位硬件保护装置中智能功率模块IPM直流侧电容过压保护及报警电路的内部电路图。

图5为并联型有源电力滤波器可置位硬件保护装置中故障信号处理电路的内部电路图。

图6为并联型有源电力滤波器可置位硬件保护装置中智能功率模块IPM故障信号四合一电路的内部电路图。

图7为74LS00芯片的内部电路图。

具体实施方式

一种并联型有源电力滤波器可置位硬件保护装置，包括智能功率模块IPM故障保护及报警电路、智能功率模块IPM直流侧电容过压保护及报警电路、故障信号处理电路和智能功率模块IPM故障信号四合一电路；其中智能功率模块IPM故障信号四合一电路含有四个光电耦合器PC817，四个光电耦合器PC817的1管脚分别连接着15V的直流电，四个光电耦合器PC817的2管脚分别和智能功率模块IPM四路故障信号UF0、VF0、WF0、NF0连接，四个光电耦合器PC817的3管脚接地，4管脚相连接且输出Fault信号；智能功率模块IPM保护及报警电路中包括IPM故障信号输入模块、复位模块、和故障信号输出模块，IPM故障信号输入模块含有第一74LS00芯片，第一74LS00芯片的1管脚和故障信号输出模块连接，2管脚和复位模块连接，第一74LS00芯片的3、4管脚相互连接，第一74LS00芯片的5管脚经第一电阻RP1连接在5V的直流电压上且输入Fault信号，第一74LS00芯片的6管脚和1管脚连接，第一74LS00芯片的7管脚接地，第一74LS00芯片的14管脚接在5V的直流电压上，复位模块含有第一复位按钮H_CLS1以及和第一复位按钮H_CLS1并联的电解电容CP1，电解电容CP1的正极经第二电阻RP2连接在5V的直流电上，电解电容CP1的正极并且和第一74LS00芯片的2管脚连接，电解电容CP1的负极接地，故障信号输出模块含有第一NPN三极管Q1，第一NPN三极管Q1的基极通过第三电阻RP3和负极通过第五电阻RP5接地的第一发光二极管DP1的正极连接，第一发光二极管DP1的正极和IPM故障信号输入模块中的第一74LS00芯片的1管脚连接，第一NPN三极管Q1的集电极通过第四电阻RP4连接在3.3V的直流电上，集电极上输出信号F0，第一NPN三极管Q1的发射极接地；智能功率模块IPM直流侧电容过压保护及报警电路含有电压比较器LM393和光电耦合器TLP521-2，电压比较器LM393的3引脚连接着测定IPM直流侧电容电压的电压霍尔传感器，电压比较器LM393的2引脚经第六电阻RP6连接着5V的直流电，电压比较器LM393的2引脚和第六电阻RP6之间连接着可调电阻RP7，可调电阻RP7的另一端接地，电压比较器LM393的4引脚接地，8引脚接15V的直流电，电压比较器LM393的1引脚经第八电阻RP8和电压比较器LM393的8引脚连接，电压比较器LM393的1引脚同时和光电耦合器TLP521-2的1引脚连接，光电耦合器TLP521-2的2引脚和3引脚相连，光电耦合器TLP521-2的4引脚经第九电阻RP9接地，光电耦合器TLP521-2的5引脚和蜂鸣器U1一端连接，蜂鸣器U1的另一端经第二发光二极管DP2接地，光电耦合器TLP521-2的6引脚接3.3V的直流电，光电耦合器TLP521-2的7引脚接地，光电耦合器TLP521-2的8引脚经第十电阻RP10接3.3V的直流电，第十电阻RP10两端并联第三个二极管DP3，第三个二极管DP3的负极接3.3V的直流电，第三个二极管DP3的正极接第四个二极管DP4的负极，第四个二极管DP4的正极接地，光电耦合器TLP521-2的8引脚输出信号F1；故障信号处理电路中含有第二74LS00芯片、第二NPN三极管Q2，第二74LS00芯片的1管脚和6管脚相连，第二74LS00芯片的2管脚经第二复位开关H_CLS2接地，第二复位开关H_CLS2和第二74LS00芯片的2管脚的连接端通过第十一电阻RP11和5V的直流电连接，第二74LS00芯片的3管脚和4管脚连接，第二74LS00芯片的5管脚和8管脚连接，第二74LS00芯片的7管脚接地，第二74LS00芯片的9管脚、10管脚和11管脚相连，第二74LS00芯片的12管脚输入信号F0，13管脚输入信号F1，第二74LS00芯片的14管脚接5V的直流电，第七发光二极管DP7的正极接第二74LS00芯片的1管脚，第七发光二极管DP7的负极经第十四电阻RP14接地，第二NPN三极管Q2的基极经第十二电阻RP12和第二74LS00芯片的1管脚连接，第二NPN三极管Q2的发射极接地，集电极通过第十三电阻RP13和3.3V直流电连接，第十三电阻RP13两端并联第五个二极管DP5，第五个二极管DP5的负极和3.3V直流电连接，第五个二极管DP5的正极和第六个二极管DP6的负极连接，第六个二极管DP6的正极接地，第二NPN三极管Q2的集电极输出信号PDPINT且与APF中DSP2812的PDPINT端口连接。

Claims

1.一种并联型有源电力滤波器可置位硬件保护装置，其特征在于包括智能功率模块IPM故障保护及报警电路、智能功率模块IPM直流侧电容过压保护及报警电路、故障信号处理电路和智能功率模块IPM故障信号四合一电路；其中智能功率模块IPM故障信号四合一电路含有四个光电耦合器PC817，四个光电耦合器PC817的1管脚分别连接着15V的直流电，四个光电耦合器PC817的2管脚分别和智能功率模块IPM四路故障信号UF0、VF0、WF0、NF0连接，四个光电耦合器PC817的3管脚接地，四个光电耦合器PC817的4管脚相连接且输出Fault信号；智能功率模块IPM故障保护及报警电路中包括IPM故障信号输入模块、复位模块、和故障信号输出模块，IPM故障信号输入模块含有第一74LS00芯片，第一74LS00芯片的1管脚和故障信号输出模块连接，2管脚和复位模块连接，第一74LS00芯片的3、4管脚相互连接，第一74LS00芯片的5管脚经第一电阻（RP1）连接在5V的直流电压上且输入Fault信号，第一74LS00芯片的6管脚和1管脚连接，第一74LS00芯片的7管脚接地，第一74LS00芯片的14管脚接在5V的直流电压上，复位模块含有第一复位按钮（H_CLS1）以及和第一复位按钮（H_CLS1）并联的电解电容（CP1），电解电容（CP1）的正极经第二电阻（RP2）连接在5V的直流电上，电解电容(CP1)的正极并且和第一74LS00芯片的2管脚连接，电解电容(CP1)的负极接地，故障信号输出模块含有第一NPN三极管（Q1），第一NPN三极管（Q1）的基极通过第三电阻（RP3）和负极通过第五电阻（RP5）接地的第一发光二极管（DP1）的正极连接，第一发光二极管（DP1）的正极和IPM故障信号输入模块中的第一74LS00芯片的1管脚连接，第一NPN三极管(Q1)的集电极通过第四电阻（RP4）连接在3.3V的直流电上，集电极上输出信号F0，第一NPN三极管（Q1）的发射极接地；智能功率模块IPM直流侧电容过压保护及报警电路含有电压比较器LM393和光电耦合器TLP521-2，电压比较器LM393的3引脚连接着测定IPM直流侧电容电压的电压霍尔传感器，电压比较器LM393的2引脚经第六电阻（RP6）连接着5V的直流电，电压比较器LM393的2引脚和第六电阻（RP6）之间连接着可调电阻(RP7)，可调电阻(RP7)的另一端接地，电压比较器LM393的4引脚接地，8引脚接15V的直流电，电压比较器LM393的1引脚经第八电阻（RP8）和电压比较器LM393的8引脚连接，电压比较器LM393的1引脚同时和光电耦合器TLP521-2的1引脚连接，光电耦合器TLP521-2的2引脚和3引脚相连，光电耦合器TLP521-2的4引脚经第九电阻（RP9）接地，光电耦合器TLP521-2的5引脚和蜂鸣器（U1）一端连接，蜂鸣器（U1）的另一端经第二发光二极管（DP2）接地，光电耦合器TLP521-2的6引脚接3.3V的直流电，光电耦合器TLP521-2的7引脚接地，光电耦合器TLP521-2的8引脚经第十电阻（RP10）接3.3V的直流电，第十电阻（RP10）两端并联第三个二极管（DP3），第三个二极管（DP3）的负极接3.3V的直流电，第三个二极管（DP3）的正极接第四个二极管（DP4）的负极，第四个二极管（DP4）的正极接地，光电耦合器TLP521-2的8引脚输出信号F1；故障信号处理电路中含有第二74LS00芯片、第二NPN三极管（Q2），第二74LS00芯片的1管脚和6管脚相连，第二74LS00芯片的2管脚经第二复位开关（H_CLS2）接地，第二复位开关（H_CLS2）和第二74LS00芯片的2管脚的连接端通过第十一电阻（RP11）和5V的直流电连接，第二74LS00芯片的3管脚和4管脚连接，第二74LS00芯片的5管脚和8管脚连接，第二74LS00芯片的7管脚接地，第二74LS00芯片的9管脚、10管脚和11管脚相连，第二74LS00芯片的12管脚输入信号F0，13管脚输入信号F1，第二74LS00芯片的14管脚接5V的直流电，第七发光二极管（DP7）的正极接第二74LS00芯片的1管脚，第七发光二极管（DP7）的负极经第十四电阻（RP14）接地，第二NPN三极管（Q2）的基极经第十二电阻（RP12）和第二74LS00芯片的1管脚连接，第二NPN三极管（Q2）的发射极接地，集电极通过第十三电阻(RP13)和3.3V直流电连接，第十三电阻（RP13）两端并联第五个二极管（DP5），第五个二极管（DP5）的负极和3.3V直流电连接，第五个二极管（DP5）的正极和第六个二极管（DP6）的负极连接，第六个二极管（DP6）的正极接地，第二NPN三极管（Q2）的集电极输出信号PDPINT且与有源滤波器中DSP2812的PDPINT端口连接。