CN103457264A

CN103457264A - 具有节能降耗兼谐波治理的有源滤波装置

Info

Publication number: CN103457264A
Application number: CN2012101787848A
Authority: CN
Inventors: 石教兴; 肖振东
Original assignee: HUBEI XIGAO ELECTRICAL EQUIPMENT CO Ltd
Current assignee: HUBEI XIGAO ELECTRICAL EQUIPMENT CO Ltd
Priority date: 2012-06-01
Filing date: 2012-06-01
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2032-06-01
Also published as: CN103457264B

Abstract

本发明公开了一种具有节能降耗兼谐波治理的有源滤波装置，它主要由柜体、主电路模块、变流器模块、输出电抗器、输出滤波回路、控制电路模块和HRT-SPF控制模块构成，其中主断路器、交流接触器和快速熔断器通过电缆串联接，所述变流器模块主要由IPM模块、IPM模块触发板、散热器、陶瓷电阻，以及固定安装在柜体内隔板正侧上部的直流侧电容器组、预充电投切回路、电容放电回路和输出电流互感器组成，本发明优点是：可迅速、有效地滤除谐波，效率高，既可以滤波又可以进行无功补偿，能有效降低设备损耗，满足国家标准，具有高度可控性和快速响应性，不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险。

Description

具有节能降耗兼谐波治理的有源滤波装置

技术领域

本发明涉及电力用设备的技术领域，更具体地说是涉及电力用滤波装置的技术领域。

背景技术

随着电力电子技术的发展，但也使非线性负载大量增加，由于各种电力电子器件在工业生产中得到广泛应用，如变频器、软启动器等非线性负载在工作时都会产生大量的电网谐波，这种谐波会严重影响电网的运行质量，加大供电能耗。因此，就需要采用滤波装置消除这种谐波，现有的滤波装置其存在的缺陷在于，谐波的滤除率不够理想，不能够做到快速，高效地进行滤波作业，难以实时跟踪电网谐波变化，一般的滤波装置仅具有滤波功能，而不能进行无功补偿，不能对瞬间对高于额定容量进行涌流补偿，从而达到消除闪变和电压波动的目的，其已不能完全适应对现代电网滤波的要求。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述之不足而提供一种节能降耗，谐波滤除快速且效率高，可以实时跟踪电网谐波变化，响应速度快，具有无功补偿功能，能对瞬间高于额定容量进行涌流补偿，消除闪变和电压波动的具有节能降耗兼谐波治理的有源滤波装置。

本发明为了解决上述技术问题而采用的技术解决方案如下：

具有节能降耗兼谐波治理的有源滤波装置，它主要由柜体、主电路模块、变流器模块、输出电抗器、输出滤波回路、控制电路模块和HRT-SPF控制模块构成，所述柜体内设置有纵向隔板，所述主电路模块主要由固定安装在柜体内隔板正侧中部的主断路器、交流接触器、快速熔断器、预充电电阻、电源进线端子构成，其中主断路器、交流接触器和快速熔断器通过电缆串联接，预充电电阻通过电缆与交流接触器并联接，电源进线端子一端与主断路器的进线端电连接，另一段预留；所述变流器模块主要由IPM模块、IPM模块触发板、散热器、陶瓷电阻，以及固定安装在柜体内隔板正侧上部的直流侧电容器组、预充电投切回路、电容放电回路和输出电流互感器组成，其中IPM模块触发板固定在IPM模块上，IPM模块通过散热器固定在隔板上，所述直流侧电容器组由三个直流侧电容器构成，陶瓷电阻并联于直流侧电容器两端，IPM模块、直流侧电容器、预充电投切回路、电容放电回路间通过电缆电连接，输出电流互感器为穿心式，其直接套在母线上，二次端采样信号与控制电路模块中的运算板电连接；所述输出电抗器固定安装在隔板的正侧下部，其进线端通过电缆与主电路模块中的快速熔断器电连接，其出线端通过电缆与变流器模块中的IPM模块电连接；所述输出滤波回路主要由固定安装在隔板背侧中部的高频滤波断路器、高频滤波电阻和高频滤波电容器组成，其中高频滤波断路器进线端通过电缆分别与高频滤波电阻和主电路模块中的主断路器的出线端电连接，高频滤波电阻和高频滤波电容器之间通过电缆并联接；所述控制电路模块主要由固定安装在隔板背侧上部的主控板、运算板、触发板、主控显示单元、直流电源模块、微型继电器、1P微型断路器、二次熔断器、3P微型断路器和控制变压器构成，其中主控板内嵌于主控显示单元内，主控板、运算板、触发板、直流电源模块、主控显示单元通过网络控制电缆相互电连接，微型继电器与1P微型断路器通过电缆电连接，3P微型断路器设置于二次熔断器的下端，二次熔断器设置为三个，其每个上下两个引脚分别电连接至控制变压器和3P微型断路器的引脚上；所述HRT-SPF控制模块主要由固定在隔板上的核心控制系统和硬件电路构成，其中核心控制系统由相互电连接的高性能32位定点DSP TMS320LF2812芯片和一片CPLDEPM7256AE芯片及外围电路组成；硬件电路由相互电连接的数据采集电路、同步检测电路、PWM隔离驱动电路、硬件保护电路、I/O接口电路、通信电路和电源电路组成。

本发明采用上述技术解决方案所能达到的有益效果是：

1、可迅速、有效地滤除谐波，效率高，能有效地滤除2-50次谐波，滤除率可达97％，响应时间＜8ms，壳体防护等级达到IP40；

2、既可以滤波又可以进行无功补偿，可以瞬间高于额定容量进行涌流补偿，从而消除闪变和电压波动；

3、可以通过设备自行判断得到最佳滤波效果，并能够自动适应电网的阻抗变化；

4、能实时跟踪电网谐波变化，具有高度可控性和快速响应性，补偿性能不受电网频率波动影响，滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；

5、能有效降低设备损耗，满足国家标准，具有高度可控性和快速响应性，不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；

6、中、英文、图形液晶显示，人机界面清晰友好；

7、具有完善自诊断和监视功能，对故障可具体定位，方便调试；

8、具有设计合理、性能优良等优点，具有良好的市场推广价值。

附图说明

图1为本发明的主视结构示意图；

图2为本发明的后视结构示意图；

图3为本发明运算板中软件的指令流程图；

图4为本发明中的HRT-SPF控制模块的结构框图；

图5为本发明中HRT-SPF控制模块的电路图；

图6为本发明的工作流程的原理图。

图1和图2中：1-外壳、2-节能灯、3-轴流风机、4-行程开关、5-陶瓷电阻、6-直流侧电容器组、7-IPM模块触发板、8-IPM模块、9-散热器、10-采样电流互感器、11-交流接触器、12-快速熔断器、13-高频滤波断路器、14-主断路器、15-输出电抗器、16-电源进线端子、17-微型继电器、18-1P微型断路器、19-二次熔断器、20-3P微型断路器、21-控制变压器、22-直流电源模块、23-运算板、24-高频滤波电阻、25-预充电电阻、26-直流放电电阻、27-零线排、28-高频滤波电容器。

具体实施方式

由图1至图6所示，具有节能降耗兼谐波治理的有源滤波装置，它主要由柜体、主电路模块、变流器模块、输出电抗器、输出滤波回路、控制电路模块和HRT-SPF控制模块构成，所述柜体内设置有纵向隔板，所述主电路模块主要由固定安装在柜体内隔板正侧中部的主断路器、交流接触器、快速熔断器、预充电电阻、电源进线端子构成，其中主断路器、交流接触器和快速熔断器通过电缆串联接，预充电电阻通过电缆与交流接触器并联接，电源进线端子一端与主断路器的进线端电连接，另一段预留；所述变流器模块主要由IPM模块、IPM模块触发板、散热器、陶瓷电阻，以及固定安装在柜体内隔板正侧上部的直流侧电容器组、预充电投切回路、电容放电回路和输出电流互感器组成，其中IPM模块触发板固定在IPM模块上，IPM模块通过散热器固定在隔板上，所述直流侧电容器组由三个直流侧电容器构成，陶瓷电阻并联于直流侧电容器两端，IPM模块、直流侧电容器、预充电投切回路、电容放电回路间通过电缆电连接，输出电流互感器为穿心式，其直接套在母线上，二次端采样信号与控制电路模块中的运算板电连接；变流器模块为整机工作中最关键的部分，起到了有源逆变与系统交换能量的作用。所述输出电抗器固定安装在隔板的正侧下部，其进线端通过电缆与主电路模块中的快速熔断器电连接，其出线端通过电缆与变流器模块中的IPM模块电连接；其主要起到与系统的能量交换作用，各个参数直接决定了工作性能，是变流器模块能输出电流到系统的重要连接器件。所述输出滤波回路主要由固定安装在隔板背侧中部的高频滤波断路器、高频滤波电阻和高频滤波电容器组成，其中高频滤波断路器进线端通过电缆分别与高频滤波电阻和主电路模块中的主断路器的出线端电连接，高频滤波电阻和高频滤波电容器之间通过电缆并联接；所述控制电路模块主要由固定安装在隔板背侧上部的主控板、运算板、触发板、主控显示单元、直流电源模块、微型继电器、1P微型断路器、二次熔断器、3P微型断路器和控制变压器构成，其中主控板内嵌于主控显示单元内，主控板、运算板、触发板、直流电源模块、主控显示单元通过网络控制电缆相互电连接，微型继电器与1P微型断路器通过电缆电连接，3P微型断路器设置于二次熔断器的下端，二次熔断器设置为三个，其每个上下两个引脚分别电连接至控制变压器和3P微型断路器的引脚上；运算板，其内部嵌入有软件，其工作流程为：1.对系统进行初始化，以保证高速数字信号处理器(DSP)及所有外设的初始化状态正常；2.系统进入到主程序循环中，系统先进行故障自检，若有故障，进行故障处理，保证系统安全、可靠的运行；若系统无故障发生，则等待同步采样控制信号中断的发生，系统进入到对应的中断服务程序中进行频率检测和A/D转换等；3.进行直流侧电压控制、指令电流计算、软启动控制等，若是启动过程，则采用软启动方式；否则直接输出PWM控制信号，此时完成了对一个采样周期的控制。然后程序返回，进行下一次采样循环控制，能够实现了对系统的循环控制。所述HRT-SPF控制模块主要由固定在隔板上的核心控制系统和硬件电路构成，其中核心控制系统由相互电连接的高性能32位定点DSP TMS320LF2812芯片和一片CPLDEPM7256AE芯片及外围电路组成，其采用了以DSP+CPLD为核心的数字化系统，能够实现装置的控制系统实时性和准确性的要求，直接决定了装置的性能指标和补偿效果；硬件电路由相互电连接的数据采集电路、同步检测电路、PWM隔离驱动电路、硬件保护电路、I/O接口电路、通信电路和电源电路组成。控制电路模块对HRT-SPF控制模块工作的整体控制，HRT-SPF控制模块是通过设备并网连接部分注入与谐波电流大小相等方向相反的补偿电流，对电流谐波进行补偿。HRT-SPF控制模块中的数据采集电路主要负责电压、电流等模拟信号转换的处理，由于被检测的电压电流量数值比较大，数值远超过DSP允许的输入信号范围，需要把这些模拟电信号降低，并将电流量变换为电压量，双极性信号变成单极性信号，并进行电平匹配，A/D转换后送入DSP进行运算。其实现方法为：电压、电流信号(包括2个直流母线电压、3个负载电流及3个补偿器输出电流)经电流型霍尔传感器变换后，在高精度采样电阻上形成与原信号成比例的电压信号，再经滤波、隔离、电平变换后，得到0～3V模拟量输入电压，最后经12位A/D变换后进入DSP内处理。HRT-SPF控制模块中的同步检测电路主要功能是产生与电网电压频率、相位相同的同步工作脉冲信号及256倍电网基波频率的A/D同步采用启动信号。由于电网的频率总会在50Hz上下发生波动，因此为保证电网参数计算的准确性，在测量过程中需要跟踪电网频率的变化，随时修正A/D的采样周期，以保证采样速率不变。同步检测电路实质是一过零电压比较器，将一相电源交流输入信号变换成方波信号，实现三相电源电压的相位检测，利用方波信号的跳变触发DSP产生中断，以便计算电网频率和控制DSP的A/D转换时刻。HRT-SPF控制模块中的PWM隔离驱动电路将HRT-SPF控制模块产生的光驱动脉冲信号转换为电驱动脉冲信号，同时经过功率放大处理后，最终输出6路PWM信号，实现对逆变主电路IGBT的驱动控制，当装置出现过流、短路等故障时，立即封锁IGBT的驱动脉冲，并向核心控制系统发送保护信号。HRT-SPF控制模块中的硬件保护电路保证了装置可靠稳定的工作。当补偿装置发生短路、过流、过压、超温、欠压等故障时，故障信号经过故障检测电路处理后，立即封锁PWM驱动脉冲信号，并进行报警等处理，整个装置系统自动退出运行，以保护系统安全。

本发明所述的各种电器元件均是现有技术，它们均可以在市场上购买得到；所述的各种电路也是行业内常使用的电路，结合附图均属于本领域内工作人员的常识技术；因此，在此无需详述。

工作流程为：通过数据采样单元采集配电系统的电流信号(CT信号)和电压信号(PT信号)，由互感器检测补偿对象的电压和电流信号，将实时电流和电压信号传送到指令运算板的微机处理中心；然后经过转换处理后送给控制系统计算出补偿电流的指令信号，直流电源部分在系统运行前先储能升压，储能完备后将信号(DC信号)反馈到指令运算板的微机处理中心，通过比较和运算，指令运算板根据配电系统中的谐波含量和大小给逆变器的触发板发送触发指令，逆变器将产生与配电系统中谐波电流大小相同、方向相反的逆变电流输送到配电系统中，将配电系统中的谐波、无功、负序等有害电流分量抵消。电网侧三相电流为对称正弦波，零线电流为0，实现治理谐波，改善电能质量的目的，最终得到期望的正弦电源。

本有源滤波装置是一种动态滤除谐波的新型谐波治理设备，它通过监测电网实时谐波状况，在线计算出所含谐波分量，产生相应的控制信号，控制逆变电路，将大小相等、方向相反的谐波电流注入到电网中，达到迅速地动态跟踪滤除谐波的作用。

Claims

1.具有节能降耗兼谐波治理的有源滤波装置，其特征在于：它主要由柜体、主电路模块、变流器模块、输出电抗器、输出滤波回路、控制电路模块和HRT-SPF控制模块构成，所述柜体内设置有纵向隔板，所述主电路模块主要由固定安装在柜体内隔板正侧中部的主断路器、交流接触器、快速熔断器、预充电电阻、电源进线端子构成，其中主断路器、交流接触器和快速熔断器通过电缆串联接，预充电电阻通过电缆与交流接触器并联接，电源进线端子一端与主断路器的进线端电连接，另一段预留；所述变流器模块主要由IPM模块、IPM模块触发板、散热器、陶瓷电阻，以及固定安装在柜体内隔板正侧上部的直流侧电容器组、预充电投切回路、电容放电回路和输出电流互感器组成，其中IPM模块触发板固定在IPM模块上，IPM模块通过散热器固定在隔板上，所述直流侧电容器组由三个直流侧电容器构成，陶瓷电阻并联于直流侧电容器两端，IPM模块、直流侧电容器、预充电投切回路、电容放电回路间通过电缆电连接，输出电流互感器为穿心式，其直接套在母线上，二次端采样信号与控制电路模块中的运算板电连接；所述输出电抗器固定安装在隔板的正侧下部，其进线端通过电缆与主电路模块中的快速熔断器电连接，其出线端通过电缆与变流器模块中的IPM模块电连接；所述输出滤波回路主要由固定安装在隔板背侧中部的高频滤波断路器、高频滤波电阻和高频滤波电容器组成，其中高频滤波断路器进线端通过电缆分别与高频滤波电阻和主电路模块中的主断路器的出线端电连接，高频滤波电阻和高频滤波电容器之间通过电缆并联接；所述控制电路模块主要由固定安装在隔板背侧上部的主控板、运算板、触发板、主控显示单元、直流电源模块、微型继电器、1P微型断路器、二次熔断器、3P微型断路器和控制变压器构成，其中主控板内嵌于主控显示单元内，主控板、运算板、触发板、直流电源模块、主控显示单元通过网络控制电缆相互电连接，微型继电器与1P微型断路器通过电缆电连接，3P微型断路器设置于二次熔断器的下端，二次熔断器设置为三个，其每个上下两个引脚分别电连接至控制变压器和3P微型断路器的引脚上；所述HRT-SPF控制模块主要由固定在隔板上的核心控制系统和硬件电路构成，其中核心控制系统由相互电连接的高性能32位定点DSP TMS320LF2812芯片和一片CPLD EPM7256AE芯片及外围电路组成；硬件电路由相互电连接的数据采集电路、同步检测电路、PWM隔离驱动电路、硬件保护电路、I/O接口电路、通信电路和电源电路组成。