CN103515958A - 一种电能质量设备及其控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电能质量设备及其控制装置，该控制装置包括：采样分析计算模块，对电源网络进行采样获得采样信息，并对所述采样信息进行分析计算以输出指令信息；N个指令跟踪控制模块，分别接收所述指令信息并对所述指令信息进行跟踪，以输出N个PWM控制信号从而控制所述电能质量设备，其中所述采样分析计算模块与N个所述指令跟踪控制模块基于一同步信号而运行，所述N个PWM控制信号之间存在预设相位差，其中N为≧2的正整数。使用本发明的控制装置可以大大降低对处理单元性能的要求，并且可降低成本。

Description

一种电能质量设备及其控制装置

技术领域

本发明涉及一种电能质量设备及其控制装置。

背景技术

当今各种功率器件的广泛应用，在技术和经济上带来了一系列方便和效益的同时，使得电网中的污染日益严重，最突出的两个问题是谐波污染问题和无功污染问题。另一方面，现代电子设备对电网电能质量的要求也越来越高，而电网污染的日益加重又将损坏这些敏感的电子设备，从而导致现代电子设备的寿命变得越来越短。

因而，消除谐波污染和无功污染成为电力电子技术中的重要研究课题。为了减少甚至消除谐波和无功对电网的污染，各国相继提出了“绿色电网”的概念，能够进行谐波治理和无功补偿的各种电能质量设备应运而生。现在，各种电能质量设备得到了前所未有的发展，并且在楼宇、铁路、冶金、轧钢、机械制造等谐波高污染行业得到了广泛地应用。并且，随着大功率开关技术的发展，传统的无源补偿装置（例如无源装置电容补偿柜等）正逐渐被有源电能质量设备（例如有源电力滤波器、静止无功发生器等）所取代，有源电能质量设备已成为发展的主流。

例如，有源电能质量设备的一种典型结构可为：控制装置对电源网络的电网或负载信息进行采样，得到含有负载的谐波和/或无功分量的指令信息，以控制电能质量设备的功率开关器件，并将功率开关器件生成的信号反馈到电网。

目前有源电能质量设备的控制装置主要为基于单核的控制装置。如图1所示，基于单核的控制装置由单个处理单元控制电能质量设备的功率开关器件。其特点是：所有电能质量检测与分析功能和指令跟踪控制器等都由一个处理单元实现，集成度高。其缺点是：1)由于计算量过大，对处理单元的性能要求较高，运算速度要快；2)功率开关器件的制造成本也较高。

发明内容

针对现有技术中的上述缺陷，本发明提供了一种电能质量设备及其控制装置。

在本发明的一个方案中，一种电能质量设备的控制装置包括：采样分析计算模块，对电源网络进行采样获得采样信息，并对所述采样信息进行分析计算以输出指令信息；N个指令跟踪控制模块，分别接收所述指令信息并对所述指令信息进行跟踪，以输出N个PWM控制信号从而控制所述电能质量设备；其中所述采样分析计算模块与N个所述指令跟踪控制模块基于一同步信号而运行，所述N个PWM控制信号之间存在预设相位差，其中N为≧2的正整数。

在本发明的另一个方案中，一种电能质量设备包括：上述控制装置，输出相互之间存在预设相位差的所述N个PWM控制信号；N个功率补偿模块，所述N个功率补偿模块并联连接且分别一一对应接收所述N个PWM控制信号并产生补偿电能反馈到所述电源网络。

使用本发明的控制装置，在满足同等性能指标的前提下，降低了单个处理单元的负担，可以大大降低对处理单元性能的要求。此外，本发明还可降低控制装置的成本。

附图说明

图1是现有技术中的单核控制装置的示意图；

图2是根据本发明实施例的电能质量设备的控制装置的示意图；

图3是根据本发明实施例的电能质量设备的控制装置的另一示意图；

图4是根据本发明实施例的电能质量设备的控制装置的再一示意图；

图5是根据本发明实施例的包括移相延时单元和指令跟踪控制单元的控制装置的示意图；

图6是根据本发明实施例的包括移相延时单元和指令跟踪控制单元的控制装置的另一示意图；

图7是根据本发明实施例的延时电路的示例图；

图8是根据本发明实施例的包括存储控制单元和指令跟踪控制单元的控制装置的又一示意图；

图9例举了根据本发明的实施例产生存在预设相位差的PWM控制信号的原理图；

图10例举了根据本发明的实施例产生存在预设相位差的PWM控制信号的另一原理图；

图11是根据本发明第二方面披露的一电能质量设备的示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的具体实施例。应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。

本发明的第一方面公开了一种电能质量设备的控制装置，以下内容用以帮助理解该第一方面披露的电能质量设备的控制装置。

如图2所示的一控制装置的具体实施例，电能质量设备可采用该控制装置。该控制装置包括一个采样分析计算模块和N个指令跟踪控制模块（第一~第N指令跟踪控制模块），其中N为≧2的正整数。其中，采样分析计算模块可对电源网络进行信号采样来获得采样信息，并对采样信息进行电能质量相关控制参数的分析与计算以得到含有负载的谐波和/或无功分量（即电网中所含有的污染成分）的指令信息。第一~第N指令跟踪控制模块分别接收指令信息，并且对指令信息进行跟踪以跟踪电网负载的变化，从而输出N个PWM控制信号控制电能质量设备。

如图2所示，在本发明中，采样分析计算模块和第一~第N指令跟踪控制模块基于一同步信号而运行，该同步信号在这些模块之间相互传递，以使这些模块之间保持同步，从而第一~第N指令跟踪控制模块输出的PWM控制信号之间同频率但不同相位，但相位差保持不变。

在该控制装置中，可让第一~第N指令跟踪控制模块之间进行交错并联控制(Interleave Control)，交错并联控制可使第一~第N指令跟踪控制模块发出的PWM控制信号的相位差同频率但不同相位。例如，相邻两指令跟踪控制模块之间的相位差可为360°/N。此种交错并联控制的方式有利于减小控制装置所控制的对象产生的纹波含量。而本发明第一方面所披露的电能质量设备的控制装置不限于此。

在该控制装置中，采样分析计算模块对电源网络所采样的信息可以是电网或负载的电流和/或电压信息。

在此控制装置中，采样分析计算模块及第一~第N指令跟踪控制模块的之间的同步可采用多种方式实现。例如，第一种方式如图2所示，由采样分析计算模块产生同步信号，并发送给第一~第N指令跟踪控制模块，来实现采样分析计算模块和第一~第N指令跟踪控制模块之间的同步。或者，第二种方式，可由第一~第N指令跟踪控制模块的任意一个模块产生同步信号并发送给采样分析计算模块及其他指令跟踪控制模块，例如，参见图3，可由第一指令跟踪控制模块产生同步信号并发送给采样分析计算模块及第二~第N指令跟踪控制模块。或者，第三种方式，参见图4，也可由单独的信号发生单元产生同步信号并发送给采样分析计算模块及第一~第N指令跟踪控制模块，信号发生单元可位于控制装置之内而作为控制装置的一个组成部件，也可位于控制装置之外而作为控制装置的配套部件。其他方式在此不再多作一一例举。

以下对电能质量的控制装置的第一类实施例进行说明。请参见图5，每个指令跟踪控制模块均可包括移相延时单元和指令跟踪控制单元，移相延时单元接收同步信号，对同步信号进行预设相位差的延时后输出至指令跟踪控制单元。其中，经由N个移向延时单元延时后的同步信号之间的相位差可为360ω/N。接着，指令跟踪控制单元根据接收的同步信号对指令信息进行跟踪以输出PWM控制信号。

或者，如图6所示，也可为指令跟踪控制单元接收同步信号和指令信息，将一控制信号输出至移向延时单元，移相延时单元将该控制信号延时后输出存在预设相位差的PWM控制信号。

其中，可省略N个移相延时单元中的某一个移相延时单元，而由剩下的N-1个移相延时单元完成对N个PWM控制信号的延时。此种情况可等效于省略了移相延时单元的指令跟踪控制模块输出的PWM控制信号相位延时为0，而成为其他指令跟踪模块输出的PWM控制信号的相位延时的计算基准。该方式对本领域普通技术人员而言可以实施，这里不再赘述。

在本发明中，指令跟踪控制模块和采样分析计算模块可为相互之间独立的芯片，并且N个指令跟踪控制模块也可为相互之间独立的芯片。指令跟踪模块在每一个PWM控制信号的周期至少接收一次同步信号,以增强多个指令跟踪控制模块输出的PWM控制信号之间相位差的稳定度。

以上内容涉及的移相延时单元可为硬件延时电路。该N个或N-1个硬件延时电路的具体结构可以相同，也可以不同。以图5所示移相延时单元所处的位置为例，该硬件延时电路具体可采用RC移相延时电路，如图7所示。该RC移相延时电路中还包括一信号调理电路（如比较器等），以使经过RC延时之后的同步信号得以复原。为增强移相延时单元的一致性，N个或N-1个硬件延时电路可选择相同的电路结构，不同的元件参数以实现对同步信号不同相位的延时。在第一类实施例的其他实施例中，硬件延时电路具体可采用D触发器。仍以图5所示的移相延时单元所处的位置为例，N个移相延时单元包括的数目相异，同一个移相延时单元中多个D触发器相互串联。因此移相延时单元的D触发器数目不同会达到不同相位的延时。采用此种设计的移相延时电路也可实现对同步信号不同相位的延时。当然，在第一类实施例的另外其他的实施例中，移相延时电路也采用其他的硬件电路，例如RC触发器与D触发的组合，在此不再赘述。

在电能质量设备的控制装置的第二类实施例中，指令跟踪控制模块与以上所介绍第一类实施例中移相延时单元不同，其不采用硬件方式实现延时，而是采用软件延时方式实现N个指令跟踪模块输出的PWM控制信号之间的预设相位差。具体地，如图8所示，每个指令跟踪控制模块均可包括存储控制单元和指令跟踪控制单元，每个存储控制单元存储有对应的PWM控制信号的预设相位，存储控制单元基于同步信号，控制指令跟踪控制单元输出与存储控制单元存储的预设相位一致的PWM控制信号。

以一个采样分析计算模块和两个指令跟踪控制模块为例，图9、图10例举了控制装置的第二类实施例。图9例举了由采样分析计算模块发出同步信号的产生预设相位差PWM控制信号的原理图。图10例举了由指令跟踪控制模块发出同步信号产生预设相位差PWM控制信号的原理图。

如图9或图10所示，其所示三角波形为PWM载波，PWM载波是产生PWM控制信号的基础波形，且PWM控制信号的周期与PWM载波是相同的，即PWM控制信号与PWM载波是同频率的。这些特点为本领域人员所熟知的，在此不多费笔墨进行说明。如图9或图10所示，指令跟踪模块在每一个PWM控制信号的周期至少接收一次同步信号，以增强多个指令跟踪控制模块输出的PWM控制信号之间相位差的稳定度。在第三类实施例的其他实施例中，该同步信号可在一PWM载波信号的一个周期或整数倍周期的任意时刻发出，例如在PWM载波信号的一个周期或整数倍周期的开始时刻发出（如图9和图10所示），而不限于此。

如图9所示，采样分析计算模块在每个PWM载波周期的谷点发出同步信号，并触发中断，随后进入中断服务程序。在中断服务程序中，首先获取电源网络的采样值，然后进行分析与计算，最后将解析出来的指示抑制和/或补偿电能的指令信息发送出去。

第一指令跟踪控制模块收到由采样分析计算模块发送的同步信号时，会自动将其PWM载波的幅值和相位更新为周期谷值（0），从而触发中断，进入中断服务程序。在中断服务程序中，首先接收由采样分析计算模块上一个开关周期所发送的指令信息，然后进行指令跟踪控制。

第二指令跟踪控制模块收到由采样分析计算模块发送的同步信号时，会自动将其PWM载波的幅值和相位更新为周期峰值（P），从而于周期谷点触发中断，随后进入中断服务程序。第二指令跟踪控制模块的中断服务程序与第一指令跟踪控制单元基本相同。

从图9可以看出，由于第二指令跟踪控制模块的PWM载波的幅值和相位更新为周期峰值，并于周期谷点触发中断，从而比第一指令跟踪控制模块延迟了半个周期，即其基于此PWM载波调制出来的PWM控制信号与第一指令跟踪控制模块基于的PWM载波调制出的PWM控制信号正好相差180°，从而实现了二者的交错并联控制。若在图9所示的实施例中增加一个指令跟踪控制模块，此时该控制装置包括一个采样分析计算模块和三个指令跟踪控制模块时，第一指令跟踪控制模块可将其PWM载波幅值和相位更新为0，第二指令跟踪控制模块可将其PWM载波幅值更新为2P/3，相位处于上升沿的方向，第三指令跟踪控制模块可将其PWM载波幅值更新为2P/3，相位处于峰值下降沿的方向。基于此三种PWM载波调制出的PWM控制信号的彼此之间相位相差120°。以此类推，N个PWM载波信号之间的预设相位差均为360°/N，实现了N个指令跟踪控制模块的交错并联控制。

如图10所示，第一指令跟踪控制模块在每个PWM载波周期的谷点发出同步信号，并触发中断，随后进入中断服务程序。在中断服务程序中，首先接收由采样分析计算模块上一个开关周期所发送的指令，然后进行指令跟踪控制。

采样分析计算模块收到由第一指令跟踪控制模块发送的同步信号时，会自动将其PWM载波幅值和相位对应于周期峰值（P），进入中断服务程序。在中断服务程序中，首先获取电源网络的采样值，然后进行分析与计算，最后将解析出来的指示抑制和/或补偿电能的指令发送出去。

第二指令跟踪控制模块收到由第一指令跟踪控制单元的PWM脉冲同步信号时，也会自动将其PWM载波幅值和相位更新为对应于周期峰值（P），并于周期谷点触发中断，随后进入中断服务程序。第二指令跟踪控制模块的中断服务程序与第一指令跟踪控制单元的完全一样。

从图10可以看出，由于第二指令跟踪控制模块的PWM载波幅值和相位被更新为对应于周期峰值，并于周期谷点触发中断，从而比第一指令跟踪控制模块延迟了半个周期，使得调制出来的PWM控制信号的波形与第一指令跟踪控制模块基于其PWM载波调制出的PWM控制信号正好相差360°/2，从而实现了二者的交错并联控制。与图9类似的，N个PWM载波信号之间的预设相位差均为360°/N，实现了N个指令跟踪控制模块的交错并联控制。

本发明第一方面披露的电能质量设备的控制装置的采样分析计算模块和指令跟踪控制单元可由DSP、单片机、CPU、ARM等微处理器、大规模集成电路（FPGA/CPLD/…）、模拟或数字电路来实现。在该控制装置中，由采样分析计算模块或N个指令跟踪控制模块中的任意一个模块发出PWM载波频率的同步信号，统一节拍，保证所有处理单元的同步运行，利于提高系统的实时性和可靠性。

本发明第一方面提供的控制装置相对于传统的控制装置而言，降低了单个处理单元的负担，对处理单元性能的要求有所降低。在满足同等性能指标的前提下(如：开关频率30kHz，且同时补偿12次以上谐波等)，由性能较低的多个处理单元代替传统技术中的单个处理单元组成的系统来实现，利于降低控制装置的成本。其中，每个处理单元按不同的角色进行分工，分别完成系统的一部分功能，从而起到化整为零的效果，可以大大降低对处理单元性能的要求。

本发明的第二方面公开了一种电能质量设备，以下内容用以帮助理解该第二方面披露的电能质量设备。

以图11为例，本发明第二方面公开的电能质量设备200可包括控制装置201和与之相连的功率装置202。功率装置202包括彼此并联的第一功率补偿模块~第N功率补偿模块，功率补偿模块的数目与控制装置201中的指令跟踪控制单元的数目相等。控制装置的N个指令跟踪控制单元分别接收采样分析计算模块的指令信息，为防止谐波流入电网并对电网造成污染，对指令信息进行跟踪，对应地输出N个PWM控制信号。该N个PWM控制信号一一对应控制第一功率补偿模块~第N功率补偿模块。N个指令跟踪控制模块输出的PWM脉冲信号在相位上互差360°/N，从而实现对N套独立功率补偿模块的交错并联控制。N个指令跟踪控制模块分别控制N路独立的功率补偿模块，由N路功率补偿模块并联以输出大功率电流。从而，N路功率补偿模块相应地采用多个小电感和/或电容（常规器件）等元件来代替构成单个功率反馈器件所使用的大电感和/或电容等元件，可降低成本，利于散热。在图11所例举的电能质量设备200对电源网络的电网进行采样。在本发明第二方面描述的电能质量设备的其他实施例中，电能质量设备200也可对电源网络的负载进行采样。

如图11所示，电能质量设备200与负载300并联接入电网，控制装置201的采样分析计算模块对电源网络的电网100进行采样获得采样信息，并对采样信息进行分析计算以输出指令信息；N个指令跟踪控制单元接收指令信息同时基于一同步信号控制第一功率补偿模块~第N功率补偿模块，该第一功率补偿模块~第N功率补偿模块输出补偿电能（例如与负载的谐波电流大小相等、方向相反的谐波电流）反馈至电网，以补偿与电网连接的非线性负载或其它类型负载所产生的谐波或无功，使流入电网的电能只含基波分量，从而实现减少甚至消除谐波和无功对电网的污染。并且，其中采样分析计算模块与N个指令跟踪控制模块基于同步信号而运行，N个指令跟踪控制模块输出的N个PWM控制信号之间存在预设相位差。然而，此电能质量设备200的其它实施例中，电能质量设备200还可以与负载300串联接入电网。此外，实际应用中还可以在负载300设置电能质量设备来检测电源网络。

在本发明第二发明披露的电能质量设备中，该功率补偿模块可为单相功率补偿模块或三相功率补偿模块。上述功率补偿模块可为功率开关器件。电能质量设备可为APF（Active Power Filter有源滤波器）、SVG（Static VarGeneration静止无功发生器）、DVR（Dynamic Voltage Regulator动态电压调节器）等。

上面以实施例对本发明进行了说明，但需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而并非是对本发明保护范围的限制。尽管参照以上实施例对本发明作了尽可能详尽的说明，但本领域的技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，仍然属于本发明技术方案的实质和范围。只要对本发明所做的任何改进或变型，均应属于本发明权利要求主张保护的范围之内。

Claims (17)

1.一种电能质量设备的控制装置，包括：

采样分析计算模块，对电源网络进行采样获得采样信息，并对所述采样信息进行分析计算以输出指令信息；

N个指令跟踪控制模块，分别接收所述指令信息并对所述指令信息进行跟踪，以输出N个PWM控制信号从而控制所述电能质量设备，

其中所述采样分析计算模块与N个所述指令跟踪控制模块基于一同步信号而运行，所述N个PWM控制信号之间同频率且存在预设相位差，其中N为≧2的正整数。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其中N个所述PWM控制信号之间的预设相位差均为360°/N。

3.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所述同步信号由所述采样分析计算模块产生，并发送到N个所述指令跟踪控制模块。

4.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所述同步信号由N个所述指令跟踪模块之一产生，并发送到其他N-1个所述指令跟踪模块和所述采样分析计算模块。

5.根据权利要求1所述的控制装置，所述采样分析计算模块及所述N个指令跟踪控制模块接收由一信号发生单元发出的所述同步信号。

6.根据权利要求1所述的控制装置，其中，每个所述指令跟踪控制模块均包括移相延时单元和指令跟踪控制单元，所述移相延时单元接收所述同步信号，对所述同步信号进行预设相位差的延时后输出至所述指令跟踪控制单元；所述指令跟踪控制单元根据接收的所述同步信号对所述指令信息进行跟踪以输出所述PWM控制信号。

7.根据权利要求6所述的控制装置，其中，N个所述移向延时单元延时后的同步信号之间的相位差为360°/N。

8.根据权利要求1所述的控制装置，其中，每个所述指令跟踪控制模块均包括移相延时单元和指令跟踪控制单元，所述指令跟踪控制单元接收所述同步信号和所述指令信息，并将一控制信号输出至所述移向延时单元，所述移相延时单元将该控制信号延时后输出存在所述预设相位差的所述PWM控制信号。

9.根据权利要求6或8所述的控制装置，其中，所述移相延时单元为RC移相延时电路或D触发器单元。

10.根据权利要求1所述的控制装置，其中，每个所述指令跟踪控制模块均包括存储控制单元和指令跟踪控制单元，所述存储控制单元存储有对应的PWM控制信号的预设相位，所述存储控制单元基于所述同步信号，控制所述指令跟踪控制单元输出与所述存储控制单元存储的预设相位一致的所述PWM控制信号。

11.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所述指令跟踪控制模块和所述采样分析计算模块为相互之间独立的芯片，N个所述指令跟踪控制模块为相互之间独立的芯片。

12.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所述指令跟踪模块每一个所述PWM控制信号的每个周期至少接收一次所述同步信号。

13.一种电能质量设备，包括：

如权利要求1至12任一权利要求所述的控制装置，输出相互之间存在预设相位差的所述N个PWM控制信号；

N个功率补偿模块，所述N个功率补偿模块并联连接且分别一一对应接收所述N个PWM控制信号并产生补偿电能反馈到所述电源网络。

14.根据权利要求13所述的电能质量设备，其中，所述N个PWM控制信号之间的预设相位差均为360°/N。

15.根据权利要求13所述的电能质量设备，其中，所述电源网络包括电网和负载；所述电能质量设备与所述负载并联/串联，接入所述电网。

16.根据权利要求13所述的电能质量设备，其中，所述功率补偿模块为单相功率补偿模块或三相功率补偿模块。

17.根据权利要求13所述的电能质量设备，其中所述电能质量设备为有源滤波器、静止无功发生器或动态电压调节器。

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