CN103944168A - 一种大功率电能质量综合补偿装置 - Google Patents

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李子欣
胜晓松
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Abstract

一种大功率电能质量综合补偿装置,包括主电路(1)、主控制算法实现电路(2)和检测与保护电路(3)。此装置通过检测与保护电路(3)中的模拟信号调理电路,将经过模拟信号调理电路后输出的模拟信号传送到主控制算法实现电路(2)中,经过模数转换,由DSP芯片实现大功率电能质量综合补偿器的控制算法,控制主电路(1)中的功率器件IGBT发出与检测的负载电流中的谐波电流,或者无功电流方向相反的补偿电流,同时也可以对不平衡负载的不平衡电流进行能量补偿,实现装置的复合补偿功能。

Description

一种大功率电能质量综合补偿装置
技术领域
本发明涉及一种用于大功率电能质量综合补偿装置。
背景技术
随着电网中非线性负载的日益增多,使电力系统的无功及谐波问题日趋严重,传统的各种无功补偿装置和谐波抑制方法很难满足现代电网的要求。作为一种新型的电能质量综合补偿装置,基于现代电力电子技术,此装置能对电网负载、系统参数的变化具有很强的鲁棒性和优良的动态性能,被认为是目前最具发展潜力的无功和谐波综合补偿方法。在交流380V电网中,单机容量在250kVA以上的大功率非线性负载对电网的影响十分明显,为了改善电网的电能质量,目前通常是采用动态电能质量综合补偿装置与负载并联,使电网中的谐波电流得到抑制和实现无功补偿。三相三线的大功率动态电能综合补偿装置可以采用不同的主电路拓扑结构,常用的拓扑主要有:三相桥变流器拓扑结构、多个三相桥变流器并联的拓扑结构和单相桥组合构成一个三相系统的拓扑结构。
目前现有的类似装置中,都是采用三相桥变流器拓扑结构和多个三相桥变流器并联的拓扑结构比较多。对于大功率动态电能质量综合补偿装置而言,既要能补偿谐波也要能进行无功电流的补偿,同时还要具有不平衡无功负载补偿的能力。在进行谐波补偿时要求装置能对电网中2~25次谐波均具有抑制效果。要达到理想的谐波抑制效果,大功率动态电能质量综合补偿装置的开关频率越高,其谐波抑制效果越好。根据理论分析推算要想对25次以下的谐波有较好的抑制效果,装置的开关频率至少得在5kHz左右;而在进行无功电流补偿的时候,装置需要输出较大的补偿无功电流,因此要求装置的主电路中的逆变器要选择大功率的功率器件才能实现大容量的无功补偿。大功率的功率器件在较高开关频率情况下使用时,其功耗就大大增加,因此会大大减低系统的效率和增加装置的热设计难度,甚至会因此需要增大装置的体积,提高装置的成本,很不经济。对于采用三相桥变流器结构,受到目前市场上功率器件的功率大小的限制,很难满足装置的大功率要求;采用多个三相桥变流器并联的结构,虽然可以实现装置的大容量无功补偿的要求,同时也可以做到使装置的开关频率提高,达到理想的谐波抑制效果,但整个装置中就需要更多的电感和电容,以及多套独立的控制系统,进而,增加装置的成本和降低装置的可靠性。无论从装置的成本、可靠性和体积上来说,都存在一定的缺憾。
中国专利201010270596.9是一种基于IGBT的大功率智能型谐波和无功电流发生器,采用了三个单相桥结构,主拓扑使用星型连接,此结构对三相不平衡负载的补偿效果不理想。本发明中采用三个单相H桥结构,主拓扑采用三角型连接,同时采用一个三相电感的结构。本发明针对三相不平衡负载的补偿,具有更强的实用价值,而且,主功率器件的发热损耗也会降低,能够提高系统的整体效率。同时本发明采用一个三相电感作为网侧电感,使装置更加紧凑,电流密度更高。适合在大功率场合使用。
中国专利200910061816.4采用单相逆变器结构实现对谐波电流的补偿。此发明结构虽然简单,但仅仅适合在单相系统中使用,在三相系统中采用这种结构,必须通过三个单相系统组合来实现,装置结构复杂,使用的元器件明显增多,多套系统组合的模式使整个装置的控制系统复杂,降低装置的可靠性。同时在大功率场合下使用时,其网侧电感设计会比较困难,由于制造所带来的电感参数之间的偏差,影响补偿性能。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术在大功率场合的电能质量综合补偿装置设计难度大,采用三相桥结构无法满足高性能补偿的要求,以及采用多套装置并联的结构实现大功率输出装置的结构复杂、可靠性降低的缺点,提出一种大功率电能质量综合补偿装置。本发明可以改善交流380V电网因大容量非线性负载(单机容量大于250kVA)所带来的谐波污染和网侧功率因素低下的问题。本发明可以实现谐波抑制和无功补偿,既能满足高谐波峰值的补偿,又能输出大容量的补偿无功。
本发明采用三个单相H桥组合的结构,可以提高大功率有源电力滤波器装置的等效开关频率。受大功率装置开关频率难以提高的限制,本发明的控制器带宽窄,在窄控制带宽的情况下,采用复合电流跟踪的控制算法,可以很好的改善本装置的补偿效果。同时主拓扑中采用一个三相电感的结构,可以使整个装置更加紧凑,提高整个装置的电流密度,降低成本。而且控制系统采用全光纤结构,在大电流场合,可大大提高系统的抗干扰能力。本发明适用于大功率场合的动态电能质量综合补偿。
本发明包括主电路、主控制算法实现电路和检测与保护电路。检测与保护电路的输出端与主控制算法实现电路的输入端连接,将检测到的电流和电压信号传送至主控制算法实现电路。检测与保护电路的另一功能是保护主电路中的主功率器件IGBT。主控制算法实现电路将控制开关信号通过光纤传送到主电路的输入端,控制主电路中的主功率器件IGBT的开断。主电路的输出端与检测和保护电路的输入端相连,检测和保护电路检测主电路的电流和电压信号,将经过检测和保护电路的模拟信号调理电路后的模拟信号传送到主控制算法实现电路中,经过模数转换,由主控制算法实现电路实现大功率电能质量综合补偿器的控制算法,计算出脉冲宽度,然后通过光纤将控制主电路的PWM波从主控制算法实现电路传送到主电路。
所述的主电路由三个单相H桥变流器、一个三相电感、三个电容器、两个三相接触器和三个限流电阻构成。主电路的结构如下:从电网侧依次顺序为:第一三相接触器的输入端与电网相连。三个限流电阻与第二三相接触器并联,三个限流电阻与第二三相接触器并联支路的输入端与第一三相接触器的输出端串联,第二三相接触器的输出端与三相电感的输入端相连。三相电感的输出端通过2.5厘米宽,1.5厘米厚的铜条分别与三个单相H桥变流器的上桥臂中间点相连。同时三个单相H桥变流器的下桥臂的中间点通过2.5厘米宽,1.5厘米厚的铜条与三相电感的输入端相连。每个单相H桥变流器的正负极分别通过铜条与单相H桥变流器的电容相连。主控制算法实现电路发出对单相H桥变流器的主功率器件IGBT的控制信号,分别驱动三个单相H桥变流器中的主功率器件IGBT开关动作,主控制算法实现电路所发出控制信号通过光纤传送到主电路,采用光纤传输来实现电气上的隔离。每个单相H桥变流器由两个功率器件IGBT模块构成,每个功率器件IGBT模块里包含两个IGBT。功率器件IGBT模块内部的第一IGBT和第二IGBT串联连接。两个功率器件IGBT模块的输出端通过铜排连接。
所述的主控制算法实现电路主要由两片DSP芯片TMS320F28335、两片AD芯片MAX1308、一片FPGA芯片XC3S400和一片DA芯片TLC7225构成,实现对本发明装置的数字化控制。第一DSP的数据线管脚与FPGA输入输出管脚相连,DA芯片的数据线管脚与第一DSP的数据线管脚相连。第二DSP的数据线管脚与FPGA的输入输出管脚相连。第一AD芯片的数据线管脚与FPGA的输入输出管脚相连。第二AD芯片的数据线管脚与FPGA输入输出管脚相连。两片DSP芯片中,其中第一DSP负责大功率电能质量综合补偿装置的主要控制算法的实现,第二DSP通过串行通讯接口与上位机显示屏进行数据传送,实现本发明装置的通讯功能。两片AD芯片主要实现对大功率电能质量综合补偿装置中的参与控制的电流、电压信号进行采集。FPGA芯片实现两片DSP芯片之间的数据传送、数据采集和控制系统中组合逻辑电路等功能。DA芯片主要是将控制系统中的数字信号变成模拟信号,通过相应的输出口输出,可以查看输出的波形,判断大功率电能质量综合补偿装置中不同算法的正确与否。
所述的检测与保护电路由传感器、模拟信号调理电路和比较电路组成。模拟信号调理电路的输出连接到比较电路的输入,模拟信号调理电路输出的模拟信号传送到比较电路的输入端。传感器包括流传感器和电压传感器,采用的是互感器原理。电流传感器和电压传感器的输出端分别连接到模拟信号调理电路的模拟信号接线端子上,将模拟信号传送到模拟信号调理电路。电流传感器根据采样电流的大小,选择不同额定电流等级的电流传感器。通过互感器原理,一旦穿过电流传感器的导线上流过电流时,电流传感器的模拟信号输出端会有电流流出,此电流通过一个采样电阻。采样电阻的一端连接到电流传感器的电流信号输出端,采样电阻的另一端连接到+15V电源的参考模拟地。电流传感器输出端的电流信号,由导线传送到采样电阻输入端,转换成电压信号,电压信号由导线传送到检测与保护电路的模拟信号输入端。电流传感器输出的模拟信号经过检测与保护电路输送到主控制算法实现电路的第一AD芯片的模拟信号输入端,通过现场可编程门阵列FPGA控制第一AD芯片工作,实现采样信号的模数转换,完成外部电流信号的采集,将模拟信号转化成数字量,作为主控制算法实现电路的算法运算用。本发明根据采样电压的高低,选择不同额定电压等级的电压传感器。测量电网电压的电压传感器的输入端与电网输出端相连。测量H桥直流侧电容电压的电压传感器的输入端与直流侧电容的输出端相连。电压传感器的模拟信号输出端会有电流流出,此电流通过一个采样电阻。采样电阻的一端连接到电流传感器的电流信号输出端,采样电阻的另一端连接到+15V电源的参考模拟地。电压传感器输出端的电流信号,由导线传送到采样电阻输入端,转换成电压信号,电压信号由导线传送到检测与保护电路的模拟信号输入端。电压传感器输出的模拟信号经过检测与保护电路输送到主控制算法实现电路的第二AD芯片的模拟信号输入端,通过现场可编程门阵列FPGA控制第二AD芯片工作,实现采样信号的模数转换,完成外部电压信号的采集,将模拟信号转化成数字量,作为主控制算法实现电路的算法运算用。检测与保护电路滤除电压传感器和电流传感器输出的参与算法运算的电流和电压信号中的白噪声成分。电流传感器采样的电流信号输入到第一AD芯片的输入口。电压传感器采样的电压信号经过模拟信号调理电路的输出端,输入到第二AD芯片的输入口进行模数转换。模拟信号调理电路将模拟信号传送到比较电路中比较器的正端输入口,比较器的负端给定一个固定电压,当检测与保护电路输出的模拟电压信号幅值大于保护阈值,比较器便发生翻转,比较器的输出端输出高电平。比较器输出的高电平信号和主电路中IGBT的驱动信号传送到FPGA芯片的输入脚,通过现场可编程门阵列FPGA芯片编程实现一定的逻辑组合,将驱动主电路中大功率IGBT开关器件的脉宽调制波封锁,保护主功率器件IGBT不受损坏。FPGA芯片的输出脚将故障信号传送到主控制算法实现电路的第一DSP,一旦有故障信号,就停止发出PWM波。FPGA芯片同时将故障信号送到主控制算法实现电路的第二DSP,由第二DSP将采样数据和故障信号通过串行通讯传输的导线一起发送到上位机,实现故障报警、显示和故障信息的存储。
本发明产生谐波电流,或者无功电流,同时也可以对不平衡负载的不平衡电流进行能补偿,实现装置的复合补偿功能。
本发明与电网中的负载并联使用。
本发明集成了信号采集、系统保护、主电路拓扑,实现全数字化控制,模块化设计,结构紧凑,系统抗干扰性强,可靠性高,补偿性能优良。
本发明具有以下特点:
1、采用三个单相H桥构建三相三线的系统,容易实现对大的谐波源负载和无功负载进行补偿;容易选择合适的大功率开关器件来构建主电路;同时采用三个结构相同的单相H桥,结构紧凑,既可以满足模块化的要求,又能满足补偿装置对性能指标的要求;
2、采用三个单相桥构建三相系统,本装置的控制电路采用一套控制系统,相比较与多台并联的结构需要采用多套的控制系统而言,本发明的控制系统更简单经济,参数调节方便,控制系统可靠性更高。而且主电路还能够灵活的实现星型连接和三角型连接的主电路拓扑变换,可以适应不同的场合使用;
3、本装置主电路的滤波电感使用一个三相电感来作为装置的滤波电感,与采用三个独立电感的主电路拓扑结构相比,可以减小系统的体积和成本。
本发明具有好的谐波抑制效果,同时也能满足大容量无功补偿和不平衡无功负载补偿的目标。此装置容量大,结构紧凑,电流密度大,通过对装置中滤波电感的优化设计,提高装置的性价比。
附图说明
图1为本发明电路原理框图;
图2为主电路的原理图;
图3为控制算法实现框图;
图4为主控制算法实现电路数字芯片连接框图;
图5为检测与保护电路中的采样控制板的电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
本发明大功率电能质量综合补偿装置是针对电网中的非线性负载所带来的谐波污染进行治理的一个设备。本发明大功率电能质量综合补偿装置采用与负载并联的方式运行,对电网中的谐波电流进行治理,主要是针对呈感性的负载所产生的谐波以及无功进行补偿,使补偿后的电网中谐波含量低,网侧的功率因素高。治理后能减低电网中的谐波所造成的损害,并且降低电网中因无功所带来的线路损耗。
如图1所示,本发明大功率电能质量综合补偿装置主要包括主电路1、主控制算法实现电路2和检测与保护电路3。主电路1的输出端与检测和保护电路3的输入端相连,检测与保护电路3的输出端与主控制算法实现电路2的输入端连接;检测与保护电路3将检测到的主电路1的电流和电压信号传送至主控制算法实现电路2;主控制算法实现电路2实现大功率电能质量综合补偿器的控制算法,计算出脉冲宽度,然后通过光纤将控制主电路的PWM波传送到主电路1,控制主电路1中的主功率器件IGBT的开断。
所述的主电路如图2所示,它是大功率电能质量综合补偿装置的关键电路之一。所述的主电路由三个单相H桥变流器、一个三相电感Lf、三个电容器、两个三相接触器ZJ1、ZJ2和三个限流电阻Rs构成。如图1所示,三相三线交流电网与第一三相接触器ZJ1的输入端连接,第二三相接触器ZJ2和三个限流电阻Rs并联,第一三相接触器ZJ1的输出端与第二三相接触器ZJ2和三个限流电阻Rs并联支路的输入端相连;第二三相接触器ZJ2和三个限流电阻Rs并联支路的输出端与三相滤波电感Lf的一端相连,三相滤波电感Lf的输出端分别与三个单相H桥变流器的上桥臂中间点A1、B1、C1通过铜条相连。三个单相H桥变流器的下桥臂中间点A2、B2、C2通过铜条分别与三相滤波电感Lf的输入端An、Bn、Cn点相连。此大功率电能质量综合补偿装置构成一个三角型连接的模式。
如图2所示,三个单相H桥中的大功率IGBT开关管分别以S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、和S12来表示。第一开关管S1的集电极和第三开关管S3的集电极相连,第一开关管S1的集电极和第一电容Ca的上端相连,第二开关管S2的发射极和第一电容Ca的下端相连;第一开关管S1的发射极和第二开关管S2的集电极相连,第三开关管S3的发射极和第四开关管S4的集电极相连,第四开关管S4的发射极和第二开关管S2的发射极相连。第五开关管S5的集电极和第七开关管S7的集电极相连,第五开关管S5的集电极和第二电容Cb的上端相连,第六开关管S6的发射极和第二电容Cb的下端相连,第五开关管S5的发射极和第六开关管S6的集电极相连,第七开关管S7的发射极和第八开关管S8的集电极相连,第八开关管S8的发射极和第六开关管S6的发射极端相连。第九开关管S9的集电极和第十一开关管S11的集电极相连,第九开关管S9的集电极和第三电容Cc的上端相连,第十开关管S10的发射极和第三电容Cc的下端相连,第九开关管S9的发射极和第十开关管S10的集电极相连,第十一开关管S11的发射极和第十二开关管S12的集电极相连,第十二开关管S12的发射极和第十开关管S10的发射极相连。每个单相H桥变流器的正极,即H桥的上端①,以及单相H桥变流器的负极,即H桥的下端②,通过铜条分别与电容器Ca、Cb和Cc的两端相连,再由三个单相全桥变流器构建成一个三相全桥的变流器结构,共同构建成一个大功率电能质量综合补偿装置的主电路。由检测与保护电路检测出负载电流,由导线传送到主控制算法实现电路的输入端。主控制算法实现电路通过软件算法实现对负载电流中的谐波电流、负载电流中的无功电流和不平衡负载电流的提取。主电路的功率器件IGBT的依照主控制算法实现电路通过光纤传来的PWM波进行开通或关断,主电路的滤波电感Lf流过与检测的负载电流中的谐波电流,或者无功电流方向相反的补偿电流,补偿电流和负载电流进行代数相加,相互抵消,使电网电流中没有谐波成分和无功电流。同时也可以对不平衡负载的不平衡电流进行能量补偿。此主电路的特色是可以补偿负载谐波电流和负载无功电流,还可以对不平衡无功负载进行均衡补偿。三种补偿模式可以任意热切换,并实现三种模式同时进行动态补偿。
本发明大功率电能质量综合补偿装置由主控制算法实现电路实现电流跟踪控制算法,是本发明的核心,它决定了大功率电能质量综合补偿装置的补偿性能。图3所示为一个单相H桥变流器的控制框图,其余两相的控制方式与之相同。如图3所示,本发明的控制算法采用双控制环的结构。电压外环主要控制单相H桥变流器直流侧电容电压的稳定,直流侧电容为大功率电能质量综合补偿装置提供一个无功交流的场所。电压外环的输出作为电流内环的参考输入,通过数字化来实现对负载中所检测出的谐波电流和无功电流的跟踪控制。由检测与保护电路获得要检测的电压和电流信号,经过模数转换,提取出需要补偿的谐波电流作为谐波指令电流ih、无功电流iq和在不平衡无功负载情况下的负序电流in,通过设定的指令将补偿模式的控制信号传送到主控制算法实现电路的信号输入端,可以实现不同补偿模式之间的热切换。由检测与保护电路检测到的模拟信号经过模数转换后,传送到主控制算法实现电路中的第一DSP,由第一DSP实现算法计算,由第一DSP的输出端传送出能够驱动大功率IGBT开关的控制PWM波信号,通过光纤将PWM波信号传送到主功率器件IGBT的门极。主功率器件IGBT按照算法规定的特定次序导通和关断,使大功率电能质量综合补偿装置发出一定的补偿电流,使电网中电流谐波含量减小,网侧功率因素提高。
图4所示为主控制算法实现电路的结构图。本发明的主控制算法实现电路采用两片DSP芯片来实现不同的控制算法。第一DSP的数据线管脚与DA芯片的数据线管脚相连,实现数模转化,将数字信号转换成模拟信号输出。第一DSP数据线管脚与FPGA的输入输出管脚相连,实现两种芯片之间的数据交换。第二DSP数据线管脚与FPGA输入输出管脚相连,实现两种芯片之间的数据交换,同时也通过FPGA,实现第一DSP与第二DSP之间的数据交换。两片AD芯片的数据线管脚和FPGA的输入输出管脚相连,FPGA控制两片AD芯片,实现模数转换,将检测与保护电路传送来的模拟信号转换成数字信号,将数字信号传送到第一DSP和第二DSP芯片中。
检测与保护电路中的模拟信号调理电路和比较电路原理如图5所示。模拟信号调理电路的输出连接到比较电路的输入。模拟信号调理电路输出的模拟信号由导线传送到比较电路的输入端。本发明采用多个相同的模拟信号调理电路和比较电路来实现对不同的信号采样和保护。每一个外部采样模拟信号对应一路模拟信号调理电路。多路模拟信号调理电路之间相互独立。下面以A相补偿电流采样为例说明模拟信号调理电路和比较电路的结构。B相补偿电流、C相补偿电流、A相负载电流、B相负载电流、C相负载电流、电网AB相线电压、电网BC相线电压和H桥电容电压采样所用的模拟信号调理电路与此相同。如图4所示,模拟信号调理电路的第一电流传感器输出的模拟信号传送到第二电阻R2的一端,第二电阻R2的另一端与第一放大器ICA的2脚相连,第一电阻R1的一端与第二电阻R2的一端相连,第一电阻R1的另一端连接模拟地。第三电阻R3的一端和模拟地相连,第三电阻R3的另一端与第一放大器ICA的3脚相连。电容C1和第四电阻R4并联,第四电阻R4的一端接在第二电阻R2的一端,第四电阻R4的另一端连接到第一放大器ICA的1脚。第一放大器ICA的1脚连接到第五电阻R5的一端,第五电阻R5的另一端与第二放大器ICB的6脚相连,第六电阻R6的一端与第二放大器ICB的5脚相连,第六电阻R6的另一端连接模拟地。第二电容C2和第七电阻R7并联,第七电阻R7的一端接在第五电阻R5的一端,第七电阻R7的另一端连接到第二放大器ICB的7脚。第二放大器ICB的7脚连接到主控制算法实现电路的第一AD芯片模拟信号输入口,由FPGA芯片控制第一AD芯片的转换。FPGA芯片的输出端连接到第一AD芯片的转换控制端,发出控制信号启动第一AD芯片进行模拟和数字信号转换功能,将模拟信号转换成数字信号,FPGA芯片与第一AD芯片的数据线连接,将转换后的数字信号传送并存储到FPGA芯片中。FPGA芯片的不同的输出管脚分别连接到第一DSP芯片的数据线管脚和地址线管脚,第一DSP芯片通过导线传送,读取检测到的数字信号。
比较电路的结构如图5所示,第一比较器IC1A的1脚分别连接到第八电阻R8的一端和第十一电阻R11的一端。第八电阻R8的另一端连接到第一比较器IC1A的2脚,第一比较器IC1A的3脚连接到第九电阻R9的一端,第九电阻R9的另一端引入一固定电压的电平信号作为比较器的正阈值。第一比较器IC1A的1脚连接到第十电阻R10的一端,第十电阻R10的另一端连接到逻辑与门ICor的1脚。第十一电阻R11的一端连接到第二比较器IC1B的5脚,第十一电阻R11的另一端引入一个固定电压的电平信号,作为比较器的负阈值。第二比较器IC1B的6脚连接到第十二电阻R12的一端,第十二电阻R12的另一端连接到第一比较器IC1A的1脚。第二比较器IC1B的7脚连接到第十三电阻R13的一端,第十三电阻R13的另一端接到逻辑与门ICor的2脚。逻辑与门ICor的3脚连接到FPGA芯片的第十个输入脚,逻辑与门ICor的3脚向FPGA芯片输出一个故障信号,实现保护电路的功能。
本发明采用FPGA芯片来实现对外部信号的采样,特别适合在大功率场合使用。因为大功率电能质量综合补偿装置的开关频率难以提高,所以利用FPGA芯片进行高速的数据采集,提高大功率电能质量综合补偿装置的控制精度。主控芯片DSP与FPGA芯片之间通过多根导线连接,实现数据的高速传送,可以实时的读取参与算法计算的数字量,可以减小系统采样延迟带来的控制误差,提高大功率电能质量综合补偿装置的补偿性能。

Claims (8)

1.一种大功率电能质量综合补偿装置,其特征在于:所述的电能质量综合补偿装置包括主电路(1),主控制算法实现电路(2)和检测与保护电路(3);主电路(1)的输出端与检测和保护电路(3)的输入端相连,检测与保护电路(3)的输出端与主控制算法实现电路(2)的输入端连接;检测与保护电路(3)将检测到的主电路(1)的电流和电压信号传送至主控制算法实现电路(2);主控制算法实现电路(2)实现大功率电能质量综合补偿器的控制算法,计算出脉冲宽度,然后通过光纤将控制主电路的PWM波传送到主电路(1),控制主电路(1)中的主功率器件IGBT的开断。
2.如权利要求1所述的大功率电能质量综合补偿装置,其特征在于所述的主电路(1)由三个单相H桥变流器、一个三相电感Lf、三个电容器、两个三相接触器(ZJ1、ZJ2),以及三个限流电阻(Rs)构成;三相三线交流电网与第一三相接触器(ZJ1)的输入端连接,第二三相接触器(ZJ2)和三个限流电阻(Rs)并联;第一三相接触器(ZJ1)的输出端与第二三相接触器(ZJ2)和三个限流电阻(Rs)并联支路的输入端相连;第二三相接触器(ZJ2)和三个限流电阻(Rs)并联支路的输出端与三相滤波电感(Lf)的一端相连,三相滤波电感(Lf)的输出端分别与三个单相H桥变流器的上桥臂中间点(A1、B1、C1)通过铜条相连;三个单相H桥变流器的下桥臂中间点(A2、B2、C2)通过铜条分别与三相滤波电感(Lf)的输入端(An、Bn、Cn)相连。
3.如权利要求2所述的大功率电能质量综合补偿装置,其特征在于所述的三个单相H桥变流器中,第一开关管(S1)的集电极和第三开关管(S3)的集电极相连,第一开关管(S1)的集电极和第一电容(Ca)的上端相连,第二开关管(S2)的发射极和第一电容(Ca)的下端相连;第一开关管(S1)的发射极和第二开关管(S2)的集电极相连,第三开关管(S3)的发射极和第四开关管(S4)的集电极相连,第四开关管(S4)的发射极和第二开关管(S2)的发射极相连;第五开关管(S5)的集电极和第七开关管(S7)的集电极相连,第五开关管(S5)的集电极和第二电容(Cb)的上端相连,第六开关管(S6)的发射极和第二电容(Cb)的下端相连,第五开关管(S5)的发射极和第六开关管(S6)的集电极相连,第七开关管(S7)的发射极和第八开关管(S8)的集电极相连,第八开关管(S8)的发射极和第六开关管(S6)的发射极端相连;第九开关管(S9)的集电极和第十一开关管(S11)的集电极相连,第九开关管(S9)的集电极和第三电容(Cc)的上端相连,第十开关管(S10)的发射极和第三电容(Cc)的下端相连,第九开关管(S9)的发射极和第十开关管(S10)的集电极相连,第十一开关管(S11)的发射极和第十二开关管(S12)的集电极相连,第十二开关管(S12)的发射极和第十开关管(S10)的发射极相连;每个单相H桥变流器的正极,即H桥的上端(①),以及单相H桥变流器的负极,即H桥的下端(②),通过铜条分别与第一电容器(Ca)、第二电容器(Cb)、第三电容器(Cc)的两端相连,再由三个单相全桥变流器构建成一个三相全桥的变流器。
4.如权利要求1所述的大功率电能质量综合补偿装置,其特征在于所述的主控制算法实现电路(2)中,第一DSP的数据线管脚与DA芯片的数据线管脚相连;第一DSP数据线管脚与FPGA的输入输出管脚相连;第二DSP数据线管脚与FPGA输入输出管脚相连;两片AD芯片的数据线管脚和FPGA的输入输出管脚相连,FPGA控制两片AD芯片,实现模数转换,将数字信号传送到第一DSP和第二DSP芯片中。
5.如权利要求1所述的大功率电能质量综合补偿装置,其特征在于所述的检测与保护电路(3)传感器、模拟信号调理电路和比较电路组成;模拟信号调理电路的输出连接到比较电路的输入;电流传感器和电压传感器的输出端分别连接到模拟信号调理电路的模拟信号接线端子上,将模拟信号传送到模拟信号调理电路。
6.如权利要求5所述的大功率电能质量综合补偿装置,其特征在于所述的模拟信号调理电路中,第一电流传感器输出的模拟信号传送到第二电阻(R2)的一端,第二电阻(R2)的另一端与第一放大器ICA的2脚相连,第一电阻(R1)的一端与第二电阻(R2)的一端相连,第一电阻(R1)的另一端连接模拟地;第三电阻(R3)的一端和模拟地相连,第三电阻(R3)的另一端与第一放大器ICA的3脚相连;电容(C1)和第四电阻(R4)并联,第四电阻(R4)的一端接在第二电阻(R2),第四电阻(R4)的另一端连接到第一放大器ICA的1脚;第一放大器ICA的1脚连接到第五电阻(R5)的一端,第五电阻(R5)的另一端与第二放大器ICB的6脚相连,第六电阻(R6)的一端与第二放大器ICB的5脚相连,第六电阻(R6)的另一端连接模拟地;第二电容(C2)和第七电阻(R7)并联,第七电阻(R7)的一端接在第五电阻(R5),第七电阻(R7)的另一端连接到第二放大器ICB的7脚;第二放大器ICB的7脚连接到第一AD芯片模拟信号输入口。
7.如权利要求5所述的大功率电能质量综合补偿装置,其特征在于所述的比较电路中,第一比较器IC1A的1脚分别连接到第八电阻(R8)的一端和第十一电阻(R11)的一端;第八电阻(R8)的另一端连接到第一比较器IC1A的2脚,第一比较器IC1A的3脚连接到第九电阻(R9)的一端,第九电阻(R9)的另一端引入一固定电压的电平信号作为比较器的正阈值;第一比较器IC1A的1脚连接到第十电阻(R10)的一端,第十电阻(R10)的另一端连接到逻辑与门ICor的1脚;第十一电阻(R11)的一端连接到第二比较器IC1B的5脚,第十一电阻(R11)的另一端引入一个固定电压的电平信号,作为比较器的负阈值;第二比较器IC1B的6脚连接到第十二电阻(R12)的一端,第十二电阻(R12)的另一端连接到第一比较器IC1A的1脚;第二比较器IC1B的7脚连接到第十三电阻(R13)的一端,第十三电阻(R13)的另一端接到逻辑与门ICor的2脚;逻辑与门ICor的3脚连接到FPGA芯片的第十个输入脚。
8.如权利要求1所述的大功率电能质量综合补偿装置,其特征在于所述的大功率电能质量综合补偿装置采用双控制环:电压外环控制单相H桥变流器直流侧电容电压的稳定,电压外环的输出作为电流内环的参考输入,对负载中所检测出的谐波电流和无功电流进行跟踪控制;检测与保护电路获得的电压和电流信号,经过模数转换,提取出需要补偿的谐波电流作为谐波指令电流ih、无功电流iq和在不平衡无功负载情况下的负序电流in,送到主控制算法实现电路的第一DSP,由第一DSP实现算法计算,产生驱动大功率IGBT开关的控制PWM波,将PWM波信号传送到主电路的主功率器件IGBT的门极,主功率器件IGBT按照算法规定的次序导通和关断,使大功率电能质量综合补偿装置发出补偿电流,减小电网中的电流谐波含量。
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