CN104578077A - 一种有源滤波和无功补偿综合装置 - Google Patents

一种有源滤波和无功补偿综合装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种有源滤波和无功补偿综合装置；设有与三相电源线的三个相线对应的相有源滤波和无功补偿综合装置；相有源滤波和无功补偿综合装置上设有相互并设置的IGBT开关S1和S2，IGBT开关S3和S4，以及极性电容Cd，IGBT开关S1和S3的正极之间设有依次连接的电感L1、电容C1～C4和电感L2；电容C1和C2的之间连接点，与电容C3和C4之间的连接点之间，依次设有依次连接的电感L3、电容C5～C6和电感L4；其中电感L3和电容C5之间的连接点连接火线，火线连接三相电源线中对应的相线；电感L4和电容C6之间的连接点连接零线，零线连接三相电源线中的中性线，火线和零线之间设有若干组储能电容C0，每个储能电容上设有继电器K。

Description

一种有源滤波和无功补偿综合装置
技术领域
本发明涉及电力电子领域的一种有源滤波和无功补偿综合装置。
背景技术
滤波和无功补偿综合装置是影响电网供电质量的重大问题，如果上述两个问题得不到解决，将严重影响供电安全。目前的电能质量控制装置，无法同时满足滤波和无功补偿的需求，即使能满足，也无法同时适用于三相平衡与不平衡系统，而且体积庞大，控制困难。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种有源滤波和无功补偿综合装置，其体积小，控制容易，并可同时适用于三相平衡与不平衡系统。
实现上述目的的一种技术方案是：一种有源滤波和无功补偿综合装置，设有与三相电源线上的三个相线对应的相有源滤波和无功补偿综合装置；
所述相有源滤波和无功补偿综合装置上设有四个IGBT开关，即IGBT开关S1、IGBT开关S2、IGBT开关S3、IGBT开关S4；所述IGBT开关S4的负极连接所述IGBT开关S3的正极，所述IGBT开关S2的负极连接所述IGBT开关S1的正极，所述IGBT开关S3的负极连接所述IGBT开关S1的负极，所述IGBT开关S4的正极连接所述IGBT开关S2的正极；所述IGBT开关S1的负极和所述IGBT开关S4的正极之间连接有极性电容Cd，其中极性电容Cd的正极连接所述IGBT开关S1的负极，负极连接所述IGBT开关S4的正极；所述IGBT开关S1、所述IGBT开关S2、所述IGBT开关S3、所述IGBT开关S4形成了一个并联型的逆变器；
所述IGBT开关S1的正极和所述IGBT开关S3的正极之间设有依次连接的电感L1、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和电感L2，其中所述电容C2和所述电容C3之间的连接点是接地的；
所述电容C1和所述电容C2的之间连接点，与所述电容C3和所述电容C4之间的连接点之间，依次设有依次连接的电感L3、电容C5、电容C6和电感L4；其中所述电容C5和所述电容C6之间的连接点是接地的；
其中所述电感L3和所述电容C5之间的连接点连接火线，所述火线连接三相电源线中对应的相线；
所述电感L4和所述电容C6之间的连接点连接零线，所述零线连接三相电源线中的中性线，所述火线和所述零线之间设有若干组储能所述电容C0，每个所述储能所述电容上设有继电器K。
进一步的，所述有源滤波和无功补偿综合装置还设有控制器，所述控制器包括FPGA控制器、第一DSP控制器，第二DSP控制器、第三DSP控制器、信号触发装置、通信模块、LCD触摸屏、模拟信号采集器和模拟信号积分调理器，所述第一DSP控制器，所述第二DSP控制器、所述第三DSP控制器、所述信号触发装置和所述通信模块均连接所述FPGA控制器，所述模拟信号积分调理器连接所述第一DSP控制器，所述LCD触摸屏连接所述第三DSP控制器，所述模拟信号采集器连接所述模拟信号积分调理器。
进一步的，所述模拟信号采集器用于采集网侧三相交流电压信号，网侧三相交流电流信号，三相直流电压信号以及三相交流电压信号；
所述模拟信号积分调理器用于将三相交流电压信号、三相交流电流信号、三相直流电压信号和三相直流电流信号转变成可以输入所述FPGA控制器、所述第一DSP控制器和所述第二DSP控制器的波形。
进一步的，所述第一DSP控制器根据网侧三相交流电压信号，网侧三相交流电流信号，生成控制三个所述逆变器上各IGBT开关所需的PWM控制量；所述第二DSP控制器进行锁相环的跟踪，并计算需要补偿的谐波电流及无功功率；所述FPGA控制器将所述PWM控制量转换成PWM脉冲信号，并通过所述信号触发装置输出。
进一步的，所述第三DSP控制器对所述LCD触摸屏进行显示控制，同时所述LCD触摸屏通过所述第三DSP控制器实现其控制按钮的功能。
进一步的，所述通信模块为CAN通信模块、RS485通信模块，或者RS232通信模块。
采用了本发明的一种有源滤波和无功补偿综合装置的技术方案，包括与三相电源线的三个相线对应的相有源滤波和无功补偿综合装置；相有源滤波和无功补偿综合装置上设有相互并设置的IGBT开关S1和S2，IGBT开关S3和S4，以及极性电容Cd，IGBT开关S1和S3的正极之间设有依次连接的电感L1、电容C1～C4和电感L2；电容C1和C2的之间连接点，与电容C3和C4之间的连接点之间，依次设有依次连接的电感L3、电容C5～C6和电感L4；其中电感L3和电容C5之间的连接点连接火线，火线连接三相电源线中对应的相线；电感L4和电容C6之间的连接点连接零线，零线连接三相电源线中的中性线，火线和零线之间设有若干组储能电容C0，每个储能电容上设有继电器K。其技术效果是：其体积小，并可同时适用于三相平衡与不平衡系统。
附图说明
图1为本发明的一种有源滤波和无功补偿综合装置的结构示意图。
图2为本发明的一种有源滤波和无功补偿综合装置中的控制器的结构示意图。
图3为本发明的一种有源滤波和无功补偿综合装置中的控制器中第一DSP控制器的工作流程图。
图4为本发明的一种有源滤波和无功补偿综合装置中的控制器中第二DSP控制器的锁相环流程图。
具体实施方式
请参阅图1至图4，本发明的发明人为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例，并结合附图进行详细地说明：
请参阅图1，本发明的一种有源滤波和无功补偿综合装置，设有与三相电源线上的三个相线对应的相有源滤波和无功补偿综合装置，即a相有源滤波和无功补偿综合装置，b相有源滤波和无功补偿综合装置和c相有源滤波和无功补偿综合装置。
每个所述相有源滤波和无功补偿综合装置上设有四个IGBT开关，即IGBT开关S1、IGBT开关S2、IGBT开关S3、IGBT开关S4。其中IGBT开关S4的负极连接IGBT开关S3的正极，IGBT开关S2的负极连接IGBT开关S1的正极，IGBT开关S3的负极连接IGBT开关S1的负极，IGBT开关S4的正极连接IGBT开关S2的正极。同时，IGBT开关S1的负极和IGBT开关S4的正极之间连接有极性电容Cd，其中极性电容Cd的正极连接IGBT开关S1的负极，正极连接IGBT开关S4的正极。IGBT开关S1、IGBT开关S2、IGBT开关S3、IGBT开关S4和极性电容Cd形成了一个并联型的逆变器。
同时，IGBT开关S1的正极和IGBT开关S3的正极之间设有无源L-C滤波网络。即：
IGBT开关S1的正极和IGBT开关S3的正极之间设有依次连接的电感L1、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和电感L2，其中电容C2和电容C3之间的连接点是接地的。
电容C1和电容C2的之间连接点，与电容C3和电容C4之间的连接点之间，依次设有依次连接的电感L3、电容C5、电容C6和电感L4。其中电容C5和电容C6之间的连接点是接地的。
其中电感L3和电容C5之间的连接点连接火线，所述火线连接三相电源线中对应的相线，即a相有源滤波和无功补偿综合装置中的火线连接三相电源线中的a相线，b相有源滤波和无功补偿综合装置中的火线连接三相电源线中的b相线，c相有源滤波和无功补偿综合装置中的火线连接三相电源线中的c相线。
其中电感L4和电容C6之间的连接点连接零线，所述零线连接三相电源线中的中性线，所述火线和所述零线之间设有若干组储能电容C0，每个所述储能电容上设有继电器K。
本发明的一种有源滤波和无功补偿综合装置中的三个相有源滤波和无功补偿综合装置均是由并联型逆变器，结合大容量的无源LC滤波网络组成的。该结构中所述逆变器承担消除谐波及阻尼无源LC滤波网络与线路阻抗产生谐振的任务，从而使谐波治理部分的电流、电压额定值大大减少，降低了装置的成本和体积。同时，由于a相有源滤波和无功补偿综合装置，b相有源滤波和无功补偿综合装置和c相有源滤波和无功补偿综合装置采用了完全相同的结构，使得发明的一种有源滤波和无功补偿综合装置可运行于三相平衡与不平衡系统，可补偿中性线电流，降低了控制的复杂度。
本发明的一种有源滤波和无功补偿综合装置中，控制器1包括FPGA控制器11、第一DSP控制器12，第二DSP控制器13、第三DSP控制器14、信号触发装置15、通信模块16、LCD触摸屏17、模拟信号采集器18和模拟信号积分调理器19。第一DSP控制器12，第二DSP控制器13、第三DSP控制器14、信号触发装置15和通信模块16均连接FPGA控制器11。LCD触摸屏17连接第三DSP控制器14，模拟信号采集器18连接模拟信号积分调理器19。模拟信号积分调理器19连接第一DSP控制器12。
其中，模拟信号采集器18用于采集三相电源线上的电压，即网侧三相交流电压信号，三相电源线上的电流，即网侧三相交流电流信号，三个所述逆变器上极性电容Cd两侧的电压，即三相直流电压信号，三个所述逆变器上IGBT开关S1的正极和IGBT开关S3的正极之间的电流，即三相直流电流信号。
模拟信号积分调理器19用于将三相交流电压信号、三相交流电流信号、三相直流电压信号和三相直流电流信号转变成可以输入FPGA控制器11、第一DSP控制器12，第二DSP控制器13的波形。
本发明中的一种有源滤波和无功补偿综合装置是通过电流环控制实现滤波和无功补偿的。当进行电流环控制时，由于三个所述逆变器提供的电流是非正弦的，且含有的谐波成分远远大于基波成分，此外，三个所述逆变器上各个IGBT开关的开关频率高达到10kHz，需要快速的控制方法，以提高三个所述逆变器上各个IGBT开关的动态响应速度，以及三个所述逆变器的补偿精度，保证直流端电压或电流利用率和IGBT开关的频率。
第一DSP控制器12作为主控制器，根据三相电源线上的三相电源线上的电压和三相电源线上的电流，生成控制三个所述逆变器上各IGBT开关所需的PWM控制量。同时第一DSP控制器12采集三相电源线上的电流后，依据非线性平均电流模型生成三相电源线上的平均电流。同时，经过IGBT开关或继电器动作后的三相电源线上的电流经过复位积分后，并生成反馈信息，以供第一DSP控制器12进行下一步的控制。第一DSP控制器12的控制属于无差拍控制平均电流跟踪的电流控制。
第二DSP控制器13作为从控制器，完成基波及各次谐波幅值和相位的计算，即锁相环的跟踪，并根据需要计算需要补偿的谐波电流及无功功率。
第二DSP控制器13作为从控制器完成基波及各次谐波幅值和相位的计算，并根据需要计算需要补偿的谐波电流及无功功率，即进行锁相环控制，第二DSP控制器13的锁相环控制属于一种单周期双校正工频锁相环，可用于三相交流电压或三相交流电流基波分量同步信号的获取。
三相电源线上的电压信号或者电流信号，经过模/数转换后，转换为数字信号后，先进行频率校正，得到与三相电压或三相电流基波分量相同角频率的信号，该信号再经过初相校正后就可以得到与输入信号基波分量同频率同初相的相位信号，从而实现对输入信号中基波分量的跟踪。该方法在一个采样周期内分别计算输入信号中基波分量频率和初相与标准信号的误差，而不需要通过闭环控制，显著提高了锁相环的跟踪速度，由于频率校正环节和初相校正环节的结构相同，所以程序实现方便。
第三DSP控制器14作为显示控制器，对LCD触摸屏17的显示进行控制，同时LCD触摸屏17通过第三DSP控制器14实现控制按钮的功能。
FPGA控制器11将第一DSP控制器产成PWM控制量转变成PWM脉冲信号，并信号触发装置15输出，驱动三个所述逆变器上的IGBT开关的通断。
通信模块16可以是CAN通信模块，RS485通信模块，或者RS232通信模块，用于对控制器1远程进行参数设定。
第一DSP控制器12、第二控制器13和第三DSP控制器14均为TMS320F2812型DSP控制器。
这样的控制器1，不仅能流水处理事件，还能并发地处理事件。尤其是在较高开关频率下的PWM脉冲信号的分配，可以避免某些PWM脉冲信号的丢失。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (6)

1.一种有源滤波和无功补偿综合装置，其特征在于：设有与三相电源线上的三个相线对应的相有源滤波和无功补偿综合装置；
所述相有源滤波和无功补偿综合装置上设有四个IGBT开关，即IGBT开关S1、IGBT开关S2、IGBT开关S3、IGBT开关S4；所述IGBT开关S4的负极连接所述IGBT开关S3的正极，所述IGBT开关S2的负极连接所述IGBT开关S1的正极，所述IGBT开关S3的负极连接所述IGBT开关S1的负极，所述IGBT开关S4的正极连接所述IGBT开关S2的正极；所述IGBT开关S1的负极和所述IGBT开关S4的正极之间连接有极性电容Cd，其中极性电容Cd的正极连接所述IGBT开关S1的负极，负极连接所述IGBT开关S4的正极；所述IGBT开关S1、所述IGBT开关S2、所述IGBT开关S3、所述IGBT开关S4形成了一个并联型的逆变器；
所述IGBT开关S1的正极和所述IGBT开关S3的正极之间设有依次连接的电感L1、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和电感L2，其中所述电容C2和所述电容C3之间的连接点是接地的；
所述电容C1和所述电容C2的之间连接点，与所述电容C3和所述电容C4之间的连接点之间，依次设有依次连接的电感L3、电容C5、电容C6和电感L4；其中所述电容C5和所述电容C6之间的连接点是接地的；
其中所述电感L3和所述电容C5之间的连接点连接火线，所述火线连接三相电源线中对应的相线；
所述电感L4和所述电容C6之间的连接点连接零线，所述零线连接三相电源线中的中性线，所述火线和所述零线之间设有若干组储能所述电容C0，每个所述储能所述电容上设有继电器K。
2.根据权利要求1所述的一种有源滤波和无功补偿综合装置，其特征在于：其还设有控制器，所述控制器包括FPGA控制器、第一DSP控制器，第二DSP控制器、第三DSP控制器、信号触发装置、通信模块、LCD触摸屏、模拟信号采集器和模拟信号积分调理器，所述第一DSP控制器，所述第二DSP控制器、所述第三DSP控制器、所述信号触发装置和所述通信模块均连接所述FPGA控制器，所述模拟信号积分调理器连接所述第一DSP控制器，所述LCD触摸屏连接所述第三DSP控制器，所述模拟信号采集器连接所述模拟信号积分调理器。
3.根据权利要求2所述的一种有源滤波和无功补偿综合装置，其特征在于：所述模拟信号采集器用于采集网侧三相交流电压信号，网侧三相交流电流信号，三相直流电压信号以及三相交流电压信号；
所述模拟信号积分调理器用于将三相交流电压信号、三相交流电流信号、三相直流电压信号和三相直流电流信号转变成可以输入所述FPGA控制器、所述第一DSP控制器和所述第二DSP控制器的波形。
4.根据权利要求2所述的一种有源滤波和无功补偿综合装置，其特征在于：所述第一DSP控制器根据网侧三相交流电压信号，网侧三相交流电流信号，生成控制三个所述逆变器上各IGBT开关所需的PWM控制量；所述第二DSP控制器进行锁相环的跟踪，并计算需要补偿的谐波电流及无功功率；所述FPGA控制器将所述PWM控制量转换成PWM脉冲信号，并通过所述信号触发装置输出。
5.根据权利要求2所述的一种有源滤波和无功补偿综合装置，其特征在于：所述第三DSP控制器对所述LCD触摸屏进行显示控制，同时所述LCD触摸屏通过所述第三DSP控制器实现其控制按钮的功能。
6.根据权利要求2所述的一种有源滤波和无功补偿综合装置，其特征在于：所述通信模块为CAN通信模块、RS485通信模块，或者RS232通信模块。
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