CN104600682B - 有源电力滤波器电流保护电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有源电力滤波器电流保护电路及方法，包括：谐波电流信号调理电路、限流过流比较电路、CPLD逻辑控制器、IGBT驱动电路和数字信号处理器；限流过流比较电路进一步包括全波整流电路、限流比较电路和过流比较电路，全波整流电路的输出端连接限流比较电路和过流比较电路的输入端；谐波电流信号调理电路输出端连接全波整流电路输入端，限流比较电路和过流比较电路的输出端均连接CPLD逻辑控制器；CPLD逻辑控制器还与IGBT驱动电路、数字信号处理器相连。本发明可实现有源电力滤波器中开关管的保护，以避免瞬间电流过大、电流增大、短路直通等电路故障造成的开关管损坏。

Description

有源电力滤波器电流保护电路及方法

技术领域

本发明涉及有源电力滤波器技术领域，特别涉及一种有源电力滤波器电流保护电路及方法。

背景技术

电力电子装置和非线性负载的普遍使用，使谐波电流和无功电流大量注入电网，严重威胁电网和电气设备的安全运行与正常使用，谐波无功的滤波和补偿已被人们越来越重视。采用有源电力滤波器是治理电力系统谐波和改善电能质量的有效措施之一，其主要功能是消除电力系统电流的谐波分量，保留电流的基波分量。有源电力滤波器已成为电力电子技术研究的热点，许多国家已将有源电力滤波器作为改善电能质量的关键技术和措施。

随着有源电力滤波器在国内的大量应用，因其自身保护功能不足而导致设备故障的问题也逐渐显现。对于电压型PWM变流器型主电路，开关器件的电流保护电路是整个电路设计的难点和重点之一，关系到整个装置的安全运行。

发明内容

针对现有技术中有源电力滤波器电流瞬间过大或短路故障导致开关管IGBT（绝缘栅双极型晶体管）损坏的问题，本发明提供了一种同时具有限流保护和过流保护功能的有源电力滤波器电流保护电路及方法。

为解决上述问题，本发明的技术方案是：

一、有源电力滤波器电流保护电路，包括：

谐波电流信号调理电路、限流过流比较电路、CPLD逻辑控制器、IGBT驱动电路和DSP控制器；限流过流比较电路进一步包括全波整流电路、限流比较电路和过流比较电路，全波整流电路的输出端连接限流比较电路和过流比较电路的输入端；谐波电流信号调理电路输出端连接全波整流电路输入端，限流比较电路和过流比较电路的输出端均连接CPLD逻辑控制器；CPLD逻辑控制器还与IGBT驱动电路、DSP相连。

上述谐波电流信号调理电路包括依次串联的谐波电流采集电路、由第一运放器构成的阻抗匹配电路、由第二运放器构成的二阶压控低通滤波器。

上述第一运放器和第二运放器均为同相比例运算放大器。

上述限流比较电路和过流比较电路均由滞回比较器构成。

上述有源电力滤波器电流保护电路还包括与CPLD逻辑控制器相连的故障显示电路。

上述故障显示电路包括发光二极管电路和蜂鸣器驱动电路。

二、有源电力滤波器电流保护方法，包括：

CPLD逻辑控制器根据限流过流比较电路输出的电平信号判断是否存在限流，若存在限流，执行限流保护动作；若电流减小到预设的正常范围，则执行解除限流保护动作；若电流继续增大或瞬间过大，进一步判断是否存在过流，若存在过流，执行过流保护动作；其中，限流保护动作为：CPLD逻辑控制器通过IGBT驱动电路和DSP控制变流器开关管不完全关断；过流保护动作为：CPLD逻辑控制器通过IGBT驱动电路和DSP控制变流器开关管完全关断。

上述限流保护动作具体为：

限流比较电路进入CPLD逻辑控制器的低电平信号直接用来控制变流器开关管关断。

上述过流保护动作具体为：

过流比较电路进入CPLD逻辑控制器的低电平信号经RS触发器锁存，采用RS触发器触发端输出的低电平信号控制变流器开关管关断。

上述过流保护动作和限流保护动作还包括CPLD逻辑控制器驱动故障显示电路动作。

本发明设置了限流保护和过流保护对应的限流值和过流值，当电流超过限流值时，限流保护动作，同时反馈自动调整信号，使电路电流下降，当电流降至限流值以内，电流保护功能解除。当限流失效下，例如意外短路造成的输出电流超过过流值，过流保护作用，过流保护往往带有锁死功能来防止开关管损坏。

和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

1、提供了具有限流保护功能和过流保护功能的硬件电路，同时通过逻辑编程控制有源电力滤波器中开关管的开和关，实现有源电力滤波器中开关管的保护，以避免瞬间电流过大、电流增大、短路直通等电路故障造成的开关管损坏。

2、在限流保护动作时，不锁存保护信号；过流保护动作时，锁存保护信号；具有灵活性强、可靠性高、安全性优等优点。

附图说明

图1为本发明有源电力滤波器电流保护工作的整体框图；

图2为谐波电流信号调理电路图；

图3为限流过流比较电路图；

图4为CPLD逻辑控制器控制流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和较佳实施例提供本发明的具体实施方式。

本发明包括如下电路模块：

（1）谐波电流信号调理电路。

谐波电流信号调理电路用来完成谐波电流的检测并转化为电压信号，其电路图见图2，包括相串联的谐波电流采集电路、由第一运放器构成的阻抗匹配电路和由第二运放器构成的二阶压控低通滤波器；第一运放器用来跟随原电压波形，以实现阻抗匹配；第二运放器用来进行抗混叠滤波，以达到良好的谐波检测效果。

谐波电流采集电路用来将电流信号转换成电压信号，由相并联的电流互感器U24、电阻R57和电阻R58构成，电流互感器U24采集的谐波电流信号经并联电阻R57和R58转换成电压信号，经运放同相比例放大器U1A，实现的功能是跟随原电压波形，实现阻抗匹配。然后，经电阻R56、电容C143、C144及第二运放同相比例放大器U1B构成的二阶压控低通滤波器，进行抗混叠滤波，以滤除高频干扰信号。

具体实施中，电流互感器U24采用LA55p，同相比例放大器U1A、U1B均采用LF353。

（2）限流过流比较电路。

其电路图见图3，包括全波整流电路、限流比较电路和过流比较电路。限流过流比较电路的工作过程为：全波整流电路对谐波电流采集电路输出的谐波电流进行全波整流，全波整流后的谐波电流分为两路；一路进入限流比较电路进行限流判断，另一路进入过流比较电路进行过流判断。

限流比较电路主要由第一滞回比较器构成，第一滞回比较器的第一输入端连接全波整流电流输出端，第一输入端连接分压电阻调节电路，根据实际需要通过分压电阻调节电路设置限流值，即限制电流范围，第一滞回比较器判断第一输入端输入谐波电流是否限流，即是否超出限制电流范围，若限流，限流保护动作。

过流比较电路主要由第二滞回比较器构成，第二滞回比较器的第一输入端连接全波整流电路输出端，第二输入端连接过流比较电路中的分压电阻调节电路，通过分压电阻调节电路设置过流值，第二滞回比较器判断其第一输入端输入谐波电流是否过流，即超过过流值；若过流，过流保护动作。

本具体实施中，全波整流电路由运算放大器U2A、U2B、多个电阻R175～R179、R186、R187、二极管D23、D24及电容C242、C245、C251构成组成，运算放大器U2A、U2B均采用LF353。全波整流电路可将输入的谐波电流整形为只有正半周、且幅值不变的电压波形并输出。该电压波形分别作为过流比较电路和限流比较电路的输入，进入限流比较电路中的电压波形，由于限流比较电路主要为滞回比较器U4A，根据实际需要设置滞回比较器U4A的2脚限制电流范围。当滞回比较器U4A的3脚电流超出限制电流 范围时，电流会出现震荡，限流保护动作。通过与过流比较电路中滞回比较器U3A的2脚的电阻R4、R7的分压关系设置过流值，当输入滞回比较器U3A的3脚的电流一旦超过过流值，过流比较电路输出端电平便会被拉低，过流保护动作。滞回比较器U4A、U3A采用LM211D。

（3）CPLD逻辑控制器。

CPLD逻辑控制器主要实现逻辑比较功能。通过接收限流过流比较电路的输出电平信号来执行限流保护或过流保护，即根据输出信号控制变流器中全部开关管信号完全封锁或不完全封锁，变流器为有源电力滤波器主电路中变流器。当谐波电流处于正常范围，限流比较电路和过流比较电路均输出高电平；当谐波电流处于限流状态，限流比较电路输出低电平；当谐波电路处于过流状态，过流比较电路输出低电平。当存在限流，则执行限流保护动作；当存在过流，则执行过流保护动作。

当限流保护动作时，CPLD逻辑控制器驱动故障显示电路并关断变流器开关管，但是不完全封锁，具体为：当电流限流时，限流比较电路向CPLD逻辑控制器输出低电平信号，进入CPLD逻辑控制器的低电平信号不经过RS触发器直接加在CPLD逻辑控制器中控制开关管开关的信号上，经CPLD逻辑控制器输出给IGBT驱动电路，关断开关管。若下一时刻电流恢复到限制电流范围内，限流比较电路向CPLD逻辑控制器输出高电平信号，CPLD逻辑控制器通过IGBT驱动电路控制开关管打开，限流保护功能解除，有源电力滤波器正常工作。

当过流保护动作时，该过流信号会被锁存，CPLD逻辑控制器驱动故障显示电路并完全关断变流器开关管，具体为：通过CPLD逻辑控制器设置RS触发器锁存保护信号，实现变流器开关管的开和关。当电流信号处于过流状态时，过流比较电路向CPLD逻辑控制器输出低电平信号，再经过RS触发器的触发端触发输出低电平，该触发输出的低电平加在CPLD逻辑控制器中控制开关管关断的信号上，经过CPLD输出给驱动电路来关断开关管。当电流再次恢复正常时，过流比较电路输出的高电平信号进入CPLD逻辑控制器，由于RS触发器具有锁存功能，该高电平信号经RS触发器的输出信号将继续保持上一时刻的状态，即锁存上一时刻的信号，经CPLD逻辑控制器输出给IGBT驱动电路信号使开关管仍处于关断的保护状态。过流保护动作后，只有人为复位才能开启开关管，使有源电力滤波器恢复正常工作。

CPLD逻辑控制器通过IGBT驱动电路驱动变流器主电路，需要限流保护和过流保护时，CPLD逻辑控制器通过IGBT驱动电路控制变流器开关管的关断，保护变流器主电路不受损。本具体实施中IGBT驱动电路为PWM驱动电路。

（4）故障显示电路。

故障显示电路包括发光二极管电路和蜂鸣器驱动电路。通过CPLD逻辑控制器对过流和限流两种电流故障加以区别。当限流故障发生时，发光二极管闪烁，蜂鸣器间断鸣叫；当过流故障发生时，发光二极管常亮，蜂鸣器长叫。

图1示意了本发明有源电力滤波器电流保护电路的工作流程，首先，通过谐波电流信号调理电路对采样的谐波电流进行处理；处理后谐波电流进入限流过流比较电路，判断输入谐波电流是否限流和过流；再将限流过流比较电路输出信号送入CPLD逻辑控制器，配合DSP（数字信号处理器）发出的PWM脉冲波，控制相关硬件动作，所述的相关硬件包括变流器中开关器件、蜂鸣器及发光二级管。图1中保护电路即CPLD逻辑控制器的保护电路，属于常规技术，在此不对其结构进行赘述。

图3为限流过流比较电路图，该电路首先是由运算放大器U2A、U2B、多个电阻R175～R179、R186、R187、两个二极管D23、D24以及电容C242、C245、C251组成全波整流电路，全波整流电路输出电压波形分别作为滞回比较器U3A、U4 A的输入端。滞回比较器U2A和U4A分别用来判断输入电流是否过流和限流，当限流时，电流出现震荡，限流保护动作。当电流继续增大，超过过流值，过流保护动作。

图4为CPLD逻辑控制器的控制流程图，CPLD逻辑控制器建立周期性循环保护任务：CPLD逻辑控制器通过限流过流比较电路的输出的电平信号判断是否存在过流和限流；首先，判断是否存在限流，若存在限流，则执行限流保护动作，即不锁存限流保护信号，然后控制开关管关断、蜂鸣器报警、故障显示灯亮。同时，判断电流是否减小，如果未减小，继续限流保护；如果减小，则执行解除限流保护动作，打开变流器开关管；

若不存在限流，判断是否存在过流，若存在过流，则执行过流保护动作，即采用RS触发器锁存过流保护信号，然后控制开关管关断、蜂鸣器报警、故障显示灯亮。

若既不存在过流也不存在限流，不执行保护动作。

Claims (4)

1.有源电力滤波器电流保护方法，其特征在于，该方法基于有源电力滤波器电流保护电路实现，所述的有源电力滤波器电流保护电路包括谐波电流信号调理电路、限流过流比较电路、CPLD逻辑控制器、IGBT驱动电路和DSP控制器；限流过流比较电路进一步包括全波整流电路、限流比较电路和过流比较电路，全波整流电路的输出端连接限流比较电路和过流比较电路的输入端；谐波电流信号调理电路输出端连接全波整流电路输入端，限流比较电路和过流比较电路的输出端均连接CPLD逻辑控制器；CPLD逻辑控制器还与IGBT驱动电路、DSP相连；

该方法包括：

CPLD逻辑控制器根据限流过流比较电路输出的电平信号判断是否存在限流，若存在限流，执行限流保护动作；若电流减小到预设的正常范围，则执行解除限流保护动作；若电流继续增大或瞬间过大，进一步判断是否存在过流，若存在过流，执行过流保护动作；其中，限流保护动作为：CPLD逻辑控制器通过IGBT驱动电路和DSP控制变流器开关管不完全关断；过流保护动作为：CPLD逻辑控制器通过IGBT驱动电路和DSP控制变流器开关管完全关断。

2.如权利要求1所述的有源电力滤波器电流保护方法，其特征在于：

所述的过流保护动作具体为：

过流比较电路进入CPLD逻辑控制器的低电平信号经RS触发器锁存，采用RS触发器触发端输出的低电平信号控制变流器开关管完全关断。

3.如权利要求1所述的有源电力滤波器电流保护方法，其特征在于：

所述的限流保护动作具体为：

限流比较电路进入CPLD逻辑控制器的低电平信号直接用来控制变流器开关管不完全关断。

4.如权利要求1所述的有源电力滤波器电流保护方法，其特征在于：

所述的过流保护动作和限流保护动作还包括CPLD逻辑控制器驱动故障显示电路动作。