CN106505570A - 一种基于多变流器组的大容量有源电力滤波器 - Google Patents

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王禹桥
徐志勇
李威
杨雪峰
范孟豹
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Abstract

本发明公开了一种基于多变流器组的大容量有源电力滤波器，其电压互感器用于采集网侧电压，电流互感器用于采集负载电流。DSP用于总谐波和无功信号的提取，并传至FPGA。充电电阻和接触器并联，一端通过主断路器接入电网，另一端接连接电感。连接电感连接各变流器，各变流器的直流侧均并联一个直流电容。FPGA用于产生控制各变流器的PWM信号，通过驱动各变流器的IGBT产生谐波和无功补偿电流，后经连接电感注入电网。本发明有源电力滤波器，谐波检测和逆变补偿相分离，逆变补偿由多变流器组组成，变流器组的数量和容量根据总补偿容量确定，提高了谐波补偿的灵活性。能够同时实现高补偿精度、较优的补偿利用率和较好的可靠性，且能够适应不同工况，自动冗余补偿。

Description

一种基于多变流器组的大容量有源电力滤波器
技术领域
本发明涉及一种基于多变流器组的大容量有源电力滤波器，属于电力系统和绿色电网领域。
背景技术
随着电力电子技术的发展，大量由电力电子开关构成的、具有非线性特性的用电设备广泛应用于冶金、钢铁、交通、化工、通信、橡胶等工业领域，这些非线性负载使得电网中混入大量谐波，给工业生产带来严重影响。目前谐波治理方案主要分为无源型和有源型：无源型治理装置体积重量较大、易产生谐振、不能实现动态补偿；有源型治理装置具有高度可控以及快速响应性能，可以实时补偿电网中的谐波。但由于半导体开关技术水平的限制，有源电力滤波器难以实现大容量补偿。
现有技术中，主要由以下几种方法提高补偿容量：
1）采用有源和无源混合补偿的形式：无源滤波器用于滤除容量较大的特定次谐波，有源滤波器补偿剩余谐波含量。其优点是：安装模块少，占用空间少。其缺点是：无源滤波器设计要根据不同工况做不同改变，难以适应复杂工况。
2）N台装置+N台CT(电流互感器)，独立控制形式：每台装置都配备一组CT，装置间无互联线、独立控制。其优点是：扩展容量简单，允许不同补偿容量模块间的扩展，多个模块自动实现冗余补偿。其缺点是：靠近负载的模块必须长期满负荷运行，多级补偿容量利用不对称，加速硬件老化，检测CT过多使得谐波补偿精度不高。
3）N台装置+1组CT，集中控制形式：整机只配备一组CT，每台有源电力滤波器都工作在全补偿模式。其优点是：动态性能好，并机系统谐波补偿响应速度与并机数量无关，始终等于单机谐波补偿速度，不存在某一台装置长期满负荷运行。其缺点是：所有装置全时段投入且全补偿运行，投入运行模块数量最多，使得损耗相对其他方式最大，无法实现自动冗余补偿。
综上所述，现有提高补偿容量的方法难以同时实现较高补偿精度、较优的补偿容量利用率、较好的运行可靠性以及自动冗余补偿，因此需要提出一种大容量的有源电力滤波器拓扑结构。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于多变流器组的大容量有源电力滤波器，解决现有源电力滤波器补偿容量不足问题。
为实现上诉目的，本发明采用的技术方案：一种基于多变流器组的大容量有源电力滤波器，包括：电压互感器、电流互感器、数字信号处理器、投切仲裁器、若干变流器、连接电感、充电电阻、接触器、主断路器；其特征是：
所述的电压互感器用于采集网侧电压，电流互感器用于采集负载电流；电压互感器和电流互感器均连接至数字信号处理器（DSP）。
数字信号处理器（DSP）用于总谐波和无功信号的提取，并传至投切仲裁器。
充电电阻和接触器并联，一端通过主断路器接入电网，另一端接连接电感。
连接电感连接各变流器，各变流器的直流侧均并联一个直流电容。
投切仲裁器用于产生控制各变流器组的PWM信号，通过驱动各变流器的IGBT产生谐波和无功补偿电流，后经连接电感注入电网，实现谐波补偿。
所述投切仲裁器为FPGA（场效可编程逻辑闸阵列，Field Programmable GateArray）。
本发明基于多变流器组的大容量有源电力滤波器，其工作过程如下：
系统上电后，先闭合主断路器，电网经充电电阻和变流器组给直流侧电容充电，待直流电容充电完毕后闭合接触器，短路充电电阻，系统开始进行谐波和无功的检测和补偿。
DSP根据电压互感器采集的网侧电压和电流互感器采集的负载电流，通过瞬时无功功率算法实现谐波和无功信号的提取，投切仲裁器通过产生PWM信号控制各变流器，实现算法和时序信号相分离，提高谐波补偿的响应速度。
投切仲裁器采用闭环结构，通过将采集各变流器的直流侧电容电压和补偿电流与理论补偿信号相比较形成控制用PWM信号，从而减少补偿误差。投切仲裁器还会根据各变流器组的总运行时间、补偿容量大小、开关损耗等从优选择投切变流器组，以实现补偿容量的动态优化分配。
谐波检测和逆变补偿相分离，逆变补偿由多变流器组组成，变流器组的数量和容量根据总补偿容量确定，提高了谐波补偿的灵活性。
其动态控制方法根据总补偿容量、各次谐波电流、各变流器组总运行时间、补偿容量以及开关损耗确定系统运行模式：
情况①：负载中某几次谐波电流动态范围超过设定阈值时，采用具有分配不同优先级的补偿方式，先根据超出阈值的各次谐波补偿容量将各变流器中的某几组单独用于补偿该类谐波电流，其具有最高优先级。再根据剩余补偿容量选择单一变流器组补偿或者多变流器同时补偿，其具有较低优先级，投切仲裁器产生具有不同优先级的多组PWM信号。
情况②：各次谐波电流动态范围未超出设定阈值且总负载容量大于最大变流器补偿容量，采用多变流器组同时补偿方式，且多变流器组之间优先级相同、补偿容量相同，投切仲裁器产生多组相同PWM控制信号。
情况③：各次谐波电流动态范围未超出设定阈值且总负载容量小于最大变流器补偿容量，根据功率模块最小化原则，采用单一变流器组补偿方式，投切仲裁器产生一组PWM控制信号。
本发明能够同时实现高补偿精度、较优的补偿利用率和较好的可靠性，且能够适应不同工况，自动冗余补偿。
附图说明
图1为本发明基于多变流器组的大容量有源电力滤波器结构示意图。
图2为本发明基于多变流器组的大容量有源电力滤波器中数字信号处理器和投切仲裁器工作示意框图。
图3为本发明基于多变流器组的大容量有源电力滤波器上电后动态控制方法流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明提出的基于多变流器组的大容量有源电力滤波器并联于电网系统，它包括：
电压互感器1、电流互感器2、数字信号处理器3、投切仲裁器9、若干变流器4、连接电感5、充电电阻6、接触器7、主断路器8。电压互感器采集网侧电压，电流互感器采集负载电流。电压互感器和电流互感器均连接至数字信号处理器（DSP）。数字信号处理器（DSP）用于总谐波和无功信号的提取，并传至投切仲裁器。充电电阻6和接触器7并联，一端通过主断路器（8）接入电网，另一端接连接电感5。连接电感5连接各变流器4，各变流器的直流侧均并联一个直流电容。采用FPGA作为投切仲裁器，用于产生控制各变流器的PWM信号，通过驱动各变流器的IGBT产生谐波和无功补偿电流，后经连接电感注入电网，实现谐波补偿。
系统上电后，先闭合主断路器8，电网经充电电阻6和各变流器4给各直流侧电容充电，待直流电容充电完毕后闭合接触器7，短路充电电阻6，系统开始进行谐波和无功的检测和补偿。
电压互感器采集网侧电压，电流互感器采集负载电流，经DSP瞬时无功功率算法后获得总谐波和无功信号，后经投切仲裁器产生用于控制不同变流器组的PWM信号，通过驱动变流器组的IGBT产生谐波和无功补偿电流，后经连接电感注入电网，实现谐波补偿。
如图2所示，电压互感器采集的网侧电压信号和电流互感器采集的负载电流信号经模拟信号调理电路处理后转变为可供DSP采集的信号，DSP采集后提取出总谐波信号、各次谐波信号和无功信号，并将这些信号传递给FPGA处理模块，FPGA通过采集直流母线电压和补偿电流形成闭环控制，根据各次谐波电流动态范围和总补偿容量动态生成具有不同优先级的PWM控制信号组。
如附图3所示，为本发明有源电力滤波器上电后动态控制方法流程示意图。其动态控制方法根据总补偿容量、各次谐波电流、各变流器组总运行时间、补偿容量以及开关损耗确定系统运行模式：
情况①：负载中某几次谐波电流动态范围超过设定阈值时，采用具有分配不同优先级的补偿方式，先根据超出阈值的各次谐波补偿容量将变流器组中的某几组单独用于补偿该类谐波电流，其具有最高优先级。再根据剩余补偿容量选择单一变流器组补偿或者多变流器组同时补偿，其具有较低优先级，投切仲裁器产生具有不同优先级的多组PWM信号。
情况②：各次谐波电流动态范围未超出设定阈值且总负载容量大于最大变流器组补偿容量，采用多变流器组同时补偿方式，且多变流器组之间优先级相同、补偿容量相同，投切仲裁器产生多组相同PWM控制信号。
情况③：各次谐波电流动态范围未超出设定阈值且总负载容量小于最大变流器组补偿容量，根据功率模块最小化原则，采用单一变流器组补偿方式，投切仲裁器产生一组PWM控制信号。
本发明有源电力滤波器将检测控制和功率模块相分离，采用一个检测控制柜与多个功率模块相通信的方式，相比于现有的多机并联模式减少了硬件数量和节省了安装空间，其动态补偿控制方法又达到了均等利用设备的目的，可以实现整机补偿容量最优利用。

Claims (1)

1.一种基于多变流器组的大容量有源电力滤波器，包括：电压互感器（1）、电流互感器（2）、数字信号处理器（3）、投切仲裁器（9）、若干变流器（4）、连接电感（5）、充电电阻（6）、接触器（7）、主断路器（8）；其特征是：
所述的电压互感器用于采集网侧电压，电流互感器用于采集负载电流；电压互感器和电流互感器均连接至数字信号处理器；
数字信号处理器用于总谐波和无功信号的提取，并传至投切仲裁器；
充电电阻（6）和接触器（7）并联，一端通过主断路器（8）接入电网，另一端接连接电感（5）；
连接电感（5）连接各变流器（4），各变流器的直流侧均并联一个直流电容；
投切仲裁器用于产生控制各变流器的PWM信号，通过驱动各变流器的IGBT产生谐波和无功补偿电流，后经连接电感注入电网。
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