CN108418219A - 基于fft的混合型无功补偿及谐波治理装置 - Google Patents

基于fft的混合型无功补偿及谐波治理装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于FFT的混合型无功补偿及谐波治理装置，包括有无源滤波器、用于滤除2、4次谐波的混合型电力有源滤波器、IGBT驱动电路、信号调理电路及DSP控制电路，所述的无源滤波器由星型接法的5次、7次及11次单调谐无源滤波器构成，混合型电力有源滤波器采用无源部分和有源部分级联构成，无源部分采用调谐在7.1次基波频率的单调谐无源滤波器组成，有源部分采用三相全桥IGBT逆变器的结构，本发明实现了从非线性负荷中提取出2次、4次谐波电流的信号，并把它作为该电力有源滤波器的控制信号，从而实现对该电力有源滤波器的有效控制，有效地滤除2、4次谐波电流。

Description

基于FFT的混合型无功补偿及谐波治理装置
技术领域
本发明涉及一种谐波治理装置，特别是一种基于FFT的混合型无功补偿及谐波治理装置。
背景技术
由于电力电子装置的应用日益广泛，以及大量非线性负荷在配电网中广泛应用，电网的谐波污染问题日益严重，对配电网造成的危害十分严重。电网中不但存在三次谐波电流及5、7、11次等类型的谐波电流，还存在2、4次谐波电流。由于谐波频率越低谐波滤除越困难，三次谐波污染问题是个国际性的大难题，同样的2、4次谐波污染也是个国际性的大难题，三次谐波污染的治理困难点在于三次谐波回路的阻抗小电流大，2、4次谐波污染的治理困难点在于有源滤波器指令电流的获取不仅困难。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，而提供一种有效地滤除2、4次谐波电流的基于FFT的混合型无功补偿及谐波治理装置。
一种基于FFT的混合型无功补偿及谐波治理装置，包括有无源滤波器、用于滤除2、4次谐波的混合型电力有源滤波器、IGBT驱动电路、信号调理电路及DSP控制电路，所述的DSP控制电路包括DSP数字信号处理器、FPGA可编程逻辑器件、外置的ADC转换器、锁相环电路及无功控制，所述的无源滤波器由星型接法的5次、7次及11次单调谐无源滤波器构成，无源滤波器接在变压器低压侧的三相相线上，其中性点接在中性线上，混合型电力有源滤波器采用无源部分和有源部分级联构成，无源部分采用调谐在7.1次基波频率的单调谐无源滤波器组成，有源部分采用三相全桥IGBT逆变器的结构，混合型电力有源滤波器接在变压器低压侧的三相相线上，三相电压信号经过锁相环电路进行相位锁定后，输出的高频信号送入FPGA电路中进行预分频和1024分频，1024分频后的脉冲信号又反馈回锁相环电路进行相位比较，预分频后的脉冲信号一路用于进行模数转换器ADC的启动转换控制，另一路用于FPGA里面的计数器进行1024的循环计数，1024的循环计数值代表当前时刻基波电压相位的角度θ1，从这个角度信号可以推断出2次谐波电压的当前相位角度θ2，θ2为2θ1，及4次谐波电压信号的当前相位角度θ4、θ4即为4θ1，负荷侧三相电流ilabc、电源侧三相电流isabc和滤波器侧三相电流ifabc经过信号调理电路后送入模数转换器ADC后被转换为数字量，然后被FPGA读入，负荷侧三相电流ilabc、电源侧三相电流isabc的数字量读入FPGA后，经过窗函数去混叠处理，经过多路切换开关切换后分别送入FFT模块进行快速傅里叶变换，只取变换后的2次、3次及4次谐波的数值，然后分别把2次、4次谐波电流的数值及3次谐波电流的数值分别经过IFFT模块进行快速傅里叶反变换，就得到了负荷侧三相电流ilabc、电源侧三相电流isabc的数字化的2次、4次叠加的谐波电流瞬时值的数值，这个瞬时值就是2、4次电力有源滤波器的指令电流信号把经过FFT变换后的3次谐波电流的数值经过IFFT模块进行快速傅里叶反变换后就得到3次电力有源滤波器的指令电流信号2、4次电力有源滤波器的指令电流信号跟2、4次混合型电力有源滤波器的的实际输出电流ic24，依次分别完成abc三相，其差值A1进行PID放大后与三角波信号进行比较，就得到控制谐波发生器的PWM脉宽调制信号，所有这些过程都是在DSP内部实现的,经过IGBT驱动电路放大后就可以控制三相逆变器的6个IGBT及三次谐波电力有源滤波器的2个IGBT工作，实现2、4次混合型电力有源滤波器及3次混合型电力有源滤波器的功能。
所述的无源滤波器中的各次滤波器由多个滤波器构成，根据系统总的无功需求确定Q总，然后根据各次谐波电流大小确定各次无源滤波器的无功功率，计算出各组无源滤波器的电容的电量，根据公式计算出电感量；
如果无功功率容量Q大于60KVAR时就要对无源滤波器进行分组，然后按照分组后的无功功率来计算电容容量及电抗器的电感量。
所述的FPGA可编程逻辑器件采用多路复用技术进行计算各路电压及电流信号的FFI和TFFI。
综上所述的，本发明相比现有技术如下优点：
本发明实现了从非线性负荷中提取出2次、4次谐波电流的信号，并把它作为该电力有源滤波器的控制信号，从而实现对该电力有源滤波器的有效控制，有效地滤除2、4次谐波电流。
附图说明
图1是本发明的基于FFT的混合型无功补偿及谐波治理装置原理框图。
图2是FPGA可编程逻辑器件采用多路复用技术进行计算各呼电压及电流原理图。
图3是DSP数字信号处理器原理图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行更详细的描述。
实施例1
一种基于FFT的混合型无功补偿及谐波治理装置，其特征在于：包括有无源滤波器、用于滤除2、4次谐波的混合型电力有源滤波器、IGBT驱动电路、信号调理电路及DSP控制电路，所述的DSP控制电路包括DSP数字信号处理器、FPGA可编程逻辑器件、外置的ADC转换器、锁相环电路及无功控制，所述的无源滤波器由星型接法的5次、7次及11次单调谐无源滤波器构成，无源滤波器接在变压器低压侧的三相相线上，其中性点接在中性线上，混合型电力有源滤波器采用无源部分和有源部分级联构成，无源部分采用调谐在7.1次基波频率的单调谐无源滤波器组成，有源部分采用三相全桥IGBT逆变器的结构，混合型电力有源滤波器接在变压器低压侧的三相相线上，三相电压信号经过锁相环电路进行相位锁定后，输出的高频信号送入FPGA电路中进行预分频和1024分频，1024分频后的脉冲信号又反馈回锁相环电路进行相位比较，预分频后的脉冲信号一路用于进行模数转换器ADC的启动转换控制，另一路用于FPGA里面的计数器进行1024的循环计数，1024的循环计数值代表当前时刻基波电压相位的角度θ1，从这个角度信号可以推断出2次谐波电压的当前相位角度θ2，θ2为2θ1，及4次谐波电压信号的当前相位角度θ4、θ4即为4θ1，负荷侧三相电流ilabc、电源侧三相电流isabc和滤波器侧三相电流ifabc经过信号调理电路后送入模数转换器ADC后被转换为数字量，然后被FPGA读入，负荷侧三相电流ilabc、电源侧三相电流isabc的数字量读入FPGA后，经过窗函数去混叠处理，经过多路切换开关切换后分别送入FFT模块进行快速傅里叶变换，只取变换后的2次、3次及4次谐波的数值，然后分别把2次、4次谐波电流的数值及3次谐波电流的数值分别经过IFFT模块进行快速傅里叶反变换，就得到了负荷侧三相电流ilabc、电源侧三相电流isabc的数字化的2次、4次叠加的谐波电流瞬时值的数值，这个瞬时值就是2、4次电力有源滤波器的指令电流信号把经过FFT变换后的3次谐波电流的数值经过IFFT模块进行快速傅里叶反变换后就得到3次电力有源滤波器的指令电流信号2、4次电力有源滤波器的指令电流信号跟2、4次混合型电力有源滤波器的的实际输出电流ic24，依次分别完成abc三相，其差值A1进行PID放大后与三角波信号进行比较，就得到控制谐波发生器的PWM脉宽调制信号，所有这些过程都是在DSP内部实现的,经过IGBT驱动电路放大后就可以控制三相逆变器的6个IGBT及三次谐波电力有源滤波器的2个IGBT工作，实现2、4次混合型电力有源滤波器及3次混合型电力有源滤波器的功能。
所述的无源滤波器中的各次滤波器由多个滤波器构成，根据系统总的无功需求确定Q总，然后根据各次谐波电流大小确定各次无源滤波器的无功功率，计算出各组无源滤波器的电容的电量，根据公式计算出电感量；
如果无功功率容量Q大于60KVAR时就要对无源滤波器进行分组，然后按照分组后的无功功率来计算电容容量及电抗器的电感量。
装置中的二个电力有源滤波器采用同一块DSP控制电路板进行同步控制。
三相电压信号经过锁相电路进行相位锁定后，输出的高频信号送入FPGA电路中进行预分频和1024分频计，这个1024分频电路的脉冲一路去进行模数转换器ADC的启动转换控制，另一路去FPGA里面的计数器进行1024的循环计数。如图2所示。
1024的循环计数值代表当前时刻基波电压相位的角度θ1，从这个角度信号可以推断出2次谐波电压的当前相位角度θ2及4次谐波电压信号的当前相位角度θ4。
该种新型无功补偿及谐波治理综合控制装置采用XILINX IP CORE里面的FFT和IFFT模块；
负荷侧三相电流ilabc、电源侧三相电流isabc和滤波器侧三相电流ifabc经过信号调理电路后送入模数转换器ADC后被转换为数字量，然后被FPGA读人；负荷侧三相电流ilabc、电源侧三相电流isabc的数字量读人FPGA后，经过窗函数去混叠处理，经过多路切换开关切换后分别送入FFT模块进行快速傅里叶变换，只取变换后的2次、3次及4次谐波的数值，然后分别把2次、4次谐波电流的数值及3次谐波电流的数值分别经过IFFT模块进行快速傅里叶反变换，就得到了负荷侧三相电流ilabc、电源侧三相电流isabc的数字化的2次、4次叠加的谐波电流瞬时值的数值，这个瞬时值就是2、4次电力有源滤波器的指令电流信号把经过FFT变换后的3次谐波电流的数值经过IFFT模块进行快速傅里叶反变换后就得到3次电力有源滤波器的指令电流信号如图2
2、4次电力有源滤波器的指令电流信号跟2、4次混合型电力有源滤波器的的实际输出电流ic24(包括abc三相)进行比较，其差值A1进行PID放大后与三角波信号进行比较，就可以得到控制谐波发生器的PWM脉宽调制信号，如图3所示。所有这些过程都是在DSP内部实现的。
3次电力有源滤波器的指令电流信号跟3次混合型电力有源滤波器的的实际输出电流ic3(包括abc三相)进行比较，其差值A2进行PID放大后与三角波信号进行比较，就可以得到控制谐波发生器的PWM脉宽调制信号，如图3所示。所有这些过程都是在DSP内部实现的。
经过IGBT驱动电路放大后就可以控制三相逆变器的6个IGBT及三次谐波电力有源滤波器的2个IGBT工作，实现2、4次混合型电力有源滤波器及3次混合型电力有源滤波器的功能。
本实施例未述部分与现有技术相同。

Claims (3)

1.一种基于FFT的混合型无功补偿及谐波治理装置，其特征在于：包括有无源滤波器、用于滤除2、4次谐波的混合型电力有源滤波器、IGBT驱动电路、信号调理电路及DSP控制电路，所述的DSP控制电路包括DSP数字信号处理器、FPGA可编程逻辑器件、外置的ADC转换器、锁相环电路及无功控制，所述的无源滤波器由星型接法的5次、7次及11次单调谐无源滤波器构成，无源滤波器接在变压器低压侧的三相相线上，其中性点接在中性线上，混合型电力有源滤波器采用无源部分和有源部分级联构成，无源部分采用调谐在7.1次基波频率的单调谐无源滤波器组成，有源部分采用三相全桥IGBT逆变器的结构，混合型电力有源滤波器接在变压器低压侧的三相相线上，三相电压信号经过锁相环电路进行相位锁定后，输出的高频信号送入FPGA电路中进行预分频和1024分频，1024分频后的脉冲信号又反馈回锁相环电路进行相位比较，预分频后的脉冲信号一路用于进行模数转换器ADC的启动转换控制，另一路用于FPGA里面的计数器进行1024的循环计数，1024的循环计数值代表当前时刻基波电压相位的角度θ1，从这个角度信号可以推断出2次谐波电压的当前相位角度θ2，θ2为2θ1，及4次谐波电压信号的当前相位角度θ4、θ4即为4θ1，负荷侧三相电流ilabc、电源侧三相电流isabc和滤波器侧三相电流ifabc经过信号调理电路后送入模数转换器ADC后被转换为数字量，然后被FPGA读入，负荷侧三相电流ilabc、电源侧三相电流isabc的数字量读入FPGA后，经过窗函数去混叠处理，经过多路切换开关切换后分别送入FFT模块进行快速傅里叶变换，只取变换后的2次、3次及4次谐波的数值，然后分别把2次、4次谐波电流的数值及3次谐波电流的数值分别经过IFFT模块进行快速傅里叶反变换，就得到了负荷侧三相电流ilabc、电源侧三相电流isabc的数字化的2次、4次叠加的谐波电流瞬时值的数值，这个瞬时值就是2、4次电力有源滤波器的指令电流信号把经过FFT变换后的3次谐波电流的数值经过IFFT模块进行快速傅里叶反变换后就得到3次电力有源滤波器的指令电流信号2、4次电力有源滤波器的指令电流信号ic24跟2、4次混合型电力有源滤波器的的实际输出电流ic24，依次分别完成abc三相，其差值A1进行PID放大后与三角波信号进行比较，就得到控制谐波发生器的PWM脉宽调制信号，所有这些过程都是在DSP内部实现的,经过IGBT驱动电路放大后就可以控制三相逆变器的6个IGBT及三次谐波电力有源滤波器的2个IGBT工作，实现2、4次混合型电力有源滤波器及3次混合型电力有源滤波器的功能。
2.根据权利要求1所述的基于FFT的混合型无功补偿及谐波治理装置，其特征在于：所述的无源滤波器中的各次滤波器由多个滤波器构成，根据系统总的无功需求确定Q总，然后根据各次谐波电流大小确定各次无源滤波器的无功功率，计算出各组无源滤波器的电容的电量，根据公式计算出电感量；
如果无功功率容量Q大于60KVAR时就要对无源滤波器进行分组，
然后按照分组后的无功功率来计算电容容量及电抗器的电感量。
3.权利要求1所述的基于FFT的混合型无功补偿及谐波治理装置，其特征在于：所述的FPGA可编程逻辑器件采用多路复用技术进行计算各路电压及电流信号的FFI和TFFI。
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