CN111244956B - 一种可调谐波滤波装置、系统及谐波滤除方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种可调谐波滤波装置、系统及谐波滤除方法，本申请通过处理模块，利用双谱线插值FFT算法采集的电压信号和电流信号进行谐波检测，再根据预置的谐波频段参数，从检测出的谐波信号中确定基准谐波信号，最后根据基准谐波信号，向铁芯电感输出控制电流，使得铁芯电感的电感值改变，最终改变谐波信号的谐振点以滤除该特定频段的谐波，解决了现有技术无法精确滤除特定频段谐波的技术问题。

Description

一种可调谐波滤波装置、系统及谐波滤除方法

技术领域

本申请涉及电网谐波处理技术领域，尤其涉及一种可调谐波滤波装置、系统及谐波滤除方法。

背景技术

随着电力电子技术的不断发展和应用，电力系统呈现电力电子化的发展趋势。电力电子设备给电网注入大量谐波成分，导致电压、电流波形畸变，从而导致电力系统谐波振荡，成为直接影响系统安全稳定运行的重要因素。为了有效检测电网信号中的谐波成分，从而更好的发现运行电力系统中的谐波问题，进而对谐波进行有效的治理，具有高精度的电力系统谐波实时检测便变得更加重要，需要得到重视。

但是，目前的交直流混联系统谐波滤除技术尚不能做到对特定次数的谐波进行滤除，导致了现有技术无法精确滤除特定频段谐波的技术问题。

发明内容

本申请提供了一种可调谐波滤波装置、系统及谐波滤除方法，用于解决现有技术无法精确滤除特定频段谐波的技术问题。

本申请第一方面提供了一种可调谐波滤波装置，包括：处理模块、电信号采集模块、模数转换模块、数模转换模块、功率放大器和铁芯电感；

所述电信号采集模块的输出端与所述模数转换模块的输入端连接，所述电信号采集模块用于采集电压信号和电流信号；

所述模数转换模块的输出端与所述处理模块的信号输入端连接，所述处理模块的信号输出端与所述数模转换模块的输入端连接，所述数模转换模块的输出端通过功率放大器与所述铁芯电感连接；

所述处理模块用于通过双谱线插值FFT算法对所述电压信号和所述电流信号进行谐波检测，得到谐波信号，再根据预设的谐波频段参数，从所述各个谐波信号中确定至少一个基准谐波信号，再根据所述基准谐波信号，向所述铁芯电感输出控制电流，使得所述铁芯电感的电感值改变；

其中，所述基准谐波信号为频段处于所述谐波频段参数限定的范围内的所述谐波信号。

可选地，还包括：有源滤波模块；

所述有源滤波模块的输入端与所述电信号采集模块的输出端连接，输出端与所述模数转换模块的输入端连接，用于滤除所述电压信号和所述电流信号中的噪声信号。

可选地，所述电信号采集模块具体包括：隔离放大器和霍尔电流传感器。

可选地，所述铁芯电感具体包括：开气隙硅钢铁芯电感和铁硅铝磁粉芯电感。

可选地，所述处理模块具体为ADSP-21565处理器。

可选地，所述隔离放大器具体为AD210隔离放大器。

可选地，所述霍尔电流传感器具体为TBC-EC霍尔电流传感器。

可选地，所述模数转换模块具体为ADS8598H模数转换器。

本申请第二方面提供了一种可调谐波滤波系统，包括：一次侧设备、滤波支路和如本申请第一方面所述的可调谐波滤波装置；

所述可调谐波滤波装置与所述一次侧设备的各相电源线路连接；

所述滤波支路具体包括滤波电容和可调电感，其中，所述可调电感具体为所述可调谐波滤波装置中的铁芯电感；

所述一次侧设备的各相电源线路均串联有一个或多个所述滤波支路。

本申请第三方面提供了一种谐波滤除方法，包括：

获取一次侧设备的电压信号和电流信号；

通过双谱线插值FFT算法对所述电压信号和所述电流信号进行谐波检测，得到谐波信号；

根据预设的谐波频段参数，从所述各个谐波信号中确定至少一个基准谐波信号，其中，所述基准谐波信号为频段处于所述谐波频段参数限定的范围内的所述谐波信号；

根据所述基准谐波信号，向所述铁芯电感输出控制电流，使得所述铁芯电感的电感值改变。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

本申请第一方面提供了一种可调谐波滤波装置，包括：处理模块、电信号采集模块、模数转换模块、数模转换模块、功率放大器和铁芯电感；所述电信号采集模块的输出端与所述模数转换模块的输入端连接，所述电信号采集模块用于采集电压信号和电流信号；所述模数转换模块的输出端与所述处理模块的信号输入端连接，所述处理模块的信号输出端与所述数模转换模块的输入端连接，所述数模转换模块的输出端通过功率放大器与所述铁芯电感连接；所述处理模块用于通过双谱线插值FFT算法对所述电压信号和所述电流信号进行谐波检测，得到谐波信号，再根据预设的谐波频段参数，从所述各个谐波信号中确定至少一个基准谐波信号，再根据所述基准谐波信号，向所述铁芯电感输出控制电流，使得所述铁芯电感的电感值改变；其中，所述基准谐波信号为频段处于所述谐波频段参数限定的范围内的所述谐波信号。

本申请通过处理模块，利用双谱线插值FFT算法采集的电压信号和电流信号进行谐波检测，再根据预置的谐波频段参数，从检测出的谐波信号中确定基准谐波信号，最后根据基准谐波信号，向所述铁芯电感输出控制电流，使得所述铁芯电感的电感值改变，最终改变谐波信号的谐振点以滤除该特定频段的谐波，解决了现有技术无法精确滤除特定频段谐波的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本申请提供的一种可调谐波滤波装置的结构图。

图2为本申请提供的一种可调谐波滤波装置的处理模块结构图。

图3为本申请提供的一种可调谐波滤波装置的模数转换模块原理图。

图4为本申请提供的一种可调谐波滤波装置的有源滤波模块原理图。

图5为本申请提供的一种可调谐波滤波装置的电信号采集模块原理图。

图6为本申请提供的一种可调谐波滤波装置的开气隙的硅钢片铁芯电感结构图。

图7为本申请提供的一种可调谐波滤波系统的结构图。

图8为本申请提供的一种谐波滤除方法的流程图。

具体实施方式

本申请实施例提供了一种可调谐波滤波装置、系统及谐波滤除方法，用于解决现有技术无法精确滤除特定频段谐波的技术问题。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

为使得本申请的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

请参阅图1至图6，本申请第一个实施例提供了一种可调谐波滤波装置，包括：处理模块1、电信号采集模块4、模数转换模块2、数模转换模块5、功率放大器6和铁芯电感7；

电信号采集模块4的输出端与模数转换模块2的输入端连接，电信号采集模块4用于采集电压信号和电流信号；

模数转换模块2的输出端与处理模块1的信号输入端连接，处理模块1的信号输出端与数模转换模块5的输入端连接，数模转换模块5的输出端通过功率放大器6与铁芯电感7连接；

处理模块1用于通过双谱线插值FFT算法对电压信号和电流信号进行谐波检测，得到谐波信号，再根据预设的谐波频段参数，从各个谐波信号中确定至少一个基准谐波信号，再根据基准谐波信号，向铁芯电感7输出控制电流，使得铁芯电感7的电感值改变；

其中，基准谐波信号为频段处于谐波频段参数限定的范围内的谐波信号。

需要说明的是，可调谐波滤波装置首先通过电信号采集模块4，获取电压信号和电流信号，将采集的模拟量电压信号和电流信号转换成数字信号后，输入至处理模块1，由处理模块1通过双谱线插值FFT算法对电压信号和电流信号进行谐波检测，得到谐波信号，具体的谐波检测算法如下：

处理器检测谐波算法采用加hanning窗的双谱线插值FFT，设待分析信号为：

v(t)＝Acos(2πnf/f_s+θ)

其中A为信号幅值，f是频率，θ是相位。

对信号进行A/D转换，采样频率为fs，采样长度为N，得到离散信号为：

v(t)＝Acos(2πnf/f_s+θ)

为了减少频率泄露，对信号进行加hanning窗处理，hanning窗为：

加窗处理，可得信号：

首先对加窗后的信号s(n)进行FFT处理，接着利用双谱线插值的原理，采用多项式逼近的方法得到了加hanning窗双谱线插值FFT的幅值修正公式：

α＝1.5β

A＝(y₁+y₂)(2.35619403+1.15543682α²+0.32607873α⁴+0.07891461α⁶)/N

其中，y₁、y₂分别为最大值和次大值谱线，A为双谱线插值后的幅值。

信号的频率修正公式为：

f＝(k₁+α+0.5)f_s/N

信号的相位修正公式为：

θ＝arg[s(k₁)]-π·(α+0.5)

其中：k₁为最大值谱线。

再根据预设的谐波频段参数，从各个谐波信号中确定至少一个基准谐波信号，再根据基准谐波信号，向铁芯电感7输出控制电流，使得铁芯电感7的电感值改变，最终改变谐波信号的谐振点以滤除该特定频段的谐波，解决了现有技术无法精确滤除特定频段谐波的技术问题。

更具体地，处理模块1具体为ADSP-21565处理器。

另外，本实施例的处理模块1优选采用的是双核定点/浮点32位ADSP-21565数字信号处理器，主要技术参数如下：1)CPU主频为1GHz，增强的SHARC+高性能浮点内核；2)具有奇偶校验的最高5Mb(640kB)级别1(L1)SRAM存储器，带有ECC保护的大型片上2级(L2)SRAM，最高可达1Mb，一个3级(L3)接口针对低系统功耗进行了优化，为DDR3(支持1.35V DDR3L设备)SDRAM设备提供16位接口，具有存储器保护功能；3)支持32位，40位和64位浮点和32位定点字节寻址，具有强大的DMA功能，支持PCIE、SRIO、HyperLink、EMIF16等多种高速接口，同时支持I2C、SPI、UART、McBSP等常见接口。

如图1和图3所示，同步采样的高精度模数转换模块22可以采用两个ADS8598H模数转换模块2件(模/数转换器件)，与处理模块11和有源滤波模块3相连。请参阅图2，本实施例的DSP核部分，可接收外部50kPPS同步采样脉冲，并用DSP核内部计数器检测同步采样脉冲中断周期的准确性，检测无误后产生Convst1信号，Convst1表示模数转换模块2输入通道转换信号，用于控制模数转换模块2采样和启动设备输入通道的计数的转换过程；表示有效芯片选择信号，分别对应模数转换模块2中的两个模数转换模块2件(模/数转换器件)，两个模数转换模块2件分别控制18位3路高精度采样，共计6路采样信号；表示读取输出数据信号，该信号电平为低时，DSP核通过数据总线读取模数转换模块2采样数据；Reset表示器件复位信号，用于控制模数转换模块2数字电路复位；Busy表示模数转换模块2正在进行转换，当转换完成时，Busy信号电平翻转，此时会给DSP核一个信号，使其进入不可屏蔽(NMI)中断，在中断中DSP核通过直接内存存取(Direct Memory Access，简称DMA)方式将6路采样结果存入DSP的DDR3内存区中以节省CPU的开销。当完成谐波检测后，DSP核根据计算结果生成相应控制信号，并通过数据总线输出到数模转换模块5，Convst2信号表示数模转换模块5输入通道转换信号，用于启动数模转换模块5的转换。

更具体地，模数转换模块2具体为ADS8598H模数转换器。

在图3中，给出其中一个ADS8598H模数转换模块2件的原理图，其中，CONVSTA和CONVSTB分别表示器件输入通道的前半部分转换信号和后半部分转换信号，两者复合成CONVST信号，

表示有效芯片选择信号，

表示读取输出数据信号，RESET表示器件复位信号，Busy表示模数转换模块2正在进行转换，DB0–DB15表示使用并行接口模式进行数据输出，上诉信号与处理模块11相连。I_AD_1～I_AD_3表示3路电流模拟输入信号，用于接收3路电流采样信号，与电流低通滤波支路相连，另一个ADS8598H模数转换模块2件原理图类似，区别仅在于接收3路电压采样信号，与电压低通滤波支路相连。

模数转换器ADS8598H的主要技术参数如下：

1)具有集成模拟前端的18位ADC，具有同步采样的8输入通道，每个通道可实现最高500kSPS的最大吞吐量。

2)包含输入阻抗高达1MΩ的可编程增益放大器(PGA)、输入钳位、低通滤波器和ADC输入驱动器，高输入阻抗特性允许直连传感器和变压器，无需使用外部驱动器电路，能够实现高性能、高精度以及零延迟转换。

3)具有带缓冲器的低漂移、高精度基准电压，支持串行、并行和并行字节通信，适用于各种主机控制器。

更具体地，还包括：有源滤波模块；

有源滤波模块的输入端与电信号采集模块4的输出端连接，输出端与模数转换模块2的输入端连接，用于滤除电压信号和电流信号中的噪声信号。

需要说明的是，如图1和图4所示，有源滤波模块包括电压、电流低通滤波支路，电压、电流低通滤波支路与高精度模数转换模块2和电信号采集模块4相连。进一步的，电压低通滤波支路可以使用OPA192IDR运算放大器，电流低通滤波支路可以使用OP285运算放大器。

具体地，在图4中，上方部分为电流低通滤波支路原理图，C表示滤波电容，R表示电阻，IIN_F1表示电流模拟量输入信号，与霍尔电流传感器相连，I_AD 1表示经过电流低通滤波后的输出信号，与模数转换模块2件相连进行模/数转换，共使用3个电流低通滤波支路，分别处理一路的电流模拟量输入信号，共计3路电流模拟量信号；在图4中，下方部分为电压低通滤波支路原理图，C表示滤波电容，R表示电阻，VIN_F6表示电压模拟量输入信号，与隔离放大器相连，V_AD 6表示经过电压低通滤波后的输出信号，与模数转换模块2件相连进行模/数转换，共使用3个电压低通滤波支路，分别处理一路的电压模拟量输入信号，共计3路电压模拟量信号；使用有源滤波模块的原因在于，要尽可能保证高次谐波采集的精度，从而确保谐波检测的准确性

更具体地，电信号采集模块4具体包括：隔离放大器和霍尔电流传感器。

更具体地，隔离放大器具体为AD210隔离放大器。

更具体地，霍尔电流传感器具体为TBC-EC霍尔电流传感器。

需要说明的是，如图1和图5所示，电信号采集模块44包括隔离放大器和霍尔电流传感器，隔离放大器与电压低通滤波支路相连，霍尔电流传感器与电流低通滤波支路相连。进一步的，霍尔电流传感器可以使用TBC-EC霍尔电流传感器，隔离放大器可以使用AD210隔离放大器。

具体地，在图5中，上方部分为霍尔电流传感器原理图，用于采样电流模拟量信号，并将信号输出到电流低通滤波支路，IIN F1表示电流输出信号；在图5中，下方部分为隔离放大器原理图，用于采样电压模拟量信号，并将信号输出到电压低通滤波支路，VIN 6表示电压模拟量输入信号，VIN F6表示电压输出信号；电流、电压分别采用霍尔电流传感器和隔离放大器的原因在于，为了保证高频信号传变的线性度。

霍尔电流传感器TBC-EC的主要技术参数如下：

1)应用霍尔效应原理开发的新一代电流传感器，能在电隔离条件下测量直流、交流、脉冲以及各种不规则波形的电流。

2)失调电流为±0.2mA，失调电流漂移≤±0.005mA/℃，线性度≤0.1％FS，响应时间≤100A/us，-3dB带宽0-200kHz。

隔离放大器AD210的主要技术参数如下：

1)AD210提供完整的隔离功能，通过模块内部的变压器耦合提供信号和电源隔离。采用+15V单电源供电，无需外部DC/DC转换器，三端口隔离设计结构允许作为输入或输出隔离器应用于单通道或多通道应用中。

2)AD210提供高精度和完全电流隔离，可中断接地环路和漏电路径，并抑制共模电压和噪声，可以防止可能对测量系统其他部分造成损坏的故障。

3)线性度≤±0.012％，全功率带宽为20kHz，增益漂移≤±25ppm/℃，输入偏移漂移为(±10±30/G)μV/℃，任意两个端口之间具有2500V均方根(连续)和±3500V峰值(连续)共模电压隔离。

更具体地，铁芯电感7具体包括：开气隙硅钢铁芯电感和铁硅铝磁粉芯电感。

具体地，在图6中，为开气隙的硅钢片铁芯电感7结构图，DSP经过谐波检测后，计算得到该交直流混联系统中所含各次谐波的函数，选择若干个谐波信号为基准谐波信号，进而产生相应的控制信号并通过数据总线输出，该信号经过数模转换模块5和功率放大电路之后，控制流过开气隙侧硅钢片铁芯电感7的电流，从而改变硅钢片铁芯电感7的A*T(T为铁芯电感7匝数)参数，进而改变铁芯电感7的AL电感，最终改变可调谐滤波器的谐振点以滤除该特定频段的谐波，达到谐波治理的目的。

出于成本因素的考量，本实施例采用开气隙硅钢铁芯电感作为首选铁芯电感，但也可采用具有较高抗直流偏磁能力的铁芯电感代替，例如铁硅铝磁粉芯电感。

以上为本申请提供的一种可调谐波滤波装置的一个实施例的详细说明，下面为本申请提供的一种可调谐波滤波系统的一个实施例的详细说明。

请参阅图7，本申请第二个实施例提供了一种可调谐波滤波系统，包括：一次侧设备、滤波支路以及如本申请第一个实施例提及的可调谐波滤波装置；

可调谐波滤波装置与一次侧设备的各相电源线路连接；

滤波支路具体包括滤波电容和可调电感，其中，可调电感具体为可调谐波滤波装置中的铁芯电感；

一次侧设备的各相电源线路均串联有一个或多个滤波支路。

需要说明的是，在图7中，为一次侧可调谐滤波器的原理图，一次侧每相电路至少接有一组滤波支路，从而在处理模块的控制下调节可调电感的电感值，从而滤除特定频段的谐波，其中若需要存在多个滤除频段，也可以应增加每相电路的滤波支路的数量。

以上为本申请提供的一种可调谐波滤波系统的一个实施例的详细说明，下面为本申请提供的一种谐波滤除方法的一个实施例的详细说明。

请参阅图8，本申请第三个实施例提供了一种谐波滤除方法，应用于本申请第二个实施例提供的可调谐波滤波系统，包括：

步骤101、获取一次侧设备的电压信号和电流信号；

步骤102、通过双谱线插值FFT算法对电压信号和电流信号进行谐波检测，得到谐波信号；

步骤103、根据预设的谐波频段参数，从各个谐波信号中确定至少一个基准谐波信号，其中，基准谐波信号为频段处于谐波频段参数限定的范围内的谐波信号；

步骤104、根据基准谐波信号，向铁芯电感输出控制电流，使得铁芯电感的电感值改变。

以上，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种可调谐波滤波装置，其特征在于，包括：处理模块、电信号采集模块、模数转换模块、数模转换模块、功率放大器和铁芯电感；

所述电信号采集模块的输出端与所述模数转换模块的输入端连接，所述电信号采集模块用于采集电压信号和电流信号；

所述模数转换模块的输出端与所述处理模块的信号输入端连接，所述处理模块的信号输出端与所述数模转换模块的输入端连接，所述数模转换模块的输出端通过功率放大器与所述铁芯电感连接；

所述处理模块用于通过双谱线插值FFT算法对所述电压信号和所述电流信号进行谐波检测，得到谐波信号，再根据预设的谐波频段参数，从各个所述谐波信号中确定至少一个基准谐波信号，再根据所述基准谐波信号，向所述铁芯电感输出控制电流，使得所述铁芯电感的电感值改变；

其中，所述基准谐波信号为频段处于所述谐波频段参数限定的范围内的所述谐波信号。

2.根据权利要求1所述的一种可调谐波滤波装置，其特征在于，还包括：有源滤波模块；

所述有源滤波模块的输入端与所述电信号采集模块的输出端连接，输出端与所述模数转换模块的输入端连接，用于滤除所述电压信号和所述电流信号中的噪声信号。

3.根据权利要求1所述的一种可调谐波滤波装置，其特征在于，所述电信号采集模块具体包括：隔离放大器和霍尔电流传感器。

4.根据权利要求1所述的一种可调谐波滤波装置，其特征在于，所述铁芯电感具体包括：开气隙硅钢铁芯电感和铁硅铝磁粉芯电感。

5.根据权利要求1所述的一种可调谐波滤波装置，其特征在于，所述处理模块具体为ADSP-21565处理器。

6.根据权利要求3所述的一种可调谐波滤波装置，其特征在于，所述隔离放大器具体为AD210隔离放大器。

7.根据权利要求3所述的一种可调谐波滤波装置，其特征在于，所述霍尔电流传感器具体为TBC-EC霍尔电流传感器。

8.根据权利要求1所述的一种可调谐波滤波装置，其特征在于，所述模数转换模块具体为ADS8598H模数转换器。

9.一种可调谐波滤波系统，其特征在于，包括：一次侧设备、滤波支路和如权利要求1至8任意一项所述的可调谐波滤波装置；

所述可调谐波滤波装置与所述一次侧设备的各相电源线路连接；

所述滤波支路具体包括滤波电容和可调电感，其中，所述可调电感具体为所述可调谐波滤波装置中的铁芯电感；

所述一次侧设备的各相电源线路均串联有一个或多个所述滤波支路。

10.一种谐波滤除方法，应用于如权利要求9所述的一种可调谐波滤波系统，其特征在于，包括：

获取一次侧设备的电压信号和电流信号；

通过双谱线插值FFT算法对所述电压信号和所述电流信号进行谐波检测，得到谐波信号；

根据预设的谐波频段参数，从所述各个谐波信号中确定至少一个基准谐波信号，其中，所述基准谐波信号为频段处于所述谐波频段参数限定的范围内的所述谐波信号；

根据所述基准谐波信号，向所述铁芯电感输出控制电流，使得所述铁芯电感的电感值改变。

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