CN1750353A - 基于全模拟器件的电力系统谐波抑制方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于全模拟器件的电力系统谐波抑制方法及其装置，涉及电力系统谐波抑止与补偿技术领域。本方法是将采集到的输电线上的电流信号，经模拟器件构成的运算电路分解出所需的谐波补偿指令信号，经驱动电路调制生成谐波电流补偿控制信号，再送入控制补偿产生电路形成谐波补偿电流，注入到电力系统中与其谐波电流相抵消，实现了电力系统谐波的抑制与补偿。本装置由信号采集电路1、正余弦发生电路2、运算及滤波电路3、加法器4、谐波补偿产生电路5组成。由于本发明响应快、实时性强、可靠性高、效果好，能够有效地抑制与补偿电力系统谐波，具有良好的应用前景。

Description

基于全模拟器件的电力系统谐波抑制方法及其装置

技术领域

本发明涉及电力系统谐波抑制与补偿技术领域，特别涉及一种全部采用模拟器件来实现电力系统谐波抑制的方法及其装置。

背景技术

电力系统的谐波问题早在上个世纪20年代和30年代就引起了人们的注意。一般来说，在供用电系统中，总是希望交流电压和交流电流呈现正弦波形。但是，电网中的整流器、变频调速装置、电弧炉以及各种电力电子装置都是非线性负荷，正弦电压施加在这些非线性负荷上时，电流就变为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也产生畸变，变为非正弦波。由于谐波在电力系统中的普遍存在，谐波所造成的危害日趋严重，世界各国都对谐波问题予以充分的重视。

谐波对于电力系统来说，完全是有害的。谐波对公用电网的危害有大致以下几个方面：

①谐波使公用电网中元件产生附加的谐波损耗，降低了发电、输电和用电设备的效率。

②谐波影响各种电气设备的正常工作。使电机产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热；还会使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以致损坏。

③谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，增加了上述危害，并可能引起严重事故。

利用有源滤波器(APF)，即利用可控的功率半导体器件，向电网注入与原有谐波电流幅值相等而相位相反的补偿电流，使电网的总谐波电流为零，是抑制与补偿谐波的有效措施。近年来，有源滤波器的实现通常采用单片机或是基于数字信号处理器。采用这些方法的优点在于谐波检测的精度高，但是响应延时至少有1个周波，而且成本较高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的问题和不足，而提供一种基于全模拟器件的电力系统谐波抑制方法及其装置，即利用模拟器件，实现瞬时无功功率变换，从输电线上检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。

本发明的目的是通过下述方法和装置实现的。

应用电力电子基本原理，基于谐波补偿的基本思想，提出全部采用模拟器件来实现瞬时无功功率变换的构想，实现电力系统谐波电流的检测及补偿。将采集到的输电线上的电流信号，经模拟器件构成的运算电路分解出所需的谐波补偿指令信号，经驱动电路调制生成谐波电流补偿控制信号，再送入控制补偿产生电路形成谐波补偿电流，注入到电力系统中与其谐波电流相抵消，实现了电力系统谐波的抑制与补偿。

一、方法

本方法包括下列步骤：

①设三相电路的电流分别为i_a、i_b、i_c，i_p、i_q分别为瞬时有功电流和瞬时无功电流；

该方法需要用到与a相电网电压e_a同相位的正弦信号sinωt和余弦信号cosωt，则瞬时有功电流信号ip和瞬时无功电流信号iq由下式确定：

$\left[\begin{array}{c}{i}_p\\ i_q\end{array}\right]=C\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]$

其中矩阵

$C=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\sin \mathrm{\ωt}& \sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \sin (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ -\cos \mathrm{\ωt}& -\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\cos (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right]$

则

$i_p=\sqrt{\frac{2}{3}}[i_a\sin \mathrm{\ωt}+i_b\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})+i_c\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})]$

$i_q=\sqrt{\frac{2}{3}}[i_a\cos \mathrm{\ωt}+i_b\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})+i_c\cos (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})]$ (1)

②i_p、i_q经过低通滤波器后，可以得到三相基波正序有功电流和基波无功电流信号

和

将它们进行逆变换后得到基波正序电流信号i_a1f、i_b1f、i_c1f，即

$\left[\begin{array}{c}{i}_{a1f}\\ i_{b1f}\\ i_{c1f}\end{array}\right]=C^{-1}\left[\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{i_p}\\ \stackrel{\‾}{i_q}\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中C^-1为矩阵C的逆矩阵；

③将i_a1f、i_b1f、i_c1f分别减去i_a、i_b、i_c，得到谐波补偿指令信号i_ah、i_bh、i_ch；

④i_ah、i_bh、i_ch经过驱动电路产生脉宽调制谐波电流补偿控制信号；

⑤谐波电流补偿控制信号用于控制补偿产生电路形成谐波补偿电流，注入到电力系统中与其谐波电流相抵消。

二、装置

如图1，本装置由信号采集电路1、正余弦发生电路2、运算及滤波电路3、加法器4、谐波补偿产生电路5组成；

信号采集电路1的输出端分别与正余弦发生电路2、运算及滤波电路3、加法器4的输入端连接；运算及滤波电路3的输入、输出端分别与正余弦发生电路2的输出端、加法器4的输入端连接；加法器4的输出端与谐波补偿产生电路5的输入端连接；

所述正余弦发生电路2由锁相环电路2.1和信号产生电路2.2串联而成；

所述运算及滤波电路3由矩阵C运算电路3.1、低通滤波器3.2、逆矩阵C^-1运算电路3.3依次串联而成；

所述谐波补偿产生电路5由驱动电路5.1、补偿产生电路5.2串联而成；

上述电路均为常用模拟器件实现：

信号采集电路1即一种电压、电流互感器，从电网上采集线路的电压、电流的幅值和相角；

锁相环电路2.1和信号产生电路2.2可选用74HC4046、74HCT4046等，其功能是锁定电网电压的相角并输出对应的正、余弦信号；

低通滤波器3.2采用2阶巴特沃斯型，可利用滤波运算放大器来实现，可选用CF741、CF715等。

加法器4利用运算放大器实现加法运算功能，运算放大器可选用F1456、CF747、CF748等；

驱动电路5.1可选用SG3525等，为补偿电路产生脉宽调制信号；

补偿产生电路5.2可采用半导体器件IGBT实现，产生补偿电流。

本装置工作原理是：

信号采集电路1采集输电线上三相电流、电压信号，电压信号输入正余弦发生电路2，用于产生分别与各相电压同相位的正余弦信号，再与三相电流信号，经由运算及滤波电路3实现该电流信号的瞬时无功功率变换，分解出其直流分量；在加法器4中用三相电流信号减去其相应的直流分量，得到三相电流中的谐波分量，即所需的谐波补偿指令信号，经驱动电路5.1调制生成脉宽调制谐波电流补偿控制信号，再送入控制补偿产生电路5.2，形成与该谐波分量大小相等而极性相反的谐波补偿电流，注入到电力系统中与其谐波电流相抵消，实现电力系统谐波的抑制与补偿。

本发明具有以下优点和积极效果：

①目前还没有采用全模拟器件制作的电力系统有源滤波器，本发明可以填补这方面的空白；

②利用模拟器件来设计有助于提高响应速度，响应时间仅为半个周波，实时性更好；

③谐波补偿效果好，实现的方法简单、体积小，可以完全脱离计算机，使用起来更加方便、灵活。

④采用模拟器件设计的电路更易于模块化。

⑤本发明成本低，易于推广。

由此可见，本发明响应快、实时性强、可靠性高、效果好，能够有效地抑制与补偿电力系统谐波，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本装置的结构框图；

图2为矩阵C运算电路3.1的结构框图；

图3为逆矩阵C^-1运算电路3.3的结构框图。

其中：

1—信号采集电路；

2—正余弦发生电路，

2.1—锁相环电路，2.2—信号产生电路；

3—运算及滤波电路，

3.1—矩阵C运算电路，

3.1.1—第1乘法器，3.1.2—第2乘法器，3.1.3—第3乘法器，

3.1.4—第1加法器，3.1.5—第1放大器；

3.2—低通滤波器；

3.3—逆矩阵C^-1运算电路，

3.3.1—第4乘法器，3.3.2—第5乘法器，3.3.3—第6乘法器，

3.3.4—第7乘法器，3.3.5—第8乘法器，3.3.6—第9乘法器，

3.3.7—第2加法器，3.3.8—第3加法器，3.3.9—第4加法器，

3.3.10—第2放大器，3.3.11—第3放大器，3.3.12—第4放大器；

4—加法器；

5—谐波补偿产生电路，

5.1—驱动电路，5.2—补偿产生电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

①信号采集电路1采集输电线上电流i_a、i_b、i_c及电压信号(包括幅值、相位)，将电压信号通过锁相环电路2.1获得输电线电压信号的相位，该相位值输入信号产生电路2.2，得到相应的正弦sinωt、 $\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{2}\mathrm{\π}),\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{2}\mathrm{\π}),$ 余弦信号cosωt、 $\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π}),\cos (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π}).$

②如图2，矩阵C运算电路3.1的结构是：

第1乘法器3.1.1、第2乘法器3.1.2、第3乘法器3.1.3的输出端分别连接第1加法器3.1.4的输入端，第1加法器3.1.4的输出端连接第1放大器3.1.5的输入端；

第4乘法器3.1.6、第5乘法器3.1.7、第6乘法器3.1.8的输出端分别连接第2加法器3.1.9的输入端，第2加法器3.1.9的输出端连接第2放大器3.1.10的输入端。

所述的加法器是利用运算放大器实现加法运算功能，运算放大器可选用F1456、CF747、CF748等；

所述的乘法器可选用AD834、AD633、MPY634等，实现输入信号的乘法运算；

所述的放大器可选用F1456、CF747、CF748等，实现放大功能。

上述的正弦、余弦信号输入矩阵C运算电路3.1，与信号采集电路1采集到的电流信号共同完成式(1)运算，即将sinωt与 $i_a,\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})$ 与 $i_b,\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})$ 与i_c分别输入第1乘法器3.1.1、第2乘法器3.1.2、第3乘法器3.1.3，所得的三个积输入第1加法器3.1.4相加，所得的和输入第1放大器3.1.5放大，得到瞬时有功电流ip；

将cosωt与 $i_a,\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})$ 与 $i_b,\cos (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})$ 与i_c分别输入第4乘法器3.1.6、第5乘法器3.1.7、第6乘法器3.1.8，所得的三个积输入第2加法器3.1.9相加，所得的和输入第2放大器3.1.10放大，得到瞬时无功电流iq；

③ip和iq输入低通滤波器3.2，滤除交流分量，得到三相基波正序有功电流

和基波无功电流信号

④如图3，逆矩阵C^-1运算电路3.3的结构是：

第7乘法器3.3.1、第8乘法器3.3.2的输入端分别连接第3加法器3.3.7的输入端，第3加法器3.3.7的输出端连接第3放大器3.3.10的输入端；

第9乘法器3.3.3、第10乘法器3.3.4的输入端分别连接第4加法器3.3.8的输入端，第4加法器3.3.8的输出端连接第4放大器3.3.11的输入端；

第11乘法器3.3.5、第12乘法器3.3.6的输入端分别连接第5加法器3.3.9的输入端，第5加法器3.3.9的输出端连接第5放大器3.3.12的输入端。

所述的加法器是利用运算放大器实现加法运算功能，运算放大器可选用F1456、CF747、CF748等；

所述的乘法器可选用AD834、AD633、MPY634等，实现输入信号的乘法运算；

所述的放大器可选用F1456、CF747、CF748等，实现放大功能。

和

输入逆矩阵C^-1运算电路3.3，进行式(2)运算，即将sinωt与 cosωt与 分别输入第7乘法器3.3.1、第8乘法器3.3.2，所得的两个积输入第3加法器3.3.7相加，所得的和输入第3放大器3.3.10放大，得到基波正序电流信号ialf；

将 $\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})$ 与 $\stackrel{\‾}{i_p},\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})$ 与

分别输入第9乘法器3.3.3、第10乘法器3.3.4，所得的两个积输入第4加法器3.3.8相加，所得的和输入第4放大器3.3.11放大，得到基波正序电流信号iblf；

将 $\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})$ 与 $\stackrel{\‾}{i_p},\cos (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})$ 与

分别输入第11乘法器3.3.5、第12乘法器3.3.6，所得的两个积输入第5加法器3.3.9相加，所得的和输入第5放大器3.3.12放大，得到基波正序电流信号iclf。

ialf、iblf、iclf即输电线电流信号中的直流分量。

⑤i_alf、i_alf、i_alf减去信号采集电路1采集到的电流信号在加法器4中实现，得到输电线电流信号中的谐波分量i_ah、i_bh、i_ch，即谐波补偿指令信号。

⑥将i_ah、i_bh、ic_h输入驱动电路5.1，采用三角载波法形成PWM谐波电流补偿控制信号。

⑦PWM谐波电流补偿控制信号输入补偿产生电路5.2，用以控制其生成谐波补偿电流，注入电网抵消谐波电流，最终实现谐波抑制和补偿目的。

Claims (4)

1、一种基于全模拟器件的电力系统谐波抑制方法，其特征在于：

①设三相电路的电流分别为i_a、i_b、i_c，ip、iq分别为瞬时有功电流和瞬时无功电流；

则

$\begin{array}{c}{i}_p=\sqrt{\frac{2}{3}}[i_a\sin \mathrm{\ωt}+i_b\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})+i_c\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})]\\ i_q=-\sqrt{\frac{2}{3}}[i_a\cos \mathrm{\ωt}+i_b\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})+i_c\cos (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})]\end{array}----\left(1\right)$

②i_p、i_q经过低通滤波器后，得三相基波正序有功电流

和基波无功电流信号和 将它们进行逆变换后得基波正序电流信号i_a1f、i_b1f、i_c1f，即

$\left[\begin{array}{c}{i}_{a1f}\\ i_{b1f}\\ i_{c1f}\end{array}\right]=C^{-1}\left[\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{i_p}\\ \stackrel{\‾}{i_q}\end{array}\right]----\left(2\right)$

其中C^-1为矩阵C的逆矩阵；

③将i_a1f、i_b1f、i_c1f分别减去i_a、i_b、i_c，得到谐波补偿指令信号i_ah、i_bh、i_ch；

④i_ah、i_bh、i_ch经过驱动电路产生脉宽调制谐波电流补偿控制信号；

⑤谐波电流补偿控制信号用于控制补偿产生电路形成谐波补偿电流，注入到电力系统中与其谐波电流相抵消。

2、一种基于全模拟器件的电力系统谐波抑制装置，其特征在于：

由信号采集电路(1)、正余弦发生电路(2)、运算及滤波电路(3)、加法器(4)、谐波补偿产生电路(5)组成；

信号采集电路(1)的输出端分别与正余弦发生电路(2)、运算及滤波电路(3)、加法器(4)的输入端连接；运算及滤波电路(3)的输入、输出端分别与正余弦发生电路(2)的输出端、加法器(4)的输入端连接；加法器(4)的输出端与谐波补偿产生电路(5)的输入端连接；

所述正余弦发生电路(2)由锁相环电路(2.1)和信号产生电路(2.2)串联而成；

所述运算及滤波电路(3)由矩阵C运算电路(3.1)、低通滤波器(3.2)、逆矩阵C^-1运算电路(3.3)依次串联而成；

所述谐波补偿产生电路(5)由驱动电路(5.1)、补偿产生电路(5.2)串联而成。

3、按权利要求2所述的装置，其特征在于矩阵C运算电路(3.1)的结构是：

第1乘法器(3.1.1)、第2乘法器(3.1.2)、第3乘法器(3.1.3)的输出端分别连接第1加法器(3.1.4)的输入端，第1加法器(3.1.4)的输出端连接第1放大器(3.1.5)的输入端，得到瞬时有功电流ip；

第4乘法器(3.1.6)、第5乘法器(3.1.7)、第6乘法器(3.1.8)的输出端分别连接第2加法器(3.1.9)的输入端，第2加法器(3.1.9)的输出端连接第2放大器(3.1.10)的输入端，得到瞬时无功电流iq。

4、按权利要求2所述的装置，其特征在于逆矩阵C^-1运算电路(3.3)的结构是：

第7乘法器(3.3.1)、第8乘法器(3.3.2)的输入端分别连接第3加法器(3.3.7)的输入端，第3加法器(3.3.7)的输出端连接第3放大器(3.3.10)的输入端，得到瞬时无功电流iq；

第9乘法器(3.3.3)、第10乘法器(3.3.4)的输入端分别连接第4加法器(3.3.8)的输入端，第4加法器(3.3.8)的输出端连接第4放大器(3.3.11)的输入端，得到基波正序电流信号ib1f；

第11乘法器(3.3.5)、第12乘法器(3.3.6)的输入端分别连接第5加法器(3.3.9)的输入端，第5加法器(3.3.9)的输出端连接第5放大器(3.3.12)的输入端，得到基波正序电流信号ic1f。

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