CN201290008Y - 多功率单元并联式有源电力滤波器 - Google Patents

Abstract

多功率单元并联式有源电力滤波器，包括主控制器和至少两个功率单元，电网的谐波电流输入主控制器，各功率单元并联连接主控制器的输出端，各功率单元的输出端并联至电网，所述功率单元包括独立的三相脉宽调制逆变器，通过光纤与主控制器连接。本实用新型通过多个功率单元直接并联实现大电流输出，提高了补偿能力又无需输出变压器，总体电路结构简单，单个功率单元的散热可以采用目前已有的成熟可靠的风冷方式，具有良好的整体可靠性和可维护性能，并联式的功率单元降低了对电路元件的参数要求，且仍能保证良好的滤波补偿效果；本实用新型适用于大电流的有源电力滤波场合。

Description

多功率单元并联式有源电力滤波器

技术领域

本实用新型属于有源电力滤波器技术领域，具体为一种多功率单元并联式有源电力滤波器。

背景技术

随着当今计算机技术和信息自动化技术的飞速发展，电力系统自动化程度的大大提高，高密度的计算机网络系统，微机化的测控仪器，计算机控制系统，不间断电源，变频器及可控整流电源大量使用在电力系统中。这些装置和系统在提高系统自动化程度和改善系统可靠性的同时也在供电系统中产生了大量的谐波，这些谐波的产生势必极大的降低电能质量，从而引起各种事故的不断发生。如：高压线路的通讯严重干扰，电脑的非正常死机，各种精密加工产品质量的下降，继电保护误动等等。

有源电力滤波器的基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流相反的补偿电流，从而使电网中只含有基波电流。有源电力滤波器不受电网阻抗的影响，且可以对频率和幅值都变化的“准”谐波进行补偿，因而受到广泛的重视。

实际应用中，对电力系统影响较大的谐波源往往来自于那些大功率的负载中，对这些大功率的负载所带来的谐波进行补偿时，要求相应的滤波器也要具有较大的容量。然而目前市场上的大容量电力电子器件存在散热困难，大电流的高频电抗器制作困难等问题，不能满足生产大容量滤波器的需求。

发明内容

本实用新型要解决的问题是：在实际应用中，有源电力滤波器要求大容量，而大容量有源电力滤波器存在散热和高频电抗器制作困难等问题，需要一种散热好、对输出电抗器的要求低的大容量有源电力滤波器。

本实用新型的技术方案是：多功率单元并联式有源电力滤波器，包括主控制器和至少两个功率单元，电网的谐波电流输入主控制器，各功率单元并联连接主控制器的输出端，各功率单元的输出端并联至电网，所述功率单元包括独立的三相脉宽调制逆变器，通过光纤与主控制器连接。

本实用新型主控制器由数字控制板，无源传感器板、电源板和光纤板组成，各板通过母板和母线连接，电源板提供电源，无源传感器板连接电网和各功率单元，测量电网电压、电流和各个功率单元的输出电流、直流侧电容、电压；数字控制板包括DSP芯片、FPGA芯片、AD采样转换电路和对外通讯接口，无源传感器板连接AD采样转换电路，AD采样转换电路的输出连接FPGA芯片，FPGA芯片的输出分别连接光纤板和DSP芯片，光纤板连接各功率单元，DSP芯片连接232/485通讯电路和USB接口电路。AD采样转换电路将电网电压、电流等模拟量转换为数字量；DSP芯片与FPGA芯片根据采样结果分析电网谐波含量、计算补偿量、完成各种保护和通讯数据传输；对外通讯接口包括232/485通讯电路和USB接口电路，232/485通讯电路用来同触摸屏和PC机通讯，完成人机交互的功能；USB接口可用来保存数据。

功率单元由一三相脉宽调制逆变器、一输出电抗器和一滤波电容组成，所述三相脉宽调制逆变器由6个IGBT组成的三相逆变桥及其驱动和控制电路、直流电容组成，三相脉宽调制逆变器的输出端连接输出电抗器和滤波电容。本实用新型中使用的各功率单元结构、参数相同。

本实用新型各功率单元并联，多个独立的三相脉宽调制(PWM)逆变器分别连接一输出电抗器，然后直接并联在一起，对电网的谐波电流进行补偿。每个功率单元都是一致的，可以互换，有源电力滤波器的总容量为所有功率单元容量的总和，所有的功率单元由一个主控制器通过光纤进行统一控制。主控制器负责采样、检测电网中的谐波电流，并运用重复学习BOOST变换控制算法计算出需要补偿的分量，再将补偿量分配给每个功率单元，通过对各个功率单元的载波进行移相控制，可以提高等效开关频率，获得更好的补偿效果；，同时，通过对各个功率单元的直流侧电压进行单独的BOOST控制，可以维持直流电压稳定和一致，减小功率单元之间的环流。

本实用新型有以下优点和积极效果：

1)通过多个功率单元直接并联实现大电流输出，提高了补偿能力又无需输出变压器；

2)电路主结构通过多个功率单元的输出并联，避免了直接制造大容量有源电力滤波器时，需要对多个功率半导体开关器件特别是IGBT的并联使用这个复杂的问题；

3)单个功率单元结构简单、体积小，其散热可以采用目前已有的成熟可靠的风冷方式，无需复杂又昂贵的水冷、油冷方式；

4)输出电流由各个功率单元平均分担，每个功率单元的输出电抗器只承载本功率单元的输出电流，输出电抗器的加工难度大大降低，散热也相对容易；

5)各个功率单元是并联工作的，功率单元的故障不相互影响，可以实现冗余运行，大大提高装置的整体可靠性，且各个功率单元是完全一致的，可以互换，提高了可维护性能；

6)通过对各个功率单元的三角载波进行移相，可以实现交错控制，提高了等效开关频率，获得更好的补偿效果，也可以显著减小开关频率次高频谐波对电网及用电设备的危害；

7)由主控制器对每个功率单元的直流侧电压均单独检测，并通过比例积分(PI)控制进行调节，确保各个功率单元直流侧电压的稳定和一致，进而保证单元之间无环流；

8)由同一个主控制器控制所有的功率单元，共用一套谐波检测电路，避免了谐波检测电路的重复，简化了结构。

本实用新型适用于大电流的有源电力滤波场合。

附图说明

图1为本实用新型原理电路图。

图2为本实用新型的主电路结构图。

图3为本实用新型功率单元的主回路电路图。

图4为本实用新型主控制器框图。

具体实施方式

有源电力滤波器APF的基本工作原理是：检测电网的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中需要补偿的谐波以及无功等电流抵消，最终得到期望的电源电流。如图1所示，有源电力滤波器通过数字控制模块D检测出补偿对象R_L的负载电流i_L的谐波分量，设谐波分量为i_Lh，将其反极性后作为补偿电流的指令，由补偿电流发生电路产生与i_Lh大小相等、方向相反的补偿电流i_AF，从而达到抑制谐波的目的。用公式可以表示如下：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_s=i_L+i_{\mathrm{AF}}\\ i_L=i_{\mathrm{Lf}}+i_{\mathrm{Lh}}\\ i_{\mathrm{AF}}=-i_{\mathrm{Lh}}\\ i_s=i_L+i_{\mathrm{AF}}=i_{\mathrm{Lf}}\end{array}\right.$

式中，i_Lf为负载电流的基波分量，i_s为电网系统电流，可看出经过补偿后，消除了负载电流的谐波分量。

本实用新型多功率单元并联式有源电力滤波器如图2，包括主控制器1和至少两个功率单元2，电网的谐波电流输入主控制器1，各功率单元2并联连接主控制器1的输出端，主控制器1运用重复学习BOOST变换控制算法计算出需要补偿的分量，再将补偿量分配给每个功率单元2，各功率单元2的输出端并联至电网，最终输出的补偿电流i_AF是由多个功率单元共同提供的，所有的功率单元由一个主控制器统一控制，共用一套谐波检测电路。

各个功率单元的三角载波之间可进行移相处理，以达到提高等效开关频率的目的；第n个功率单元的移相角度如下所示：

φ_n＝180°*n/N

N为功率单元总个数，功率单元的个数可以根据实际需要补偿的谐波容量来确定。

本实用新型功率单元的核心是一个三相PWM逆变器，由6个IGBT组成的三相逆变桥及其驱动和控制电路、直流电容C_DC组成，结构如图3所示。例如，针对380V三相交流电网系统，为达到最好的补偿效果，逆变器直流侧电压取1000V，因此可采用3组额定电压为400V的电解电容作为直流电容C_DC串联来承受1000V直流电压，每只电解电容均并联均压电阻R，电解电容的容量根据输出电流大小进行选择。功率单元的工作电源取自其直流侧1000V电压，通过开关电源给各路IGBT驱动和控制电路供电。功率单元通过光纤接收来自主控制器的控制命令和PWM数据，并将其转化为对各个IGBT的控制信号，同时功率单元通过光纤上报自身的工作状态和故障信息。三相PWM逆变器输出侧连接一输出电抗器L_f和一滤波电容C_f，滤波电容C_f用来滤除开关的次高频谐波，减少对电网的干扰。另外，各个功率单元的直流电容C_DC是独立的，其电压是采用BOOST整流的方式向功率单元注入一个有功电流进行控制的，通过比例积分(PI)控制调节该有功电流的大小和方向，即可以维持直流电压的稳定和一致。

本实用新型主控制器结构如图4所示，由数字控制板3，无源传感器板4、电源板5和光纤板6组成，各板通过母板连接在一起，数据交换和模拟量传输均通过母线的方式，便于扩展：

数字控制板3包括DSP芯片31、FPGA芯片32、AD采样转换电路33和对外通讯接口34，对外通讯接口34包括232/485通讯电路和USB接口电路，无源传感器板4连接AD采样转换电路33，AD采样转换电路33的输出连接FPGA芯片32，FPGA芯片32的输出分别连接光纤板6和DSP芯片31，光纤板6连接各功率单元，DSP芯片31连接对外通讯接口34。AD采样转换电路将电网电压、电流等模拟量转换为数字量；DSP芯片与FPGA芯片根据采样结果分析电网谐波含量、计算补偿量、完成各种保护和通讯数据传输；232/485通讯电路用来同触摸屏和PC机通讯，完成人机交互的功能；USB接口可用来保存数据。

无源传感器板4由交流电压互感器、交流电流互感器、直流电压互感器、温度测量电路组成，用来测量系统电压、电流，各个功率单元的输出电流、直流侧电容电压及散热器温度。

电源板5是将220V交流控制电源转换为控制器所需的+5V/±12V直流电压，提供一个稳定可靠的电源。

光纤板6是同各个功率单元进行通讯的接口，主控制器通过光纤下发对功率单元的控制命令和PWM数据，功率单元通过光纤上报自身的工作状态和故障信息。根据功率单元数目的不同，光纤板数量也有变化。

本实用新型所有功率单元由同一个主控制器通过光纤进行统一控制，通过输出电抗器连接到输出母线上，对谐波电流进行补偿。每个功率单元都是一致的，可以互换，容量为滤波器总容量的N分之一，根据需要补偿的容量的不同，功率单元个数可以不同。

本实用新型由一个统一的主控制器控制所有的功率单元，主控制器负责采样、检测电网中的谐波电流，并运用重复学习BOOST变换控制算法计算出需要补偿的分量，再将补偿量分配给每个功率单元，通过对各个功率单元的载波进行移相控制，可以提高等效开关频率，获得更好的补偿效果。在某一个功率单元出现故障的情况下，主控制器可以分开该故障单元的连接开关，其余功率单元仍然正常工作，只是补偿容量有些损失。在有冗余备用功率单元的情况下，主控制器可以切除故障单元、投入备用单元，装置整体的可靠性大大提高。

Claims (6)

1、多功率单元并联式有源电力滤波器，其特征是包括主控制器和至少两个功率单元，电网的谐波电流输入主控制器，各功率单元并联连接主控制器的输出端，各功率单元的输出端并联至电网，所述功率单元包括独立的三相脉宽调制逆变器，通过光纤与主控制器连接。

2、根据权利要求1所述的多功率单元并联式有源电力滤波器，其特征是主控制器由数字控制板，无源传感器板、电源板和光纤板组成，各板通过母板和母线连接，电源板提供电源，无源传感器板连接电网和各功率单元；数字控制板包括DSP芯片、FPGA芯片、AD采样转换电路和对外通讯接口，无源传感器板连接AD采样转换电路，AD采样转换电路的输出连接FPGA芯片，FPGA芯片的输出分别连接光纤板和DSP芯片，光纤板连接各功率单元，DSP芯片连接对外通讯接口。

3、根据权利要求2所述的多功率单元并联式有源电力滤波器，其特征是对外通讯接口包括232/485通讯电路和USB接口电路。

4、根据权利要求1或2或3所述的多功率单元并联式有源电力滤波器，其特征是功率单元由一三相脉宽调制逆变器、一输出电抗器和一滤波电容组成，所述三相脉宽调制逆变器由6个IGBT组成的三相逆变桥及其驱动和控制电路、直流电容组成，三相脉宽调制逆变器的输出端连接输出电抗器和滤波电容。

5、根据权利要求1或2或3所述的多功率单元并联式有源电力滤波器，其特征是所述各功率单元结构、参数相同。

6、根据权利要求4所述的多功率单元并联式有源电力滤波器，其特征是所述各功率单元结构、参数相同。

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