CN202309070U - 模块式有源电力滤波装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公布了一种模块式有源电力滤波装置，包括电流传感器CT、断路器、RC滤波组件、接触器、电抗器、数据采集电路、控制和运算电路以及3～18只功率模块；其中模块式有源电力滤波装置的功率模块包括4只IGBT组成的桥式变流器、电解电容器、电压传感器、霍尔电流传感器以及驱动电路；本实用新型的模块式有源电力滤波装置除了具有传统有源滤波器的功能外，其结构方便生产，适合安装，容量选择灵活，适应大规模生产和加工。

Description

模块式有源电力滤波装置

技术领域

本实用新型涉及一种有源电力滤波装置，特别是一种模块式有源电力滤波装置。 

背景技术

随着电力电子技术的广泛应用和发展，电力系统中的非线性负载日益增多，如整流器、变频器、UPS、家用电器及计算机等。这些非线性负载会产生谐波电流并注入到电网中，使电网中的电压波形产生畸变，从而造成电网的谐波污染。另外，冲击性、波动性负载，如电弧炉、焊接设备等在运行中不仅会产生大量的高次谐波，而且使得电压波动、闪变、三相不平衡日益严重，危害电网的安全运行。 

针对谐波污染传统策略是采用LC滤波装置。但这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生谐振，导致谐波放大，使LC滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定次谐波，补偿效果也不甚理想。 

在电力系统网络中不仅大多数负荷要消耗无功功率，而且大多数网络组件(如各级变压器、线路电抗等)也要消耗无功功率。电力系统中网络组件和负荷需要的无功功率必须从网络中某个地方获得。如果这些所需要的无功功率由发电机提供并经过长距离输送，显然是不合理的，通常也是不可能的；如果这些所需要的无功功率不能及时得到补偿，电力系统的安全运行以及用电设备的安全就会受到影响。因此，无功功率补偿对电力系统有着重要意义。 

目前普遍的无功补偿装置是并联电容器。但是并联电容器组是离散量，无法做无功功率的连续补偿，而且在系统中存在谐波时，还有可能发生并联谐振，使谐波放大，电容器因此烧毁的事故也时有发生。 

谐波问题和无功功率问题是电力系统和电力用户的两个重要的亟待解决问题；另外，电压波动、闪变、三相不平衡等电力系统常见问题危害电网的安全运行，给电力用户造成直接的经济损失。 

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种模块式有源电力滤波装置，可以动态实时的滤除配电网中2到60次谐波，并可瞬时连续吞吐系统无功功率，以提高电能质量，保证电力用户用电安全，节约能源。 

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案： 

一种模块式有源电力滤波装置，其特征在于：所述装置包括电流传感器CT4、断路器5、RC滤波组件6、接触器7、电抗器8、数据采集电路2、控制和运算电路3以及功率模块1。其中功率模块包括4只IGBT组成的H桥变流器10、电解电容器11、电压传感器12、霍尔电流传感器13以及驱动电路9；其中电路传感器CT4接在系统的进线处。断路器5和接 触器7控制装置的开断。RC滤波组件6与系统并联，位于断路器之后。滤波模块与系统并联，位于接触器之后。数据采集电路2将CT4采集的电流信号和系统电压信号传入到控制和运算电路3中；控制和运算电路3通过光纤与功率模块1的驱动电路9相连接。 

其中功率模块1的技术方案之一，包括4只IGBT组成的桥式变流器10、电解电容器11、电压传感器12、霍尔电流传感器13以及驱动电路9。 

上述技术方案的桥式变流器10可以是各由2个结构相同的桥式电路和正负极母线构成，每个桥式电路都包括二个绝缘栅双极型功率管IGBT和二个续流二极管，其中第一绝缘栅双极型功率管IGBT的漏极分别接第一续流二极管的阴极和正极母线，第一绝缘栅双极型功率管IGBT的源极分别接第一续流二极管的阳极、第二绝缘栅双极型功率管IGBT的漏极、第二续流二极管的阴极和电抗器的一端，第二绝缘栅双极型功率管IGBT的源极分别接第二续流二极管的阳极和负极母线，第一、第二绝缘栅双极型功率管的栅极分别接在驱动电路9。 

上述技术方案的装置可以由3～18只功率模块组成，每个功率模块均并联在装置的母线上，相互之间独立工作，由控制和运算电路3控制；首先将系统的电压电流信号转化为数字信号传入到运算和控制电路，控制信号经由光纤传入各个功率模块中，每个模块相互独立，是由一个H桥组成的变流器，接收到由光纤传入的控制信号发出所需要的电流。 

模块式有源电力滤波装置的控制策略是：检测系统电流，分离出其基波和无功成分，输出与系统谐波和无功成分反相的电流，从而达到滤除谐波补偿无功的目的。 

本实用新型的有益效果在于： 

1、采用单相并联模式，然后由统一的控制器控制，方便灵活，适合生产和施工。 

2、补偿后系统电流的THD小于5％，系统功率因数大于0.99，其响应时间小于125us，并且过渡过程平稳可靠，优于传统的控制方法； 

3、提高电能质量，保证电力用户用电安全，节约能源。 

附图说明

图1是模块式有源电力滤波装置整体结构示意图； 

图2是模块式有源电力滤波装置功率模块示意图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本实用新型。 

如附图1所示装置由电流传感器CT4、断路器5、RC滤波组件6、接触器7、电抗器8、数据采集电路2、控制和运算电路3以及功率模块组成。 

其中功率模块如附图2所示，由4只IGBT组成的桥式变流器10、电解电容器11、电压传感器12、霍尔电流传感器13以及驱动电路9组成。 

模块式有源电力滤波装置可以安装3～18只功率模块，由控制和运算电路3通过光纤将 控制信号传到，功率模块1的驱动电路9中。驱动电路9控制变流器10的4只IGBT开断，从而发出与系统电流幅值相同、相位相同、方向相反的电流，从而达到消除谐波的效果。 

功率模块1由4只IGBT和续流二极管构成H结构，该结构由直流电容器11组供电，变流器10通过PI控制方法调节直流电容两端11电压。一般来说直流电压越高，可补偿的谐波次数越高，本装置碍于硬件限制，选取500V作为直流侧电压。 

变流器10在本装置中作为主要执行部件，各桥臂通过PWM控制策略将直流电压加在电抗器8上，从而得到补偿电流。 

在每个开关周期控制电路都会把输出电流信号与指令信号作比较，将误差量加到下个开关周期的指令电流中，保证补偿精度。 

本装置的PWM控制策略采用Deadbeat控制算法。其硬件基础是高性能的双DSP实现。与模拟控制相比，数字化控制具有控制灵活、易改变控制算法和硬件调试方便等优点。这种方法的原理是在每一个开关周期的开始时刻，采样逆变器并网侧产生的电流i，并且预测出下一周期开始时刻逆变器并网侧的电流参考值j，由差值j-i计算出开关器件的开关时间，使i在下一周期开始时刻等于j。这种方法计算量较大，但其开关频率固定、动态响应快的特点十分适用于并网逆变器的数字控制。 

装置的电流检测方测有两种：负载电流检测方法和系统电流检测方法。两种方法可适用于就地补偿和系统集中补偿。就地补偿灵活，可靠性高，不受系统制约；集中补偿作用范围广，对比投资小。 

实验结果表明：本发明提出的有源滤波器补偿后系统电流的THD小于5％，补偿后系统功率因数大于0.99，本装置投入电网时三相电网电流变化的动态过程，其响应时间小于125us，并且过渡过程平稳可靠，优于传统的控制方法。 

相对于传统的滤波和无功补偿设备，模块式有源电力滤波装置是解决电能质量的最完美方案，可从根本上解决电力系统中谐波，功率因数，电压闪变、不平衡等因素，提高电能质量，保证电力系统和电力用户的用电安全。 

Claims (4)

1.一种模块式有源电力滤波装置，其特征在于：所述装置包括电流传感器CT(4)、断路器(5)、RC滤波组件(6)、接触器(7)、电抗器(8)、数据采集电路(2)、控制和运算电路(3)以及功率模块(1)；其中电路传感器CT(4)接在系统的进线处，断路器(5)和接触器(7)控制装置的开断；RC滤波组件(6)与系统并联，位于断路器之后；滤波模块与系统并联，位于接触器之后；数据采集电路(2)将CT(4)采集的电流信号和系统电压信号传入到控制和运算电路(3)中；控制和运算电路(3)通过光纤与功率模块(1)的驱动电路(9)相连接。

2.根据权利要求1所述的模块式有源电力滤波装置，其特征在于：其中功率模块(1)包括4只IGBT组成的桥式变流器(10)、电解电容器(11)、电压传感器(12)、霍尔电流传感器(13)以及驱动电路(9)。

3.根据权利要求2所述的模块式有源电力滤波装置，其特征在于：所述桥式变流器(10)各由2个结构相同的桥式电路和正负极母线构成，每个桥式电路都包括二个绝缘栅双极型功率管(IGBT)和二个续流二极管，其中第一绝缘栅双极型功率管(IGBT)的漏极分别接第一续流二极管的阴极和正极母线，第一绝缘栅双极型功率管(IGBT)的源极分别接第一续流二极管的阳极、第二绝缘栅双极型功率管(IGBT)的漏极、第二续流二极管的阴极和电抗器的一端，第二绝缘栅双极型功率管(IGBT)的源极分别接第二续流二极管的阳极和负极母线，第一、第二绝缘栅双极型功率管的栅极分别接在驱动电路(9)。

4.根据权利要求1或2所述的模块式有源电力滤波装置，其特征在于：由3～18只功率模块组成，每个功率模块均并联在装置的母线上，相互之间独立工作，由控制和运算电路(3)控制。 

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