CN204886186U - 基于谐波抑制和无功补偿的混合控制系统 - Google Patents

基于谐波抑制和无功补偿的混合控制系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种基于谐波抑制和无功补偿的混合控制系统，包括两个电流互感器、电压互感器、电流调理电路、电压调理电路、电压过零捕捉电路和DSP控制板，一个电流互感器连接在电网的负载侧，另一个电流互感器连接在逆变电路与电网之间，两个电流互感器分别通过一电流调理电路连接DSP控制板，电压互感器连接在电网上，并通过电压调理电路连接电压过零捕捉电路，电压过零捕捉电路连接DSP控制板，DSP控制板连接PWM脉冲发生器，DSP控制板为TMS320C6000。与现有技术相比，本实用新型DSP控制板的主频达300MHz，电流跟踪能力极强；可同时实现无功补偿和谐波抑制的功能，改善电能质量的能力非常好。

Description

基于谐波抑制和无功补偿的混合控制系统
技术领域
本实用新型涉及电网技术的电能质量控制领域，尤其是涉及一种基于谐波抑制和无功补偿的混合控制系统。
背景技术
随着社会经济的快速发展，电力系统中非线性用电设备日益增多，尤其是电力电子装置的广泛应用，消耗大量的无功功率，给电网带来许多额外的谐波电流，严重影响电网的供电质量，导致电网的谐波污染和无功缺额越来越严重。电力系统的稳定和可靠运行越来越受到严峻的考验，与此同时，人们对电能质量及可供电可靠性的要求越来越高。如果电能质量的污染得不到治理就会对电网和配电系统造成直接危害，进而对人民生活和生产造成巨大的损失，因此电能质量的治理成为当今电气行业亟待解决的问题，关乎国计民生。
无功功率的存在是电力系统建立以来最大的隐患，其主要是由于电气设备，如变压器、电机等，为达到能量相互转换传输而需要建立和维持的电磁场所产生的，作为能量转换的桥梁，在电源和负荷之间提供电压降落所需电动势，不对外做功。因此无功功率虽然为能量交换、传输提供了必要条件，但同时大量的无功功率在电力系统中流动，会产生大量的损耗，造成电压跌落，影响电能质量，这会使得从发电到供电，及配电整个电力系统产生不良影响，所以对无功功率的有效补偿十分重要。
理想的公用电网所提供的电压应具有单一固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，而且它造成用电设备所处的环境恶化，同时也对周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害。随着电网中谐波污染的日益严重，常常造成一些设备无法正常工作，甚至出现严重事故。目前电力系统谐波已成为影响电能质量的公害，因此，对谐波抑制的研究非常重要。
无论从提高输电网的传输能力，降低损耗，提高系统稳定性，还是从提高供电质量的角度，都需要大量的无功补偿和谐波抑制装置。静止无功发生器(SVG)和有源滤波器(APF)是一种对负载电流能够快速、准确、有效地跟踪补偿的装置，因此，对SVG和APF的混合运用的研究非常重要。
实用新型内容
本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于谐波抑制和无功补偿的混合控制系统，主频达300MHz，电流跟踪能力极强；除此之外，还可以同时实现无功补偿和谐波抑制的功能，改善电能质量的能力非常好，对电能质量控制有重要意义。
本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于谐波抑制和无功补偿的混合控制系统，包括相连接的逆变电路和PWM脉冲发生器，所述逆变电路连接电网，还包括两个电流互感器、电压互感器、电流调理电路、电压调理电路、电压过零捕捉电路和DSP控制板，一个电流互感器连接在电网的负载侧，另一个电流互感器连接在逆变电路与电网之间，两个电流互感器分别通过一电流调理电路连接DSP控制板，所述电压互感器连接在电网上，并通过电压调理电路连接电压过零捕捉电路，所述电压过零捕捉电路连接DSP控制板，所述DSP控制板连接PWM脉冲发生器，所述DSP控制板的型号为TMS320C6000。
所述电流调理电路包括依次连接的电流参数比例缩小电路、滤波电路和限幅电路，所述参数比例缩小电路连接电流互感器，所述限幅电路通过AD转换芯片连接DSP控制板。
所述电压调理电路包括依次连接的电压采样电路、电压参数比例缩小电路、滤波电路和限幅电路，所述电压采样电路连接电压互感器，所述限幅电路连接电压过零捕捉电路。
所述电压过零捕捉电路包括依次连接的滤波电路、限幅电路和电压比较器，所述滤波电路连接电压采集调理电路，所述电压比较器通过AD转换芯片连接DSP控制板。
所述逆变电路为由六个带反并联二极管的IGBT构成的逆变桥，所述IGBT的型号为英飞凌FF150R12RT4。
所述逆变电路的直流侧连接有直流侧电容，逆变电路依次通过滤波电抗器和连接电感连接电网。
还包括连接DSP控制板的电流报警器。
还包括电压报警电路和电压报警器，所述电压报警电路包括依次连接的电压互感器、电压采样电路、电压参数比例缩小电路和AD转换芯片，所述电压互感器设于逆变电路的直流侧，所述AD转换芯片和电压报警器均连接DSP控制板。
还包括温度报警电路和温度报警器，所述温度报警电路包括依次连接的用于检测逆变电路工作温度的温度传感器、滤波电路、电压跟踪器和AD转换芯片，所述AD转换芯片和温度报警器均连接DSP控制板。
与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
1)本实用新型采用SVG和APF的混合控制方式，即通过电流互感器和电压互感器采集电压和负载侧的电流，经过滤波和模数转换后由DSP控制板控制PWM脉冲发生器，进而逆变电路输出相应的补偿电流，可同时实现谐波抑制和无功补偿的作用，改善电能质量的能力非常好，大大降低了工程成本；DSP控制板选用TMS320C6000，主频可以达到300MHz，完全可以处理电力系统中无功补偿和谐波抑制的各种极端情况，且运算速度非常快。
2)电流调理电路、电压调理电路、电压过零捕捉电路中设计了滤波电路和限幅电路，保证电流和电压检测信号的准确度。
3)设计了电流报警器、电压报警器以及温度报警电路，可以实现补充电流的检测报警、逆变电路直流侧与交流侧的电压检测报警以及逆变电路中IGBT的工作温度检测报警，提供了安全性能，便于操作人员及时进行排障检测。
4)结构简单，成本低，将谐波抑制和无功补偿两个功能组合在一起，整个系统体积大大减小，适用于低压小功率系统的要求。
附图说明
图1为本实用新型的拓扑结构图；
图2为本实用新型的简化示意图；
图3为本实用新型中电流调理电路的电路结构示意图；
图4为本实用新型中电压调理电路的电路结构示意图；
图5为本实用新型中电压过零捕捉电路的电路结构示意图。
图中：1、直流侧电容，2、逆变电路，3、滤波电抗器，4、连接电感，5、电网，6、非线性负载，7、电流互感器，8、电压互感器，9、电流调理电路，10、电压调理电路，11、电压过零捕捉电路，12、DSP控制板，13、PWM脉冲发生器，14、电流参数比例缩小电路，15、滤波电路，16、限幅电路，17、电压采样电路，18、电压参数比例缩小电路，19、电压比较器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，一种基于谐波抑制和无功补偿的混合控制系统分为主电路模块、检测模块和驱动模块。主电路模块包括依次连接的直流侧电容1、逆变电路2、滤波电抗器3和连接电感4，连接电感4连接电网5与非线性负载6之间输电线路。检测模块包括两个电流互感器7、电压互感器8、电流调理电路9、电压调理电路10和电压过零捕捉电路11，一个电流互感器7连接在电网5的负载侧，用于采集负载电流，另一个电流互感器7连接在逆变电路2与电网5之间，用于采集补偿电流，两个电流互感器7分别连接一电流调理电路9，电压互感器8连接在电网5上，并通过电压调理电路10连接电压过零捕捉电路11。驱动模块包括DSP控制板12和PWM脉冲发生器13，DSP控制板12分别连接两个电流调理电路9、电压过零捕捉电路11和PWM脉冲发生器13，PWM脉冲发生器13连接逆变电路2。
本系统中DSP控制板12的型号选用TMS320C6000，其是TI公司推出的较为先进且功能强大的可支持64位浮点数字信号处理器，其主频最高可以达到300MHz，全面提高了控制系统的处理速度和控制精度，可以达到工程要求。
其中，电压互感器8通过隔离变压器连接电网5，可以实现一二次电压的完全隔离，检测过程不受网侧的干扰。电流互感器7的型号为LA55-P，该电流互感器7是运用霍尔原理的闭环电流传感器，具有测量精度高、响应速度快、具有良好的线性度以及抗干扰能力强的特点。AD转换芯片的型号可选用AD7329。逆变电路2为由六个带反并联二极管的半导体开关器件IGBT构成的逆变桥，IGBT的型号为英飞凌FF150R12RT4。
通过检测模块，对所需检测的电流和电压信号进行采样，再经过DSP控制板12的一系列运算，计算出谐波无功电流，再与逆变电路2输出电流比较，产生驱动逆变电路2中IGBT的PWM信号，实现控制英飞凌FF150R12RT4开关模块的通断，产生所需要的补偿电流。如图2所示，usa、usb、usc为等效电网5的三相电压，isa、isb、isc为等效电网5的三相电流，ia、ib、ic为非线性负载6的三相负载电流，Udc为逆变电路2直流侧的电压，VTa1、VTa2、VTb1、VTb2、VTc1、VTc2为半导体开关器件IGBT，C为直流侧电容1，uao、ubo、uco为逆变电路2交流侧输出的三相电压，Rs、Ls为等效电抗，ifa、ifb、ifc为三相补偿电流。
如图3所示，电流调理电路9包括依次连接的电流参数比例缩小电路14、滤波电路15和限幅电路16，参数比例缩小电路连接电流互感器7，限幅电路16通过AD转换芯片连接DSP控制板12，其中电流参数比例缩小电路14中采用两个运算放大器U1、U2，滤波电路15采用滤波电容，SIB是B相采集的负载电流、AD_ilb负载电流经过调理后送入AD之前的电流，0.1％是指误差在±0.1％之内。
如图4所示，电压调理电路10包括依次连接的电压采样电路17、电压参数比例缩小电路18、滤波电路15和限幅电路16，电压采样电路17连接电压互感器8，限幅电路16连接电压过零捕捉电路11，其中，电压采样电路17采用采样电阻，电压参数比例缩小电路18中采用两个运算放大器U3、U4，SUB_out是B相采样电压调理前的数值，SUGND_out是采样电压调理前的参考地，RPO_usb是输入电压过零捕捉电路11的电压，1％是指误差在±1％之内，SUB_out与SUGND_out相比较，经过两级运算放达器，结合几个阻抗器件，调理后，得出B相电压的采样值(在±5V之间)。
如图5所示，电压过零捕捉电路11包括依次连接的滤波电路15、限幅电路16和电压比较器19，滤波电路19连接电压采集调理电路，电压比较器19通过AD转换芯片连接DSP控制板12，其中电压比较器19的型号为LM311，AD_usb是B相经过调理后送入AD之前的电压，工作原理：电压调理电路10产生的电压波形是正弦波，经过电压过零捕捉电路11后，产生只有正负两个值的矩阵波，而DSP控制板12通过接收这两值来确定正负切换点，从而算出电压过零点。
直流侧电容1的主要功能是稳定直流侧电压和储能，理论上电容值越大越好，在考虑设计成本整个系统的体积(容量越大，体积越大)之后，依据相关经验公式，最后选择用10个容量为1000uf，耐压值是450V的电容，现将五个并联起来，剩下五个并联，再将两组并联电容串联这样得到总的耐压值为900V。
同时，DSP控制板12还连接有电流报警器、电压报警电路、电压报警器、温度报警电路和温度报警器。当电流互感器7检测的补偿电流过大或过小时，电流报警器接收DSP控制板12的信号进行报警；电压报警电路包括依次连接的电压互感器8、电压采样电路17、电压参数比例缩小电路18和AD转换芯片，电压互感器8设于逆变电路2的直流侧，AD转换芯片和电压报警器均连接DSP控制板12，当逆变电路2输入电网侧的电压或直流侧的电压过大或过小时，电压报警器接收DSP控制板12的信号进行报警，同时还可以在逆变电路2直流侧设置电压互感器8，将该逆变电路2直流侧电压信号传给DSP控制板12来进行监测报警；IGBT作为半导体开关器件，设有散热片，温度报警电路包括依次连接的用于检测逆变电路2工作温度的温度传感器、滤波电路15、电压跟踪器和AD转换芯片，温度传感器设于散热片上，AD转换芯片和温度报警器均连接DSP控制板12，从而DSP控制板12可以对温度信号进行监测和报警。

Claims (9)

1.一种基于谐波抑制和无功补偿的混合控制系统，包括相连接的逆变电路和PWM脉冲发生器，所述逆变电路连接电网，其特征在于，还包括两个电流互感器、电压互感器、电流调理电路、电压调理电路、电压过零捕捉电路和DSP控制板，一个电流互感器连接在电网的负载侧，另一个电流互感器连接在逆变电路与电网之间，两个电流互感器分别通过一电流调理电路连接DSP控制板，所述电压互感器连接在电网上，并通过电压调理电路连接电压过零捕捉电路，所述电压过零捕捉电路连接DSP控制板，所述DSP控制板连接PWM脉冲发生器，所述DSP控制板的型号为TMS320C6000。
2.根据权利要求1所述的基于谐波抑制和无功补偿的混合控制系统，其特征在于，所述电流调理电路包括依次连接的电流参数比例缩小电路、滤波电路和限幅电路，所述参数比例缩小电路连接电流互感器，所述限幅电路通过AD转换芯片连接DSP控制板。
3.根据权利要求1所述的基于谐波抑制和无功补偿的混合控制系统，其特征在于，所述电压调理电路包括依次连接的电压采样电路、电压参数比例缩小电路、滤波电路和限幅电路，所述电压采样电路连接电压互感器，所述限幅电路连接电压过零捕捉电路。
4.根据权利要求1所述的基于谐波抑制和无功补偿的混合控制系统，其特征在于，所述电压过零捕捉电路包括依次连接的滤波电路、限幅电路和电压比较器，所述滤波电路连接电压采集调理电路，所述电压比较器通过AD转换芯片连接DSP控制板。
5.根据权利要求1所述的基于谐波抑制和无功补偿的混合控制系统，其特征在于，所述逆变电路为由六个带反并联二极管的IGBT构成的逆变桥，所述IGBT的型号为英飞凌FF150R12RT4。
6.根据权利要求1所述的基于谐波抑制和无功补偿的混合控制系统，其特征在于，所述逆变电路的直流侧连接有直流侧电容，逆变电路依次通过滤波电抗器和连接电感连接电网。
7.根据权利要求1所述的基于谐波抑制和无功补偿的混合控制系统，其特征在于，还包括连接DSP控制板的电流报警器。
8.根据权利要求1所述的基于谐波抑制和无功补偿的混合控制系统，其特征在于，还包括电压报警电路和电压报警器，所述电压报警电路包括依次连接的电压互感器、电压采样电路、电压参数比例缩小电路和AD转换芯片，所述电压互感器设于逆变电路的直流侧，所述AD转换芯片和电压报警器均连接DSP控制板。
9.根据权利要求1所述的基于谐波抑制和无功补偿的混合控制系统，其特征在于，还包括温度报警电路和温度报警器，所述温度报警电路包括依次连接的用于检测逆变电路工作温度的温度传感器、滤波电路、电压跟踪器和AD转换芯片，所述AD转换芯片和温度报警器均连接DSP控制板。
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