CN2850093Y - 电力系统谐波补偿装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电力系统谐波补偿装置，涉及电力系统谐波抑止与补偿技术领域。本装置由信号采集电路、正余弦发生电路、运算及滤波电路、加法器和谐波补偿产生电路组成，均采用模拟器件。它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。由于本实用新型响应快、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

电力系统谐波补偿装置

技术领域

本实用新型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补偿装置。

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

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的问题和不足，而提供一种电力系统谐波补偿装置，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。

本实用新型的目的是通过下述装置实现的。

本装置由信号采集电路、正余弦发生电路、运算及滤波电路、加法器、谐波补偿产生电路所组成。

上述信号采集电路的输出端分别与正余弦发生电路、运算及滤波电路、加法器的输入端连接；运算及滤波电路的输入、输出端分别与正余弦发生电路的输出端、加法器的输入端连接；加法器的输出端与谐波补偿产生电路的输入端连接。

上述正余弦发生电路由锁相环电路和信号产生电路串联而成。

上述运算及滤波电路由矩阵C运算电路、低通滤波器、逆矩阵C^-1运算电路依次串联而成；

上述谐波补偿产生电路由驱动电路、补偿产生电路串联而成；

上述电路均为常用模拟器件实现：

上述矩阵C运算电路的结构是：

第1乘法器、第2乘法器、第3乘法器的输出端分别连接第1加法器的输入端，第1加法器的输出端连接第1放大器的输入端，得到瞬时有功电流ip；

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

上述逆矩阵C^-1运算电路的结构是：

第7乘法器、第8乘法器的输入端分别连接第3加法器的输入端，第3加法器的输出端连接第3放大器的输入端，得到基波正序电流信号ia1f；

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

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

本装置工作原理是：

信号采集电路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，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，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。

本实用新型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，本实用新型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本实用新型成本低，易于推广。

由此可见，本实用新型响应快、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。

ip—瞬时有功电流；iq—瞬时无功电流； —基波正序有功电流； —基波无功电流信号；ia1f、ib1f、ic1f—基波正序电流信号。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

如图1所示，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；正余弦发生电路2中锁相环电路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；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叫运算电路3.3所组成，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，实现基波正序信号与数据采集电路1所采集的输电线电流信号的减法，从而得到输电线电流信号中的谐波信号，即谐波补偿信号；电流谐波补偿产生电路5中驱动电路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。

如图2所示，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。

将正弦、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；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；再将瞬时有功电流ip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

如图3所示，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。

将得到的三相基波正序有功电流 和基波无功电流信号

输入逆矩阵C^-1运算电路3.3，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ia1f；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ib1f；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ic1f。

ia1f、ib1f、ic1f即输电线电流信号中的直流分量。

将ia1f、ib1f、ic1fi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ia1f、ib1f、ic1fi，即谐波补偿指令信号，再将ia1f、ib1f、ic1f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。

将PWM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 (3)

1、一种电力系统谐波补偿装置，其特征在于：它由信号采集电路(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)所组成；

所述信号采集电路(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。

2、根据权利要求1所述的电力系统谐波补偿装置，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。

3、根据权利要求1所述的电力系统谐波补偿装置装置，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，得到基波正序电流信号ia1f；

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。