TWI479783B - 電能質量設備及其控制裝置 - Google Patents

Description

電能質量設備及其控制裝置

本發明涉及一種電能質量設備及其控制裝置。

當今各種功率器件的廣泛應用，在技術和經濟上帶來了一系列方便和效益的同時，使得電網中的污染日益嚴重，最突出的兩個問題是諧波污染問題和無功污染問題。另一方面，現代電子設備對電網電能質量的要求也越來越高，而電網污染的日益加重又將損壞這些敏感的電子設備，從而導致現代電子設備的壽命變得越來越短。

因而，消除諧波污染和無功污染成為電力電子技術中的重要研究課題。為了減少甚至消除諧波和無功對電網的污染，各國相繼提出了“綠色電網”的概念，能夠進行諧波治理和無功補償的各種電能質量設備應運而生。現在，各種電能質量設備得到了前所未有的發展，並且在建築物、鐵路、冶金、軋鋼、機械製造等諧波高污染行業得到了廣泛地應用。並且，隨著大功率開關技術的發展，傳統的無源補償裝置(例如無源裝置電容補償櫃等)正逐漸被有源電能質量設備(例如有源電力濾波器、靜止無功發生器等)所取代，有源電能質量設備已成為發展的主流。

例如，有源電能質量設備的一種典型結構可為：控制裝置對電源 網路的電網或負載資訊進行採樣，得到含有負載的諧波和/或無功分量的指令資訊，以控制電能質量設備的功率開關器件，並將功率開關器件生成的信號回饋到電網。

目前有源電能質量設備的控制裝置主要為基於單核的控制裝置。如圖1所示，基於單核的控制裝置由單個處理單元控制電能質量設備的功率開關器件。其特點是：所有電能質量檢測與分析功能和指令跟蹤控制器等都由一個處理單元實現，集成度高。其缺點是：1)由於計算量過大，對處理單元的性能要求較高，運算速度要快；2)功率開關器件的製造成本也較高。

針對現有技術中的上述缺失，本發明提供了一種電能質量設備及其控制裝置。

在本發明的一個方案中，一種電能質量設備的控制裝置包括：採樣分析計算模組，對電源網路進行採樣獲得採樣資訊，並對採樣資訊進行分析計算以輸出指令資訊；N個指令跟蹤控制模組，分別接收指令資訊並對指令資訊進行跟蹤，以輸出N個PWM控制信號從而控制電能質量設備；其中採樣分析計算模組與N個指令跟蹤控制模組基於一同步信號而運行，N個PWM控制信號之間存在預設相位差，其中N為≧2的正整數。

在本發明的另一個方案中，一種電能質量設備包括：上述控制裝置，輸出相互之間存在預設相位差的N個PWM控制信號；N個功率補償模組，N個功率補償模組並聯連接且分別一一對應接收N個PWM控制信號並產生補償電能回饋到電源網路。

使用本發明的控制裝置，在滿足同等性能指標的前提下，降低了單個處理單元的負擔，可以大大降低對處理單元性能的要求。此外，本發明還可降低控制裝置的成本。

100‧‧‧電網

200‧‧‧電能質量設備

201‧‧‧控制裝置

202‧‧‧功率裝置

300‧‧‧負載

圖1是現有技術中的單核控制裝置的示意圖；圖2是根據本發明實施例的電能質量設備的控制裝置的示意圖；圖3是根據本發明實施例的電能質量設備的控制裝置的另一示意圖；圖4是根據本發明實施例的電能質量設備的控制裝置的再一示意圖；圖5是根據本發明實施例的包括移相延時單元和指令跟蹤控制單元的控制裝置的示意圖；圖6是根據本發明實施例的包括移相延時單元和指令跟蹤控制單元的控制裝置的另一示意圖；圖7是根據本發明實施例的延時電路的示例圖；圖8是根據本發明實施例的包括存儲控制單元和指令跟蹤控制單元的控制裝置的又一示意圖；圖9例舉了根據本發明的實施例產生存在預設相位差的PWM控制信號的原理圖；圖10例舉了根據本發明的實施例產生存在預設相位差的PWM控制信號的另一原理圖； 圖11是根據本發明第二方面披露的一電能質量設備的示意圖。

下面結合附圖詳細描述本發明的具體實施例。應當注意，這裡描述的實施例只用於舉例說明，並不用於限制本發明。

本發明的第一方面公開了一種電能質量設備的控制裝置，以下內容用以幫助理解該第一方面披露的電能質量設備的控制裝置。

如圖2所示的一控制裝置的具體實施例，電能質量設備可採用該控制裝置。該控制裝置包括一個採樣分析計算模組和N個指令跟蹤控制模組(第一~第N指令跟蹤控制模組)，其中N為≧2的正整數。其中，採樣分析計算模組可對電源網路進行信號採樣來獲得採樣資訊，並對採樣資訊進行電能質量相關控制參數的分析與計算以得到含有負載的諧波和/或無功分量(即電網中所含有的污染成分)的指令資訊。第一~第N指令跟蹤控制模組分別接收指令資訊，並且對指令資訊進行跟蹤以跟蹤電網負載的變化，從而輸出N個PWM控制信號控制電能質量設備。

如圖2所示，在本發明中，採樣分析計算模組和第一~第N指令跟蹤控制模組基於一同步信號而運行，該同步信號在這些模組之間相互傳遞，以使這些模組之間保持同步，從而第一~第N指令跟蹤控制模組輸出的PWM控制信號之間同頻率但不同相位，但相位差保持不變。

在該控制裝置中，可讓第一~第N指令跟蹤控制模組之間進行交錯並聯控制(Interleave Control)，交錯並聯控制可使第一~第N指令跟蹤控制模組發出的PWM控制信號的相位差同頻率但不同相位 。例如，相鄰兩指令跟蹤控制模組之間的相位差可為360°/N。此種交錯並聯控制的方式有利於減小控制裝置所控制的物件產生的紋波含量。而本發明第一方面所披露的電能質量設備的控制裝置不限於此。

在該控制裝置中，採樣分析計算模組對電源網路所採樣的資訊可以是電網或負載的電流和/或電壓資訊。

在此控制裝置中，採樣分析計算模組及第一~第N指令跟蹤控制模組之間的同步可採用多種方式實現。例如，第一種方式如圖2所示，由採樣分析計算模組產生同步信號，並發送給第一~第N指令跟蹤控制模組，來實現採樣分析計算模組和第一~第N指令跟蹤控制模組之間的同步。或者，第二種方式，可由第一~第N指令跟蹤控制模組的任意一個模組產生同步信號併發送給採樣分析計算模組及其他指令跟蹤控制模組，例如，參見圖3，可由第一指令跟蹤控制模組產生同步信號併發送給採樣分析計算模組及第二~第N指令跟蹤控制模組。或者，第三種方式，參見圖4，也可由單獨的信號發生單元產生同步信號併發送給採樣分析計算模組及第一~第N指令跟蹤控制模組，信號發生單元可位於控制裝置之內而作為控制裝置的一個組成部件，也可位於控制裝置之外而作為控制裝置的配套部件。其他方式在此不再多作一一例舉。

以下對電能質量的控制裝置的第一類實施例進行說明。請參見圖5，每個指令跟蹤控制模組均可包括移相延時單元和指令跟蹤控制單元，移相延時單元接收同步信號，對同步信號進行預設相位差的延時後輸出至指令跟蹤控制單元。其中，經由N個移相延時單元延時後的同步信號之間的相位差可為360°/N。接著，指令跟 蹤控制單元根據接收的同步信號對指令資訊進行跟蹤以輸出PWM控制信號。

或者，如圖6所示，也可為指令跟蹤控制單元接收同步信號和指令資訊，將一控制信號輸出至移相延時單元，移相延時單元將該控制信號延時後輸出存在預設相位差的PWM控制信號。

其中，可省略N個移相延時單元中的某一個移相延時單元，而由剩下的N-1個移相延時單元完成對N個PWM控制信號的延時。此種情況可等效於省略了移相延時單元的指令跟蹤控制模組輸出的PWM控制信號相位延時為0，而成為其他指令跟蹤模組輸出的PWM控制信號的相位延時的計算基準。該方式對本領域普通技術人員而言可以實施，這裡不再贅述。

在本發明中，指令跟蹤控制模組和採樣分析計算模組可為相互之間獨立的晶片，並且N個指令跟蹤控制模組也可為相互之間獨立的晶片。指令跟蹤模組在每一個PWM控制信號的週期至少接收一次同步信號，以增強多個指令跟蹤控制模組輸出的PWM控制信號之間相位差的穩定度。

以上內容涉及的移相延時單元可為硬體延時電路。該N個或N-1個硬體延時電路的具體結構可以相同，也可以不同。以圖5所示移相延時單元所處的位置為例，該硬體延時電路具體可採用RC移相延時電路，如圖7所示。該RC移相延時電路中還包括一信號調理電路(如比較器等)，以使經過RC延時之後的同步信號得以復原。為增強移相延時單元的一致性，N個或N-1個硬體延時電路可選擇相同的電路結構，不同的元件參數以實現對同步信號不同相位 的延時。在第一類實施例的其他實施例中，硬體延時電路具體可採用D觸發器。仍以圖5所示的移相延時單元所處的位置為例，N個移相延時單元包括的數目相異，同一個移相延時單元中多個D觸發器相互串聯。因此移相延時單元的D觸發器數目不同會達到不同相位的延時。採用此種設計的移相延時電路也可實現對同步信號不同相位的延時。當然，在第一類實施例的另外其他的實施例中，移相延時電路也採用其他的硬體電路，例如RC觸發器與D觸發的組合，在此不再贅述。

在電能質量設備的控制裝置的第二類實施例中，指令跟蹤控制模組與以上所介紹第一類實施例中移相延時單元不同，其不採用硬體方式實現延時，而是採用軟體延時方式實現N個指令跟蹤模組輸出的PWM控制信號之間的預設相位差。具體地，如圖8所示，每個指令跟蹤控制模組均可包括存儲控制單元和指令跟蹤控制單元，每個存儲控制單元存儲有對應的PWM控制信號的預設相位，存儲控制單元基於同步信號，控制指令跟蹤控制單元輸出與存儲控制單元存儲的預設相位一致的PWM控制信號。

以一個採樣分析計算模組和兩個指令跟蹤控制模組為例，圖9、圖10例舉了控制裝置的第二類實施例。圖9例舉了由採樣分析計算模組發出同步信號的產生預設相位差PWM控制信號的原理圖。圖10例舉了由指令跟蹤控制模組發出同步信號產生預設相位差PWM控制信號的原理圖。

如圖9或圖10所示，其所示三角波形為PWM載波，PWM載波是產生PWM控制信號的基礎波形，且PWM控制信號的週期與PWM載波是相同的，即PWM控制信號與PWM載波是同頻率的。這些特點為本領域 人員所熟知的，在此不多費筆墨進行說明。如圖9或圖10所示，指令跟蹤模組在每一個PWM控制信號的週期至少接收一次同步信號，以增強多個指令跟蹤控制模組輸出的PWM控制信號之間相位差的穩定度。在第三類實施例的其他實施例中，該同步信號可在一PWM載波信號的一個週期或整數倍週期的任意時刻發出，例如在PWM載波信號的一個週期或整數倍週期的開始時刻發出(如圖9和圖10所示)，而不限於此。

如圖9所示，採樣分析計算模組在每個PWM載波週期的谷點發出同步信號，並觸發中斷，隨後進入中斷服務程式。在中斷服務程式中，首先獲取電源網路的採樣值，然後進行分析與計算，最後將解析出來的指示抑制和/或補償電能的指令資訊發送出去。

第一指令跟蹤控制模組收到由採樣分析計算模組發送的同步信號時，會自動將其PWM載波的幅值和相位更新為週期谷值(0)，從而觸發中斷，進入中斷服務程式。在中斷服務程式中，首先接收由採樣分析計算模組上一個開關週期所發送的指令資訊，然後進行指令跟蹤控制。

第二指令跟蹤控制模組收到由採樣分析計算模組發送的同步信號時，會自動將其PWM載波的幅值和相位更新為週期峰值(P)，從而於週期谷點觸發中斷，隨後進入中斷服務程式。第二指令跟蹤控制模組的中斷服務程式與第一指令跟蹤控制單元基本相同。

從圖9可以看出，由於第二指令跟蹤控制模組的PWM載波的幅值和相位更新為週期峰值，並於週期谷點觸發中斷，從而比第一指令跟蹤控制模組延遲了半個週期，即其基於此PWM載波調製出來的 PWM控制信號與第一指令跟蹤控制模組基於的PWM載波調製出的PWM控制信號正好相差180°，從而實現了二者的交錯並聯控制。若在圖9所示的實施例中增加一個指令跟蹤控制模組，此時該控制裝置包括一個採樣分析計算模組和三個指令跟蹤控制模組時，第一指令跟蹤控制模組可將其PWM載波幅值和相位更新為0，第二指令跟蹤控制模組可將其PWM載波幅值更新為2P/3，相位處於上升沿的方向，第三指令跟蹤控制模組可將其PWM載波幅值更新為2P/3，相位處於峰值下降沿的方向。基於此三種PWM載波調製出的PWM控制信號彼此之間相位相差120°。以此類推，N個PWM載波信號之間的預設相位差均為360°/N，實現了N個指令跟蹤控制模組的交錯並聯控制。

如圖10所示，第一指令跟蹤控制模組在每個PWM載波週期的谷點發出同步信號，並觸發中斷，隨後進入中斷服務程式。在中斷服務程式中，首先接收由採樣分析計算模組上一個開關週期所發送的指令，然後進行指令跟蹤控制。

採樣分析計算模組收到由第一指令跟蹤控制模組發送的同步信號時，會自動將其PWM載波幅值和相位對應於週期峰值(P)，進入中斷服務程式。在中斷服務程式中，首先獲取電源網路的採樣值，然後進行分析與計算，最後將解析出來的指示抑制和/或補償電能的指令發送出去。

第二指令跟蹤控制模組收到由第一指令跟蹤控制單元發送的PWM脈衝同步信號時，也會自動將其PWM載波幅值和相位更新為對應於週期峰值(P)，並於週期谷點觸發中斷，隨後進入中斷服務程式。第二指令跟蹤控制模組的中斷服務程式與第一指令跟蹤控 制單元的完全一樣。

從圖10可以看出，由於第二指令跟蹤控制模組的PWM載波幅值和相位被更新為對應於週期峰值，並於週期谷點觸發中斷，從而比第一指令跟蹤控制模組延遲了半個週期，使得調製出來的PWM控制信號的波形與第一指令跟蹤控制模組基於其PWM載波調製出的PWM控制信號正好相差360°/2，從而實現了二者的交錯並聯控制。與圖9類似的，N個PWM載波信號之間的預設相位差均為360°/N，實現了N個指令跟蹤控制模組的交錯並聯控制。

本發明第一方面披露的電能質量設備的控制裝置的採樣分析計算模組和指令跟蹤控制單元可由DSP、單片機、CPU、ARM等微處理器、大型積體電路(FPGA/CPLD/…)、類比或數位電路來實現。在該控制裝置中，由採樣分析計算模組或N個指令跟蹤控制模組中的任意一個模組發出PWM載波頻率的同步信號，統一節拍，保證所有處理單元的同步運行，利於提高系統的即時性和可靠性。

本發明第一方面提供的控制裝置相對於傳統的控制裝置而言，降低了單個處理單元的負擔，對處理單元性能的要求有所降低。在滿足同等性能指標的前提下(如：開關頻率30kHz，且同時補償12次以上諧波等)，由性能較低的多個處理單元代替傳統技術中的單個處理單元組成的系統來實現，利於降低控制裝置的成本。其中，每個處理單元按不同的角色進行分工，分別完成系統的一部分功能，從而起到化整為零的效果，可以大大降低對處理單元性能的要求。

本發明的第二方面公開了一種電能質量設備，以下內容用以幫助 理解該第二方面披露的電能質量設備。

以圖11為例，本發明第二方面公開的電能質量設備200可包括控制裝置201和與之相連的功率裝置202。功率裝置202包括彼此並聯的第一功率補償模組~第N功率補償模組，功率補償模組的數目與控制裝置201中的指令跟蹤控制單元的數目相等。控制裝置的N個指令跟蹤控制單元分別接收採樣分析計算模組的指令資訊，為防止諧波流入電網並對電網造成污染，對指令資訊進行跟蹤，對應地輸出N個PWM控制信號。該N個PWM控制信號一一對應控制第一功率補償模組~第N功率補償模組。N個指令跟蹤控制模組輸出的PWM脈衝信號在相位上互差360°/N，從而實現對N套獨立功率補償模組的交錯並聯控制。N個指令跟蹤控制模組分別控制N路獨立的功率補償模組，由N路功率補償模組並聯以輸出大功率電流。從而，N路功率補償模組相應地採用多個小電感和/或電容(常規器件)等元件來代替構成單個功率回饋器件所使用的大電感和/或電容等元件，可降低成本，利於散熱。在圖11所例舉的電能質量設備200對電源網路的電網進行採樣。在本發明第二方面描述的電能質量設備的其他實施例中，電能質量設備200也可對電源網路的負載進行採樣。

如圖11所示，電能質量設備200與負載300並聯接入電網，控制裝置201的採樣分析計算模組對電源網路的電網100進行採樣獲得採樣資訊，並對採樣資訊進行分析計算以輸出指令資訊；N個指令跟蹤控制單元接收指令資訊同時基於一同步信號控制第一功率補償模組~第N功率補償模組，該第一功率補償模組~第N功率補償模組輸出補償電能(例如與負載的諧波電流大小相等、方向相反的 諧波電流)回饋至電網，以補償與電網連接的非線性負載或其它類型負載所產生的諧波或無功，使流入電網的電能只含基波分量，從而實現減少甚至消除諧波和無功對電網的污染。並且，其中採樣分析計算模組與N個指令跟蹤控制模組基於同步信號而運行，N個指令跟蹤控制模組輸出的N個PWM控制信號之間存在預設相位差。然而，此電能質量設備200的其它實施例中，電能質量設備200還可以與負載300串聯接入電網。此外，實際應用中還可以在負載300設置電能質量設備來檢測電源網路。

在本發明第二發明披露的電能質量設備中，該功率補償模組可為單相功率補償模組或三相功率補償模組。上述功率補償模組可為功率開關器件。電能質量設備可為APF(Active Power Filter有源濾波器)、SVG(Static Var Generation靜止無功發生器)、DVR(Dynamic Voltage Regulator動態電壓調節器)等。

上面以實施例對本發明進行了說明，但需要說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而並非是對本發明保護範圍的限制。儘管參照以上實施例對本發明作了盡可能詳盡的說明，但本領域的技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，仍然屬於本發明技術方案的實質和範圍。只要對本發明所做的任何改進或變型，均應屬於本發明權利要求主張保護的範圍之內。

Claims (17)

1. 一種電能質量設備的控制裝置，包括：一採樣分析計算模組，對一電源網路進行採樣獲得一採樣資訊，並對該採樣資訊進行分析計算以輸出一指令資訊；N個指令跟蹤控制模組，分別接收該指令資訊並對該指令資訊進行跟蹤，以輸出N個PWM控制信號從而控制該電能質量設備，其中該採樣分析計算模組與N個該指令跟蹤控制模組基於一同步信號而運行，該N個PWM控制信號之間同頻率且存在預設相位差，其中N為≧2的正整數。
2. 如申請專利範圍第1項所述的控制裝置，其中N個該PWM控制信號之間的預設相位差均為360°/N。
3. 如申請專利範圍第1項所述的控制裝置，其中該同步信號由該採樣分析計算模組產生，並發送到N個該指令跟蹤控制模組。
4. 如申請專利範圍第1項所述的控制裝置，其中該同步信號由N個該指令跟蹤模組之一產生，並發送到其他N-1個該指令跟蹤模組和該採樣分析計算模組。
5. 如申請專利範圍第1項所述的控制裝置，其中該採樣分析計算模組及該N個指令跟蹤控制模組接收由一信號發生單元發出的該同步信號。
6. 如申請專利範圍第1項所述的控制裝置，其中每個該指令跟蹤控制模組均包括一移相延時單元和一指令跟蹤控制單元，該移相延時單元接收該同步信號，對該同步信號進行預設相位差的延時後 輸出至該指令跟蹤控制單元；該指令跟蹤控制單元根據接收的該同步信號對該指令資訊進行跟蹤以輸出該PWM控制信號。
7. 如申請專利範圍第6項所述的控制裝置，其中N個該移相延時單元延時後的同步信號之間的相位差為360°/N。
8. 如申請專利範圍第1項所述的控制裝置，其中每個該指令跟蹤控制模組均包括一移相延時單元和一指令跟蹤控制單元，該指令跟蹤控制單元接收該同步信號和該指令資訊，並將一控制信號輸出至該移相延時單元，該移相延時單元將該控制信號延時後輸出存在該預設相位差的該PWM控制信號。
9. 如申請專利範圍第6或8項所述的控制裝置，其中該移相延時單元為一RC移相延時電路或一D觸發器單元。
10. 如申請專利範圍第1項所述的控制裝置，其中每個該指令跟蹤控制模組均包括一存儲控制單元和一指令跟蹤控制單元，該存儲控制單元存儲有對應的PWM控制信號的預設相位，該存儲控制單元基於該同步信號，控制該指令跟蹤控制單元輸出與該存儲控制單元存儲的預設相位一致的該PWM控制信號。
11. 如申請專利範圍第1項所述所述的控制裝置，其中該指令跟蹤控制模組和該採樣分析計算模組為相互之間獨立的晶片，N個該指令跟蹤控制模組為相互之間獨立的晶片。
12. 如申請專利範圍第1項所述的控制裝置，其中該指令跟蹤模組每一個該PWM控制信號的每個週期至少接收一次該同步信號。
13. 一種電能質量設備，包括：如申請專利範圍第1項至第12項中任一項申請專利範圍所述的控制裝置，輸出相互之間存在預設相位差的該N個PWM控制信號；N個功率補償模組，該N個功率補償模組並聯連接且分別一一對應 接收該N個PWM控制信號並產生補償電能回饋到該電源網路。
14. 如申請專利範圍第13項所述的電能質量設備，其中該N個PWM控制信號之間的預設相位差均為360°/N。
15. 如申請專利範圍第13項所述的電能質量設備，其中該電源網路包括一電網和一負載；該電能質量設備與該負載並聯/串聯，接入該電網。
16. 如申請專利範圍第13項所述的電能質量設備，其中該功率補償模組為一單相功率補償模組或一三相功率補償模組。
17. 如申請專利範圍第13項所述的電能質量設備，其中該電能質量設備為一有源濾波器、一靜止無功發生器或一動態電壓調節器。