有源電力濾波器的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及電力系統領域，具體公開一種有源電力濾波器，包括可插取式安裝于柜體內的DSP開發板、有計算機電路、逆變主電路及驅動電路；計算機電路通過一電流互感器連接于三相電與負載之間，該計算機電路另一端與驅動電路之間通過DSP開發板相連接；逆變主電路一端與驅動電路相連接，逆變主電路另一端連接有直流電容，直流電容通過一電源變換器與驅動電路相連接；三相電與負載之間還連接有一斷路器，斷路器依次串聯連接有熔斷器、第一電抗器及第二電抗器；第一電抗器與第二電抗器之間連接有預充電電阻及預充電接觸器，第二電抗器與逆變主電路相連接。本實用新型采用模塊化設計，維護過程不影響其他模塊正常運行，且可實現對電力諧波的動態、快速、徹底治理。
【專利說明】有源電力濾波器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及電力系統領域，尤其涉及一種電力濾波器。
【背景技術】
[0002]有源電力濾波器(APF)是一種用于動態抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能夠對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償。第一代有源電力濾波器為一體式結構，主電路由逆變單元、軟起電阻、主接觸器、LCL濾波器組成，單柜額定容量確定,主電路中的電氣元件都確定，如果用戶需要擴容不便，此時就需要更換有源電力濾波器體內所有的電氣元件或者直接更換整個有源電力濾波器柜體。第一代有源電力濾波器體中任何一個電氣元件損壞，整個有源電力濾波柜均處于停機狀態；此時則需要停電維修，影響正常生產、生活。
[0003]再者，第一代有源電力濾波器內，主電路由逆變單元、軟起電阻、主接觸器、LCL濾波器組成，發熱元件為逆變單元中的IGBT、LCL濾波器中的濾波電感和阻尼電阻。逆變單元中IGBT下方常常有一個很大的散熱片，IGBT功率密度大，熱容量不高，常常發生IGBT模塊過溫，如果IGBT過溫保護不住，經常失效炸毀。
[0004]第一代有源電力濾波器容量多大，就采用對應額定電流的電抗器，目前國內能把單個電抗器額定電流350A做好的廠家幾乎沒有，所以電抗器的可靠性不高，現場實際運行情況，經常遇到電抗器過溫故障甚至燒毀。同時，LCL中的阻尼電阻一般為波紋電阻，正常工作時超過120°C，這在機柜內是有源電力濾波器的隱患，這個高溫發熱源導致柜內線材老化嚴重，當有源電力濾波器系統與電網諧振時，阻尼波紋電阻發熱嚴重，經常燒毀，甚至出現明火。
[0005]此外，第一代有源電力濾波器廠家控制系統一般采用DSP+FPGA，經過運算后把指令送個FPGA，整個過程通訊延時長，程序容易跑飛。
實用新型內容
[0006]本實用新型的目的在于，提出一種有源電力濾波器，其采用模塊化設計，維護過程不影響其他模塊正常運行，且可實現對電力諧波的動態、快速、徹底治理。
[0007]為實現上述目的，本實用新型提供了一種有源電力濾波器，其包括:可插取式安裝于柜體內的DSP開發板，還包括有計算機電路、逆變主電路及驅動電路；所述計算機電路一端通過一電流互感器連接于一個三相電與負載之間，該計算機電路另一端與驅動電路之間通過DSP開發板相連接；逆變主電路一端與驅動電路相連接，該逆變主電路另一端連接有直流電容，該直流電容通過一電源變換器與驅動電路相連接；所述三相電與負載之間還引出連接有一斷路器，該斷路器依次串聯連接有熔斷器、第一電抗器及第二電抗器；該第一電抗器與第二電抗器之間連接有并聯設置的預充電電阻及預充電接觸器，該第二電抗器另一端與逆變主電路相連接。
[0008]其中，所述計算機電路內包括有指令電流運算電路。[0009]特別的，所述DSP開發板采用雙DSP結構，該DSP開發板上設有兩個DSP處理器，指令電流運算電路與其中一個DSP處理器電性連接。
[0010]選擇性的，所述DSP處理器可以采用TI公司的TM320系列數字信號處理器。
[0011]優選的，所述DSP處理器采用TM320C31數字信號處理器。
[0012]具體的，所述逆變主電路采用三相全控橋電路作為補償電路，該逆變主電路采用電壓型變流器作為IGBT逆變器。
[0013]再者，所述驅動電路內包括有依次連接的一級反相器、光電隔離電路及PWM變流器驅動電路，所述一級反相器與DSP處理器相連接，PWM變流器驅動電路與逆變主電路相連接。
[0014]本實用新型中，所述PWM變流器驅動電路可以采用IR公司的IR2110高壓浮動驅動集成驅動電路。
[0015]本實用新型的有源電力濾波器，其采用模塊化設計，任何一個電氣元件損壞只會影響當前模塊運行，有源電力濾波器柜體內其他模塊正常運行，不會導致整個有源電力濾波器癱瘓；維護時只需把故障有源電力濾波器模塊從柜體中抽出，更換上新的有源電力濾波器模塊，整個維護時間不超過10分鐘，維護過程無需停電，不影響正常生產生活；同時，其降低了每個IGBT的開關應力和開關損耗，無需調用程序，不會出現程序跑飛的情況，且整個數據傳輸都為光信號，不會受到電磁干擾，在信號衰減方面，傳輸衰減遠小于傳統排線傳輸。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0017]圖1為本實用新型有源電力濾波器一種具體實施例的電路連接示意圖；
[0018]圖2為本實用新型中脈沖發生器一種具體實施例的結構框圖。
【具體實施方式】
[0019]下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0020]如圖1所示，本實用新型提供一種有源電力濾波器，其包括:可插取式安裝于柜體內的DSP開發板10，還包括有計算機電路20、逆變主電路及驅動電路40 ;所述計算機電路20 一端通過一電流互感器(CT) 22連接于一個三相電50與負載60之間，該計算機電路20另一端與驅動電路40之間通過DSP開發板10相連接；逆變主電路一端與驅動電路40相連接，該逆變主電路另一端連接有直流電容32，該直流電容32通過一電源變換器34與驅動電路40相連接；所述三相電50與負載60之間還引出連接有一斷路器51，該斷路器51依次串聯連接有熔斷器52、第一電抗器53及第二電抗器54 ;該第一電抗器53與第二電抗器54之間連接有并聯設置的預充電電阻55及預充電接觸器56，該第二電抗器54另一端與逆變主電路相連接。本實用新型的有源電力濾波器，其采用模塊化的設計，所有電器元件均設置于一 DSP開發板10上，任何一個電器元件損壞只會影響當前模塊運行，有源電力濾波器柜體內其他模塊正常運行，不會導致整個有源電力濾波器癱瘓。維護時，只需要將故障模塊即DSP開發板10從柜體中抽出，更換上新的有源電力濾波器模塊，整個維護時間不超過10分鐘，維護過程無需停電，不影響正常生產生活。其中，所述計算機電路20內包括有指令電流運算電路，該指令電流運算電路用于實時監視線路中的電流，并將模擬電流信號轉換為數字信號。所述電流互感器22是由閉合的鐵心和繞組組成，其與變壓器類似也是根據電磁感應原理工作，變壓器變換的是電壓而電流互感器變換的是電流。該電流互感器22是電力系統中獲取電氣一次回路電流信息的傳感器，其可以把數值較大的一次電流通過一定的變比轉換為數值較小的二次電流，用來進行保護、測量等用途。特別的，本實用新型的控制系統采用雙DSP結構，即所述DSP開發板10上采用雙DSP結構設置，該DSP開發板10上設有兩個DSP處理器(未圖示)，指令電流運算電路與其中一個DSP處理器電性連接。該兩個DSP處理器中，其中一個用來完成數據處理、控制與高層保護功能；另一個DSP處理器用來產生高精度PWM脈沖。該雙DSP處理器可以實現以下功能:(I)有源電力濾波器的控制，根據檢測出的負荷電流的諧波和無功電流分量控制逆變器的輸出電壓，使有源電力濾波器輸出的補償電流與負荷諧波電流和無功電流之和相互抵消，從而使系統電流為基波正序有功電流。(2)產生觸發脈沖，經驅動電路40控制逆變主電路的導通和關斷產生PWM觸發脈沖，使有源電力濾波器能輸出正確的諧波補償電流。(3)脈沖同步，根據從電網取回的同步脈沖，產生出與電網電壓同步的脈沖信號，使有源電力濾波器輸出的電壓與電網電壓保持同步。(4)自我容錯功能，一旦控制器自身有些元件出現錯誤(如電壓互感器(PT)斷線等)，控制器能立即發現錯誤并報警，同時不使裝置退出運行，故障修復后可以容易地恢復。(5)保護功能，當有源電力濾波器運行在過載或其他不正常狀態下，而電流又沒有超過保護動作的整定值時，控制器能通過保護功能使有源電力濾波器回到正常工作狀態，避免其底層保護動作，從而保證了有源電力濾波器能夠連續正常工作。作為本實用新型的一種選擇性實施例，所述DSP處理器可以采用TI公司的TM320系列數字信號處理器。優選的，所述DSP處理器可以采用TM320C31數字信號處理器。如圖2所示，作為本實用新型的另一種選擇性實施例，可以采用一 TM320C31數字信號處理器和一 TM320C30數字信號處理器共同構成一脈沖發生器，該脈沖發生器的控制器由TM320C31數字信號處理器實現，輸出的控制變量為逆變器輸出電壓的參考值，兩個DSP處理器之間通過雙口 RAM交換數據。同步信號發生電路(圖中簡稱同步電路)完成對電網電壓信號的濾波和整形處理，在正弦信號的每個負向過零點產生向DSP申請外部中斷的窄脈沖。載波值表存儲于片內RAM上，每個中斷周期進行刷新變址寄存器中的數值來更新當前所指表中數據的位置，以便和雙口 RAM中的參考波的幅值進行比較。定時器O由外部同步脈沖觸發并將角度信息值轉化為相應的時鐘周期數加載到定時器I以及串口計數器的周期計數器中，用于觸發計數器和串口中斷程序。與硬件結構相應的軟件結構，系統初始化包括寫控制字、變量賦值、確定存儲地址等。在外部中斷服務程序中啟動定時器0，即執行系統的主程序。以連續兩個負向過零點之間的時間間隔為周期計算出同步信號的頻率，并將其轉化為相應的時鐘周期數。定時器中斷程序主要用來保持觸發脈沖的同步和初始化查表用的變址寄存器，并保存上一次的角度信息。串口中斷程序用來比較參考波與調制波的幅值大小，每次用于比較的參考波為三相幅值，根據比較結果來確定發出的狀態字相應位是I還是O。由于主電路采用三單相橋結構需要6路觸發脈沖，因此狀態字為6位，根據比較結果實時刷新狀態字，狀態字經輸出鎖存器鎖存后即形成連續脈沖。作為本實用新型的其他選擇性實施例，還可以采用TMS32(F0812的DSP控制芯片作為控制器，該TMS32(F0812芯片速度為150M，片內有128K的點可擦寫閃存Flash，作為優化控制的最佳DSP，片內時間管理器模塊極為適合橋式的驅動控制。當然，作為本實用新型的其他實施例，還可以采用DSP+CPLD的全數字化控制系統替換雙DSP的結構設置。
[0021]具體的，所述逆變主電路采用三相全控橋電路作為補償電路，該逆變主電路采用電壓型變流器作為絕緣柵雙極型晶體管(IGBT:1nsulated Gate Bipolar Transistor)逆變器30。具體的，本實用新型中的逆變主電路選用三單相橋式電壓型變流器，通過變壓器與系統耦合，其結構采用三單相橋結構是因為三單相橋的控制可以相互解耦，同時還可用于消除零序分量及其諧波電流，實現不對稱控制。本實用新型中，DSP處理器對負荷側的三相電流、電壓信號以及有源電力濾波器輸出的電流信號進行同步采樣，然后進行數據處理。根據負荷側的電流與電壓值計算出瞬時有功、瞬時無功功率，再經過諧波檢測與分離算法計算出補償電流的參考值，該值與有源電力濾波器實際補償電流的差值通過PI控制環節得到相應的控制信號。一旦有源電力濾波器過流或者過壓，保護裝置動作將IGBT逆變器30封鎖使有源電力濾波器處于封鎖狀態。此時控制器將根據系統狀態和有源電力濾波器本身的狀態進行判斷，如果二者均恢復正常則控制器會選擇適當的時機對有源電力濾波器進行復位，使其恢復到正常運行狀態。過去基于單片機的脈寬調制的實現方案中，由于處理器的指令執行時間較長，而難以保證脈沖精度，且受相位抖動的影響也較顯著。數字信號處理器快速的運算能力使得我們有可能采用微處理器結構實現高精度的脈沖發生器，該方法修改脈沖發生部分的程序即可產生各種類型的PWM脈沖，簡單靈活，有較好的通用性。本實用新型基于IGBT逆變器30的單相橋電壓型逆變器的結構圖和工作原理，其半導體開關為理想開關，則同一橋臂的兩個開關的導通與關斷是互補的(因為同一橋臂的兩個開關不能同時導通，否則將會因橋臂直通而導致直流電源短路)。
[0022]本實用新型中，對于IGBT逆變器30還需要專門的驅動電路40，該驅動電路40內包括有依次連接的一級反相器、光電隔離電路及PWM變流器驅動電路(未圖示)，所述一級反相器與DSP處理器相連接，PWM變流器驅動電路與逆變主電路相連接。驅動電路40將DSP處理器輸出的六路控制信號經過一級反相器的驅動，傳遞到光電隔離電路，光耦輸出6路PWM信號傳遞到PWM變流器驅動電路。作為本實用新型的一種選擇性實施例，所述PWM變流器驅動電路可以采用IR公司的IR2110高壓浮動驅動集成驅動電路，該IR2110高壓浮動驅動集成驅動電路由三個部分組成:邏輯輸入，電平平移及輸出保護，兼有光耦隔離(體積小)和電磁隔離(速度快)的優點。作為本實用新型的另一種選擇性實施例，所述驅動電路40還可以由富士公司的EXB系列中的EXB841驅動器、柵極鎖555延時電路及其他附屬電路組成。EXB系列作為高速系列，最大40KHz運行，驅動IGBT的電壓達到1200V，電流可達300A，驅動電路信號延遲最大1.5us,除此以外，還具有如下特點:內裝用于高隔離電壓的光耦合器，單供電操作，內裝過流保護電路，過流保護輸出，高密度安裝的SIL封裝，適合通用逆變器和電機控制等。
[0023]此外，本實用新型的DSP開發板10還連接有電流采樣電路，該電流采樣電路連接有過零檢測電路及電壓比較電路。所述電流采樣電路檢測電網相關線路電流，然后電流經過電流電壓轉換模塊變為電壓信號；隨后電壓信號經過放大，傳遞給DSP開發板10。所述過零檢測電路及電壓比較電路生成同步信號和倍頻信號。
[0024]本實用新型的有源電力濾波器，指令電流運算電路實時監視線路中的電流，并將模擬電流信號轉換為數字信號，送入DSP處理器對信號進行處理，將諧波與基波分離，并以脈寬調制信號形式向補償電流發生電路送出驅動脈沖，驅動IGBT逆變器30，生成與諧波電流幅值相等、極性相反的補償電流注入電網，對諧波電流進行補償或抵消，主動消除電力諧波，從而實現對電力諧波的動態、快速、徹底治理。本實用新型以60X50HZ (或更高)的采樣頻率對負荷電流、輸出的補償電流及系統電壓進行采樣和A/D轉換。利用諧波分離算法如dq分解法或ab分解法及其它方法對采樣電流進行分解，濾除基波有功分量，保留用作補償所需的諧波電流。然后采用控制算法據電路參數計算出IGBT逆變器30應產生的諧波電壓。將諧波電壓瞬時值送至DSP脈沖發生器，讓脈沖發生器根據諧波電壓瞬時值采用SPWM算法決定IGBT逆變器30開關元件的動作。脈沖發生器根據電壓瞬時值進行SPWM脈沖計算以產生驅動脈沖。
[0025]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種有源電力濾波器，其特征在于，包括可插取式安裝于柜體內的DSP開發板，還包括有計算機電路、逆變主電路及驅動電路；所述計算機電路一端通過一電流互感器連接于一個三相電與負載之間，該計算機電路另一端與驅動電路之間通過DSP開發板相連接；逆變主電路一端與驅動電路相連接，該逆變主電路另一端連接有直流電容，該直流電容通過一電源變換器與驅動電路相連接；所述三相電與負載之間還引出連接有一斷路器，該斷路器依次串聯連接有熔斷器、第一電抗器及第二電抗器；該第一電抗器與第二電抗器之間連接有并聯設置的預充電電阻及預充電接觸器，該第二電抗器另一端與逆變主電路相連接。
2.如權利要求1所述的有源電力濾波器，其特征在于，所述計算機電路內包括有指令電流運算電路。
3.如權利要求2所述的有源電力濾波器，其特征在于，所述DSP開發板采用雙DSP結構，該DSP開發板上設有兩個DSP處理器，指令電流運算電路與其中一個DSP處理器電性連接。
4.如權利要求3所述的有源電力濾波器，其特征在于，所述DSP處理器采用TI公司的TM320系列數字信號處理器。
5.如權利要求4所述的有源電力濾波器，其特征在于，所述DSP處理器采用TM320C31數字信號處理器。
6.如權利要求1所述的有源電力濾波器，其特征在于，所述逆變主電路采用三相全控橋電路作為補償電路，該逆變主電路采用電壓型變流器作為IGBT逆變器。
7.如權利要求3所述的有源電力濾波器，其特征在于，所述驅動電路內包括有依次連接的一級反相器、光電隔離電路及PWM變流器驅動電路，所述一級反相器與DSP處理器相連接，PWM變流器驅動電路與逆變主電路相連接。
8.如權利要求7所述的有源電力濾波器，其特征在于，所述PWM變流器驅動電路采用IR公司的IR2110高壓浮動驅動集成驅動電路。
【文檔編號】H02J3/01GK203690922SQ201320821685
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2013年12月12日 優先權日:2013年12月12日
【發明者】程永忠 申請人:成都榮廣電氣有限公司