本發明屬于電氣設備技術領域，具體涉及一種集有源動態濾波補償、功率因數調節于一體的功率因數控制器。
背景技術：
在電氣設備中，負載設備從電網中吸收電功率(有功)作為電源，或將其轉換為另一種形式的能量，或將其轉換為機械輸出。為此，感性負載通常必須從電網取得非實際所需的無功能量。該能量即使不能立即被轉換為其它形式的能量，也將增大在電網中流動的總功率。若要降低該類負效應帶來的危害，則需在電氣設備中進行功率因數校正。通常使用電容器組進行功率因數校正，在現場提供無功能量以滿足傳輸有功功率的需求。
隨著社會的進步，照明系統、空調系統、電梯、計算機、UPS系統、整流器、逆變器、變頻器、變頻電機等非線性負載的大量應用，基波電流發生畸變產生諧波。而諧波污染嚴重時，不僅會造成經濟損失，還會帶來很多問題，如設備故障率高、設備使用壽命下降、生產率低、系統安全性下降及一些很難查找出原因的問題。若要降低該類負效應帶來的危害，則需在電氣設備中進行濾波。通過使用有源動態濾波器，生成與電網諧波電流幅值相等，極性相反的電流，對諧波進行補償或抵消，達到主動消除電力諧波的目的。
電網中的非線性負載(包括電動機、變壓器等)大部分屬于感性電抗，在運行過程中需要同時向這些設備提供相應的無功功率和諧波濾波。
技術實現要素：
本發明的目的在于解決現有電網運行時中需進行功率因數校正、消除諧波等問題，提供一種集有源動態濾波補償、功率因數調節于一體的功率因數控制器，該功率因數控制器可同步顯示并調節電網中的功率因數和諧波，其技術方案如下：
一種集有源動態濾波補償、功率因數調節于一體的功率因數控制器，包括功率因數調節部分、信號檢測及控制部分以及有源動態濾波補償部分，其特征在于：
所述功率因數調節部分包括用于接收主控制模塊發出的指令并反饋電容故障信息的電容投切模塊，與電容投切模塊相連的故障反饋模塊，與故障反饋模塊相連的動態開關模塊，與動態開關模塊和電源母線相連的電容保護模塊，與電容保護模塊、動態開關模塊以及故障反饋模塊相連的電容器組；
所述信號檢測及控制部分包括與電源母線相連用于監測電力系統主線電流電壓信號的信號監測模塊、與信號監測模塊相連的信號處理模塊、與信號處理模塊相連的主控制模塊；
所述有源動態濾波部分包括與主控制模塊相連的諧波處理模塊，與諧波處理模塊相連用于脈寬調制的脈寬調制模塊，與脈寬調制模塊相連用于生成補償電流的電流補償發生器，與電流補償發生器以及諧波處理模塊相連的監測反饋模塊，與監測反饋模塊相連的預充電模塊，與預充電模塊及電源母線相連的保護模塊。
上述方案中，所述信號監測模塊包含用于采集電壓信號的電壓互感器和用于采集電流信號的電流互感器；所述信號處理模塊包括用于將采集的模擬電流信號轉換成數字信號的模數轉換器；所述主控制模塊包含處理單元、時鐘單元和記錄單元，其中處理單元用于處理數字信號并發出輸出指令，時鐘單元用于計時，記錄單元用于記錄基于時鐘單元的報警信息及電容器組的投切和投入運行總時間。
上述方案中，所述脈寬調制模塊包括基波參考單元、諧波基波對比單元，其中基波參考單元為標準基波波形，用于與諧波對比，諧波基波對比單元用于將諧波基波與基波參考單元對比得到開關信號；所述電流補償發生器包括IGBT、電容器，其中IGBT用于接收脈寬調制模塊發出的開關信號并控制對應的電容器生成幅值相等、極性相反的補償電流，電容器用于提供生成補償電流的電能；所述監測反饋模塊包括電流采集單元、模數轉換器，其中電流采集單元包括用于采集電流信號的電流互感器，模數轉換器用于將采集的模擬電流信號轉換成數字信號并傳遞給高速處理模塊；所述預充電模塊包括預充電電阻、電壓監測模塊、接觸器、電抗器，其中預充電電阻用于對電流補償發生器的電容器進行限流充電，電壓監測模塊用于監測充電后端的電壓，接觸器在充電電壓達到預定值后閉合，電抗器用于限制電流突變；所述保護模塊包括用于限制電流過大的熔斷器。
上述方案中，所述電容投切模塊包含電容投切控制繼電器，用于接受主控制模塊發出的輸出指令并控制電容器組的投切動作及接受故障反饋模塊發來的故障報警信號并傳送給主控制模塊；所述故障反饋模塊包含故障監測器和故障報警繼電器，其中故障監測器用于監測電容器組的投切狀態并反饋故障和報警信號，故障報警繼電器根據故障報警命令進行開啟或關閉命令；所述動態開關模塊包含電容器組投切控制繼電器，用于接收投切指令并進行開啟關閉動作。
該集有源動態濾波補償、功率因數調節于一體的功率因數控制器還包括為主控制器提供工作電源的電源模塊、用于手動輸入指令并將指令發送給主控制模塊的手動輸入模塊、用于顯示電路參數和報警故障信息的顯示模塊、與外界進行數據交換和數據遠程顯示的通訊模塊以及用于信息存儲的數據存儲模塊。
本發明具有以下有益效果：(1)可實時監控電源母線上的電流信號，對電網諧波基波進行分離分析處理，然后進行脈寬調制生成與電網諧波電流幅值相等、極性相反的補償電流，主動消除電力諧波；(2)能夠對補償電流進行實時監測，并將監測數據反饋至高速處理器從而對生成的補償電流進行校正；(3)可實時監控電源母線上的電流電壓信號，計算出當前功率因數并與目標功率因數進行對比，計算出無功補償需量并與當前電容組容量進行對比，最終計算出需要補償的單元并控制相應的補償單元接入，實現根據當前電容組按無功補償需量進行補償的目的；(4)可同步顯示諧波、功率因數等參數。
附圖說明
圖1為本發明集有源動態濾波補償、功率因數調節于一體的功率因數控制器的連接及原理示意圖。
具體實施方式
為使本領域普通技術人員充分理解本發明的技術方案和有益效果，以下結合具體實施例及附圖進行進一步說明。
如圖1所示，一種集有源動態濾波補償、功率因數調節于一體的功率因數控制器，主要由3個功能部分組成：功率因數調節部分、信號檢測及控制部分和有源動態濾波補償部分，其中信號檢測及控制部分是核心，其能夠接受來自電網和其他兩功能部分反饋的信息并進行處理，發出相應的指令進行功率因數校正和諧波補償，依據反饋的情況進行相應的調整。
功率因數調節部分包括順次相連的電容投切模塊、故障反饋模塊、動態開關模塊、電容保護模塊以及電容器組，其中電容保護模塊與電源母線相連，電容器組與電容保護模塊、動態開關模塊和故障反饋模塊相連。
有源動態濾波補償部分包括順次相連的諧波處理模塊、脈寬調制模塊、電流補償發生器、監測反饋模塊、預充電模塊、保護模塊，其中保護模塊與電源母線相連，監測反饋模塊還與諧波處理模塊相連。
信號檢測及控制部分包括依次相連的信號監測模塊、信號處理模塊和主控制模塊，其中信號監測模塊與電源母線相連，主控制模塊與功率因數調節部分的電容投切模塊和有源動態濾波補償部分的諧波處理模塊相連。主控制模塊還與其他功能模塊相連，例如電源模塊、手動輸入模塊、顯示模塊、通訊模塊和數據存儲模塊。
功率因數調節部分中，電容投切模塊包含電容投切控制繼電器，其能夠接受主控制模塊發出的輸出指令并控制電容器組的投切動作，接受故障反饋模塊發來的故障報警信號并傳送給主控制模塊。故障反饋模塊包含故障監測器和故障報警繼電器，其中故障監測器用于監測電容器組的投切狀態并反饋故障和報警信號，故障報警繼電器根據故障報警命令進行開啟或關閉命令。動態開關模塊包含電容器組投切控制繼電器，該電容器組投切控制繼電器用于接收投切指令并進行開啟關閉動作。電容保護模塊用于接收電容投切模塊發出的指令同時對電容器進行保護，諧波處理模塊可以分析處理接收到的來自電網的諧波數據。
有源動態濾波補償部分中，脈寬調制模塊包含基波參考單元、諧波基波對比單元，其中基波參考單元是標準基波波形用于與諧波進行對比，諧波基波對比單元用于接收高速處理模塊發出的實時補償信號的基波波形并與基波參考單元進行對比，得到開關信號。電流補償發生器包含IGBT、電容器等，其中IGBT用于接收脈寬調制模塊發出的開關信號并控制對應的電容器生成幅值相等、極性相反的補償電流，電容器用于提供生成補償電流的電能。監測反饋模塊包含電流采集單元、模數轉換器等，其中電流采集單元包含用于采集電流信號的電流互感器，模數轉換器用于將采集的模擬電流信號轉換成數字信號并傳遞給高速處理模塊。預充電模塊包含預充電電阻、電壓監測模塊、接觸器、電抗器等，其中預充電電阻用于對電流補償發生器的電容器進行限流充電，電壓監測模塊用于監測充電后端的電壓，接觸器用于當充電電壓達到預定值后，預充電結束接觸器閉合，電抗器用于限制電流突變對設備造成不可逆的損壞。保護模塊包含熔斷器，該熔斷器用于限制電流過大對設備造成不可逆的損壞。
信號檢測及控制部分中，信號監測模塊包含用于采集電壓信號的電壓互感器和用于采集電流信號的電流互感器，能夠監測電力系統主線電流電壓信號并自動適應電網相序和電流相位。信號處理模塊包含模數轉換器等，所述模數轉換器用于將采集的模擬電流信號轉換成數字信號。主控制模塊包含處理單元、時鐘單元和記錄單元，其中處理單元用于處理數字信號并發出輸出指令，時鐘單元用于計時，記錄單元用于記錄基于時鐘單元的報警信息，及電容器組的投切和投入運行總時間。該集有源動態濾波補償、功率因數調節于一體的功率因數控制器還包括為主控制器提供工作電源的電源模塊、用于手動輸入指令并將指令發送給主控制模塊的手動輸入模塊、用于顯示電路參數和報警故障信息的顯示模塊、與外界進行數據交換和數據遠程顯示的通訊模塊以及用于信息存儲的數據存儲模塊。
本發明提供的集有源動態濾波補償、功率因數調節于一體的功率因數控制器工作原理如下：首先信號監測模塊實時監測電力系統主線的電流電壓信號，同時自動適應電網相序和相位；電流電壓信號傳遞給信號處理模塊由其將模擬信號轉換成數字信號，轉換后的數字信號輸入到主控制模塊中。主控制模塊對接收到的各種數據(手動輸入的數據、監測到的電流電壓信號、故障反饋模塊反饋回來的電容器組故障信息等)進行處理分析得到當前的功率因數并與手動輸入模塊輸入的指令或默認指令的功率因數標準值進行對比，得出功率因數差值的補償信號，同時結合故障反饋模塊反饋的電容器組故障信號，對電容投切模塊發出投切指令。電源模塊用于向各模塊輸入電源并提供過壓保護、欠壓保護和諧波干擾隔離；手動輸入模塊用于輸入參數或指令。顯示模塊用于顯示主控制模塊輸入的指令參數值、采集的電流電壓信號、輸出的功率因數、電容器組投切需量、諧波畸變率、報警指示參數等；通訊模塊用于與外界進行數據交換和數據遠程顯示；數據存儲模塊用于接收并存儲主控制器接收和輸出的所有參數。
功率因數調節部分接收到來自主控制模塊的指令后：電容投切模塊將故障反饋模塊反饋回來的故障信息反饋至主控制模塊，并接收到主控制模塊的電容投切指令將其下發至動態開關模塊，動態開關模塊對電容器組進行投切控制，電容保護模塊對電容器組進行保護。
有源動態濾波補償部分接收到來自主控制模塊的指令后：諧波處理模塊接收信號處理模塊和監測反饋模塊發出的數字信號進行諧波基波分離，并對比信號處理模塊的數字信號和監測反饋模塊發出的數字信號得到差值作為實時補償信號，接著由脈寬調制模塊根據實時補償信號進行脈寬調制得到開關信號。脈寬調制模塊發出的開關信號被電流補償發生器接收后生成幅值相等、極性相反的補償電流，補償電流通過監測反饋模塊、預充電模塊和保護模塊輸入電網中從而主動消除諧波。由于監測反饋模塊同時與諧波處理模塊相連，因此其接收到補償電流后會實時反饋給諧波處理模塊，諧波處理模塊負責對比來自電網的諧波信號和補償后的諧波信號，根據對比得到的差值作為補償信號及時調整脈寬調制模塊和電流補償發生器。預充電模塊和保護模塊能夠對電流補償發生器進行預充電保護和限流保護，保護電流補償發生器免于不可逆的損壞。