智能有源濾波器的制作方法

本發明涉及電力電子控制技術領域的濾波器，具體地說，涉及的是一種電網及電力系統智能補償與節能裝置智能有源濾波器。

背景技術：

隨著世界能源危機的發展，發明新的能源是世界科學重要命題，同時節約現有能源是科學界當前重要的研究課題。因為發明新能源尚需時日，而節約現有能源卻是目前世界當務之急。目前電車與金屬冶煉是世界耗電量最大與對環境污染最重，產生大量的高次諧波與無功電力對電網造成極大的干擾與危害；對電網造成極大的沖擊與波動，嚴重的影響電網的安全性與供電質量。

目前，電車鐵路與鋼鐵冶煉系統采用最多的是lc濾波器與svg與svc，補償精度低，易于產生諧振，且體積大、補償精度低，耗電量大、無法滿足電力系統的需要。

經對現有技術的文獻檢索發現，申請號為201220183143,該專利，公開了一種電力有源濾波器，其包括：根據實測負載電流波形的分析結果，控制補償電路對諧波電流成分反向補償，通過igbt逆變器，將反向電流注入供電系統中；實現濾除諧波功能。但該方式補償精度低，耐壓低，容量小，可靠性差。

檢索中還發現，申請號為201020254744的實用新型專利，提出一種混合型有源濾波器。該濾波器包括一次系統部分和二次系統部分，所述一次系統部分包括串聯的有源與無源濾波器，但不能承受電網交流電源的基波電壓，裝置容量小，不能適用高電壓大容量電力系統。

本申請人申請的中國專利cn201310492608.6，公開了一種有源電網高次諧波與無功電力補償節能裝置，主要針對電網普遍負荷共同特點所產生的高次諧波與無功電力進行電網諧波與無功電力節能補償裝置。

技術實現要素：

針對現有技術中的缺陷，本發明在現有技術的基礎上進行改進，提供一種智能有源濾波器，綜合通信系統，電子控制系統，電網與電力系統的高速高精度智能控制，在應對各種控制方式選擇與故障處理方式的選擇具有高度的智能決斷能力，并在提高計算處理速度與功能，增加多個專用功能的智能處理計算模塊，以提高dsp處理控制器的智能決斷能力與速度，提高智能有源濾波器性能與對工況環境的高度適應能力。

為實現上述目的，本發明所述智能有源濾波器，包括：并網智能電感變壓器、電網檢測裝置、a/d變換器、諧波/有功變換控制器、無功電力移相器、諧波無功補償裝置、系統保護變換器、負荷檢測裝置，dsp處理控制器；其中：

電網檢測裝置，用于檢測電網、供電變壓器的電壓電流與運行狀態，并將電網高壓電壓電流轉換成低壓模擬信號，輸入到a/d變換器；

負荷檢測裝置，用于檢測負荷生產系統的電壓電流與運行狀態檢測，并將負載高壓電壓電流轉換成低壓模擬信號，輸入到a/d變換器；

a/d變換器，將電網檢測裝置、負荷檢測裝置的電網和負載的低壓模擬信號變換為數字信號，輸入到dsp處理控制器；

dsp處理控制器，對電網信號與系統運行狀態進行監控，根據上述檢測的電網和負載的信號，計算出各次諧波與無功電力頻率、相位與幅值，以及諧波/有功變換控制器、無功電力移相器、諧波無功補償裝置、系統保護控制器的控制指令：

dsp處理控制器通過控制指令控制諧波/有功變換控制器將電網諧波電力轉換為有功電力，由并網電感變壓器將有功電力回送電網或供電變壓器，節約大量的電力電能；

dsp處理控制器通過控制指令控制無功電力移相器將電網與負載產生的無功電力移相為有功電力，由并網電感變壓器回送電網，節約大量的電力電能；

dsp處理控制器控制諧波無功補償裝置對電網諧波與無功電力進行高速高精度補償，節能減排，消除電網干擾與沖擊，提高電網穩定性與安全性，提高電網質量；

dsp處理控制器通過控制指令控制系統保護控制器，在電網或負荷發生異常時，切斷電網與負荷的連接，對電網與生產負荷系統、智能有源濾波器起到隔離與保護作用。

本發明所述濾波器將電網諧波與無功電力轉換為有功電力回送電網，節約大量的電力；同時利用高速dsp控制諧波無功補償裝置與spwm逆變器產生諧波無功補償電壓，對電網與生產負荷系統產生的諧波與無功電力進行高速高精度補償，消除電力系統干擾與波動，提高電網質量，提高電力系統與冶煉系統的穩定性與安全性，具有巨大的節能減排效果，補償精度高，提高電網與生產負荷系統的穩定性與安全性。

優選地，所述dsp處理控制器包含：dsp信號處理器、dsp-fft處理器、dsp控制指令運算器和dsp系統保護指令運算器，其中：

dsp信號處理器用于系統監控、檢測，以及顯示與通信控制；

dsp-fft處理器，計算出電網與生產負荷系統電壓電流與各次諧波與無功電力的幅值與相位；

dsp控制指令運算器用于諧波/有功變換控制器、無功電力移相器、諧波無功補償裝置與系統保護控制器的控制指令參數計算；dsp控制指令運算器控制并網電感變壓器，將諧波/有功變換控制器產生的有功電力、諧波無功補償裝置產生的補償電壓送入電網；

dsp系統保護指令運算器，根據電網檢測裝置與a/d變換器所檢測電網與供電變壓器的運行狀態與電壓電流數據，dsp系統保護指令運算器，根據系統保護控制器的驅動結構特點與操作規程，根據系統在發生過電壓、過電流、超溫度的容限值，計算出系統保護控制器的控制指令。

更優選地，所述dsp-fft處理器，計算出電網與生產負荷系統電壓電流的各次諧波與無功電力的頻率、幅值與相位，以此數據由dsp控制指令運算器計算出諧波無功補償裝置與系統保護控制器的控制指令參數，控制諧波/有功變換控制器把電網諧波變換為有功電力回送電網。

更優選地，所述dsp控制指令運算器，根據dsp-fft處理器，計算出電網與生產負荷系統電壓電流的各次諧波與無功電力的頻率、幅值與相位；結合諧波無功補償裝置的特性計算出諧波無功補償裝置控制參數與指令，產生諧波補償電壓。

更優選地，所述dsp系統保護指令運算器：當系統出現過電壓，過電流，過溫度等故障時，系統保護控制器的控制指令參數，dsp系統保護指令運算器根據故障處理規程操作系統保護控制器，或調配負荷配置，或切斷負載隔離開關，并同時進行報警與利用通信報警裝置通知相關部門。

優選地，所述并網電感變壓器包括隔離開關、可調電感繞組、電感控制繞組、電能回送繞組、高壓電容c1、諧振無功補償繞組以及變壓并網繞組，其中：隔離開關用于將整個智能有源濾波器并入電網或切離電網；電感控制繞組由諧波無功補償裝置進行控制，電感控制繞組調節控制可調電感繞組的電感量，使可調電感繞組電感值與高壓電容c1連接構成lc諧振電路，各次諧波全部流入諧波/有功變換控制器，dsp處理控制器控制諧波/有功變換控制器將電網諧波轉換為與電網同頻率同相位的有功電力，經由電能回送繞組與變壓并網繞組變為有功電力回送電網；諧波無功補償裝置輸出的諧波補償電壓送諧振無功補償繞組，經諧振無功補償繞組濾波后，由變壓并網繞組升壓后送入電網。

優選地，所述dsp處理控制器通過電網檢測裝置與負荷檢測裝置對電網與生產負荷系統實時檢測與監控，當電網出現異常與故障時，dsp處理控制器控制系統保護控制器，切離并網電感變壓器與負載系統隔離開關；當發生故障時，dsp處理控制器控制系統保護控制器切除并網電感變壓器，使本發明智能有源濾波器切離電網；當生產負荷系統發生故障時，dsp處理控制器控制系統保護變換器驅動生產負載系統高壓隔離開關，將生產負荷系統切離電網，同時由通信報警裝置發出報警信號或控制信號。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

本發明針對國家電網，電車鐵路，鋼鐵鋁等金屬冶煉系統的瞬時多變特性所產生的高次諧波與無功電力，利用高速dsp處理控制器控制電力變換器，把諧波與無功電力轉換為有功電力回送電網，提高功率因數，具有巨大的節能效果，同時對電力系統殘余諧波與無功電力進行高速高精度補償，消除電網干擾與波動，節能減排，提高電網質量，提高電網與生產負荷系統的穩定性與安全性，提高產品質量，降低生產成本，具有巨大經濟效益與社會效益。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯：

圖1為本發明一實施例的系統結構框圖；

圖2為本發明一實施例的并網電感變壓器結構圖；

圖3是本發明一實施例的系統功能結構圖；

圖4是諧波/有功變換控制器結構框圖；

圖5是dsp處理控制器的結構原理圖；

圖中：1為供電變壓器，2為并網電感變壓器，3為電網檢測裝置，4為a/d變換器，5為諧波/有功變換控制器，6為無功電力移相器，7為諧波無功補償裝置，8為系統保護控制器、9為負荷檢測裝置，10為dsp處理控制器，11為通信報警裝置；

2-0為隔離開關，2-1為可調電感繞組，2-2為電感控制繞組，2-3為電能回送繞組，2-4為諧波無功補償繞組，2-5為變壓并網繞組，c1為高壓電容，5-1為電感調節控制器，5-2為pwm變換器，6為無功電力移相器，7為諧波無功補償裝置；10-1為dsp信號處理器，10-2為dsp-fft處理器，10-3為dsp控制指令運算器，10-4為dsp系統保護指令運算器。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明進行說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發明的保護范圍。

本發明提供一種智能有源濾波器，對電網與電車鐵路和金屬冶煉等系統產生的諧波與無功電力變換為有功電力回送電網，節約大量的電力，同時針對諧波與無功電力進行高速高精度補償，消除電網干擾與波動，提高電網穩定性和安全性，節能減排，提高電網質量，節約大量的電能，降低變壓器與電氣設備損耗與增加使用壽命。

如圖1所示，為本發明一實施例中智能有源濾波器的結構框圖，包括：并網電感變壓器2、電網檢測裝置3、a/d變換器4、諧波/有功變換控制器5、無功電力移相器6、諧波無功補償裝置7、系統保護控制器8、負荷檢測裝置9，dsp處理控制器10；其中：

電網檢測裝置3，用于檢測電網與供電變壓器1的電壓電流及電網運行狀態，把電網電壓電流轉換成低壓模擬信號輸入到a/d變換器4，變換為數字信號送dsp處理控制器10；

負荷檢測裝置9，用于檢測負荷生產系統(圖1中負荷)的電壓電流與運行狀態檢測，并將負荷電壓電流轉換成低壓模擬信號，輸入到a/d變換器4；

a/d變換器4，將電網檢測裝置3、負荷檢測裝置9的電網與負荷電壓電流信號變換為數字信號，輸入到dsp處理控制器10；

dsp處理控制器10控制功能與結構如圖3所示，其中pwm變換器5-2為諧波/有功變換控制器的一部分，對電網和負荷信號與運行狀態進行監控分析，根據上述檢測的電網和負荷的信號，計算出各次諧波與無功電力的頻率、相位與幅值，以及諧波/有功變換控制器5、無功電力移相器6、諧波無功補償裝置7、系統保護控制器8的控制指令，控制并網電感變壓器2，調節控制并網電感變壓器2中可調電感繞組2-1始終工作在最佳諧振狀態，使各次諧波吸收電路阻抗為零，使電網與生產負荷所產生諧波全部流入諧波/有功變換控制器5的整流器。

如圖4所示，dsp處理控制器10通過控制指令控制諧波/有功變換控制器5與pwm變換器5-2將電網諧波電力轉換為有功電力，由并網電感變壓器2將有功電力回送電網或供電變壓器1，節約大量的電力電能；

dsp處理控制器10通過控制指令控制無功電力移相器6將電網與負荷產生的無功電力移相為有功電力，由并網電感變壓器2回送電網，節約大量的電力電能；

dsp處理控制器10通過控制指令控制諧波無功補償裝置7對電網諧波與無功電力進行高速高精度補償，節能減排，消除電網干擾與沖擊，提高電網穩定性與安全性，提高電網質量；

dsp處理控制器10通過控制指令控制系統保護控制器8，在電網或負荷發生異常時，切斷電網與負荷的連接。

進一步的，在部分實施例中，本發明系統還設置通信報警裝置11，用于系統監控和與相關部門的信息通訊和報警。

在實施例中，所述dsp處理控制器10的功能結構如圖5所示，包含：dsp信號處理器10-1、dsp-fft處理器10-2、dsp控制指令運算器10-3和dsp-sp系統保護指令運算器10-4，其中：

dsp信號處理器10-1對電網與負荷系統運行狀態進行監控分析與顯示，監控系統信號的檢測，數據處理與系統運行；

dsp-fft處理器10-2，計算出電網與生產負荷系統電壓電流與各次諧波與無功電力的頻率、幅值與相位；

dsp控制指令運算器10-3計算出各補償控制器與系統保護控制器8的控制指令參數；控制諧波/有功變換控制器5把電網高次諧波變換為有功電力回送電網；

dsp系統保護指令運算器10-4，根據電網檢測裝置3與a/d變換器4所檢測電網與供電變壓器1的運行狀態與電壓電流數據，dsp系統保護指令運算器10-4，根據系統保護控制器8的驅動結構特點與操作規程，根據系統在發生過電壓、過電流、超溫度的容限值，計算出系統保護控制器8的控制指令，其目的是當電網、生產系統或智能有源濾波器在發生過電壓、過電流、超溫度或等事故時，dsp系統保護指令運算器10-4對事故進行鑒別分類，并根據規程對系統保護控制器8發出控制指令，驅動高壓隔離開關，或調節負荷匹配，或切斷電網與負荷的連接，或把智能有源濾波器切離電網和變壓器，同時報警通信裝置進行報警和通知相關部門。

具體的，dsp控制指令運算器10-3用于諧波/有功變換控制器5、無功電力移相器6、諧波無功補償裝置7與系統保護控制器8的控制指令參數計算；dsp控制指令運算器10-3控制并網電感變壓器2，通過并網電感變壓器2將諧波/有功變換控制器5電網諧波變換為有功電力，將諧波無功補償裝置7產生的補償電壓送入電網；

具體的，dsp控制指令運算器10-3，根據dsp-fft處理器10-2計算出電網與生產負荷系統電壓電流的各次諧波與無功電力的幅值與相位，結合諧波無功補償裝置7的特性計算出諧波無功補償裝置7控制參數與指令，產生各次諧波補償電壓，由并網電感變壓器2回送電網。

本發明由dsp信號處理器10對電網數字信號與電網與負荷系統運行狀態進行監控分析與顯示，由dsp-fft處理器10-1計算出電網與生產負荷系統電壓電流與各次諧波與無功電力的頻率幅值與相位，計算出各補償控制器的參數與控制指令，由dsp-sp控制指令運算器10-3計算出系統保護控制器8的控制指令參數。

作為一個優選實施方式，如圖2所示，所述并網電感變壓器2，包括隔離開關2-0、高壓諧振可調電感繞組2-1、電感控制繞組2-2、高壓電容c1、電能回送電感繞組2-3、諧振無功補償繞組2-4以及變壓繞組2-5；如圖4所示，諧波/有功變換控制器5的組成，其中電感調節控制器5-1、pwm變換器5-2為諧波/有功變換控制器5的組成部件；

電網數字信號輸入到dsp信號處理器10-1，計算出各次諧波與無功電力頻率、幅值與相位，計算出各控制器的控制指令；由dsp處理控制器10控制電感控制繞組2-2，由電感控制繞組2-2對可調電感繞組2-1的各次電感參數進行調節，使可調電感繞組2-1與高壓電容c1連接構成lc諧振電路，從而使并網電感變壓器2的可調電感繞組2-1的各次諧振電感l始終工作在最佳高壓諧振狀態，使各次諧波支路的阻抗為零，使電網與生產負荷所產生諧波全部流入諧波/有功變換控制器5，把電網高次諧波電力轉換為有功電力，由并網電感變壓器2的變壓并網繞組2-5回送電網，節約大量的電力電能。諧波無功補償裝置7輸出的諧波補償電壓送諧振無功補償繞組2-4，經諧振無功補償繞組2-4濾波后與由變壓并網繞組2-5升壓后送入電網。

并網電感變壓器2的具體工作包括：

1.隔離開關2-0將整個智能有源濾波器并入電網或切離電網；

2.高壓電感繞組2-1與高壓電容器c1連接構成lc諧振電路，使諧振電路對諧波的阻抗為零，使諧波全部流入諧波/有功變換控制器5轉換為有功電力；

3.由電感控制繞組2-2調節控制可調電感繞組2-1的電感量，使可調電感繞組2-1與高壓電容c1構成的lc諧振電路始終工作在諧振狀態。

4.由諧波/有功變換控制器5轉換為有功電力，經由電能回送繞組2-3與變壓并網繞組2-5變為高壓有功電力回送電網。

5.諧波無功補償裝置7產生的補償電壓，由諧振無功補償繞組2-4送變壓并網繞組2-5送入電網。

所述隔離開關2-0，由dsp處理控制器10控制，在電網與負荷系統或智能有源濾波器出現異常時，瞬時斷開高壓隔離開關2-0，切離電網與負荷生產系統或本發明智能有源濾波器，起到隔離保護作用。

在一實施例中，所述電網檢測裝置3包含電網電壓檢測裝置3-1與電流變換傳感器3-2，分別把電網電壓電流運行狀態轉換成低壓模擬信號輸入a/d變換器4，由a/d變換器4轉換成數字信號輸入dsp處理控制器10。

當電網或負載生產系統或補償系統出現過電壓、過電流、過高溫和過負荷時等故障時，由dsp處理控制器10控制系統保護控制器8，根據電網和負載生產系統要求與操作規則，調整負荷與減輕負荷配置，同時由通信報警裝置11向相關部門與裝置發出報警信號。

如圖3所示，本發明上述的系統中，由電網檢測裝置3與負荷檢測裝置9構成系統檢測裝置，當電網或負荷出現短路、過電壓、過電流、或出現故障，由dsp處理控制器10控制系統保護控制器8控制驅動隔離開關2-0，把智能有源濾波器切離電網；同樣當智能有源濾波器出現故障時，由系統保護控制器8驅動并網電感變壓器2的隔離開關2-0，把智能有源濾波器即時切離電網，同時由通信報警裝置11向相關部門與裝置發出報警信號，避免電網與智能有源濾波器相互影響。智能有源濾波器當故障排除或過電壓過電流恢復正常范圍時，dsp處理控制器10可控制系統保護控制器8根據電網回復條件與規程，驅動隔離開關2-0合閘，使智能有源濾波器自動并網運行，也可手動恢復隔離開關2-0合閘并網運行。

本發明利用網絡諧振控制原理與智能控制理論，提出一種智能有源濾波器，可以應用于電車鐵路，鋼鐵冶煉，電解鋁與氧化鋁等的金屬冶煉領域。本發明針對特殊工況所產生的浪涌電壓與沖擊電流進行抑制，對電網與金屬冶煉系統所產生的高次諧波和無功電力進行高精度補償，并把高次諧波電力與無功電力轉換成有功電力回送電網，有效的抑制電力系統浪涌電壓與電流對電力系統的沖擊，提高變壓器的絕緣強度與電力設備使用壽命，增加電網的穩定性和安全性，提高電網質量，節能減排，節約大量的電力與電能。

本發明的系統結構合理、運行性能穩定，補償精度高，速度快，節能效率高，輸出電壓高功率大，可以用于220kv以下的各類電網與各類金屬冶煉系統，便于組裝維護，從而克服了現有技術中的不足，并具有以下特點：

1.本發明利用dsp處理控制器10控制dsp-fft處理器10-2控制計算出各次諧波與無功電力頻率幅值與相位，計算出各控制器的控制指令；

2.本發明利用dsp處理控制器10控制諧波/有功變換控制器5，把電網高次諧波電力轉換為有功電力，由并網電感變壓器2回送電網，節約大量的電力電能；

3.利用dsp處理控制器10控制無功電力移相器6把電網無功電力移相為有功電力，由并網電感變壓器2回送電網，節約大量的電力電能；

4.同時利用dsp處理控制器10控制諧波無功補償裝置7，對電網諧波無功電力進行高速高精度補償，消除電網干擾與沖擊，提高電網穩定性與安全性，提高電網質量。節能減排，節約大量電力電能，具有巨大經濟效益與社會效益。

5.同時利用dsp處理控制器10對電網與負荷系統進行檢測與故障分析。控制驅動系統保護控制器8，對電網與生產系統負載過電壓、過電流、過負載、短路雷擊等故障進行瞬時切離與保護，或根據過負荷調整規程，對系統負荷進行調整與匹配。

6.本發明與現有各種補償裝置與濾波器相比：現有各種lc濾波器與svc與svg對電網沖擊大，易于產生共振，易爆易損壞，體積大耗電量大。

本發明動態特性好，補償精度高，節約大量電力電能，提高電力系統的穩定性與安全性。在同樣補償容量時，體積僅是lc濾波器與svc與svg體積五分之一。

7.本發明適應于電車鐵路、各種鋼鐵鋁金屬冶煉系統、機械加工與動力系統、風力發電場、煉油廠、發電廠與國家電網，具有廣闊的發展前景。

以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本發明的實質內容，并在其保護范圍之內。