CN201435610Y - 一种电能质量综合治理装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电能质量综合治理装置。它包括并联在电网上的并联电容器组，以及有源电力滤波器，还包括由依次相连的接口板、DSP核心板、驱动板、以及所述DSP核心板通过人机界面模块与输入/输出模块相连组成的控制装置；所述接口板与所述电网中的源侧电流传感器和负载侧电流传感器分别相连：所述输入/输出模块与所述并联电容器组中的接触器相连，控制所述接触器的通断；所述驱动板将放大后的驱动脉冲信号送入IGBT电能变换器以控制IGBT电能变换器的通断。本实用新型解决了现有并联电容器组和有源电力滤波器并联后会改变负荷的等效谐波阻抗且存在电流耦合的问题，以及二者独立控制，可能引起的谐波短路或者谐振故障等问题。

Description

一种电能质量综合治理装置

技术领域

本实用新型涉及一种电能质量综合治理装置。

背景技术

近年来，随着新型配电和用电设备的不断的发展，特别是电力电子设备的规模使用，在给人们带来高效的工作和方便的生活同时，也带来电网的污染的问题——谐波问题和功率因数的降低，电网的污染使我们的用电环境逐步恶化，极大影响用电安全和用电效率，电网质量的治理已迫在眉睫，普通的电网质量治理设备普遍存在功能单一、治理效果差、响应速度慢、应变能力差、综合造价高、甚至自身的安全性在复杂的电网污染环境下都得不到保证的严重缺陷，在严重和复杂的电网污染环境面前越来越显得无能为力，使电网质量治理工作受到很大的限制。

目前，并联电容器治理系统无功已被广泛采用，它具有结构简单、容易控制、容量大、易扩展等优点。但是并联电容器不能有效滤除系统谐波，而且存在与系统阻抗发生串并联谐振的可能。在需要同时补偿大容量无功和滤除谐波的应用场合，一般采用并联电容器组和有源电力滤波器并联的方法，二者并联后会改变负荷的等效谐波阻抗且存在电流耦合问题。由于通常二者独立控制，可能引起谐波短路或者谐振故障，需要特殊设计才可以稳定运行。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是：为了解决现有并联电容器组和有源电力滤波器并联后会改变负荷的等效谐波阻抗且存在电流耦合的问题，以及二者独立控制，可能引起谐波短路或者谐振故障，提供一种结构简单，能够补偿大的无功功率，同时能够治理电网中的谐波，并能避免并联电容器组与系统阻抗发生谐振的电能质量综合治理装置。

本实用新型是这样实现的：

一种电能质量综合治理装置，包括并联在电网上的含有电容器、接触器的并联电容器组，以及含有IGBT电能变换器、电容储能电路、缓启动电路和高频滤波电路组成的有源电力滤波器，还包括由依次相连的接口板、DSP核心板、驱动板、以及所述DSP核心板通过人机界面模块与输入/输出模块相连组成的控制装置；所述接口板与所述电网中的源侧电流传感器和负载侧电流传感器分别相连，将采集的三相电压、电源侧电流和负载侧电流信号变换后送入DSP核心板；所述输入/输出模块与所述并联电容器组中的接触器相连，控制所述接触器的通断；所述驱动板将放大后的驱动脉冲信号送入IGBT电能变换器以控制IGBT电能变换器中IGBT的通断。

所述DSP核心板中含有依次相连的低通滤波器、数模转换器、数字信号处理器和现场可编程门阵列。

所述低通滤波器和数字信号处理器之间设有过零比较电路。

所述驱动板中的驱动芯片分别与光耦、电压检测电路和推挽放大电路相连。

所述接口板由分压电路和电流采样电阻构成。

本实用新型的有益效果：1)并联电容器组补偿系统的大部分无功，有源电力滤波器对剩余动态变化的无功进行补偿，可以提高无功补偿的效果，降低有源电力滤波器的容量。2)有源电力滤波器同时补偿负载谐波，可以避免系统与电容器产生谐振，省去了与电容器组串联的电抗器，降低了设备成本，同时提高了系统的稳定性。3)使用一套控制装置，对并联电容器和有源电力滤波器进行协调控制，增加了系统的稳定性和易用性，降低了设备成本。

附图说明

图1是本实用新型的结构图；

图2是本实用新型的控制装置逻辑框图；

图3是本实用新型的驱动板电路框图；

图4是本实用新型的等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

参见图1，本实用新型是一种并联电容器组与有源电力滤波器混合使用的电能质量综合治理装置，主要包括：并联电容器组、有源电力滤波器和控制装置。其中并联电容器组个数可选，每组电容器包括熔丝FUn，接触器KMn和电容器Cn。有源电力滤波器通过断路器QF并联在电网上，有源电力滤波器包括IGBT电能变换器，储能电容C1，高频电抗器L1，缓启动电路和高频滤波电路。控制装置包括驱动板，接口板，DSP核心板，人机界面模块和IO模块。

系统还包括两组电流传感器：源侧电流传感器CT1和负载侧电流传感器CT2，分别检测电源侧电流i_s和负载侧电流i_l。电源侧电流i_s、负载侧电流i_l、系统电压u_s都接到接口板上，经过分压和采样后连接到DSP核心板。DSP核心板完成谐波补偿的核心控制算法，产生PWM驱动脉冲并经过驱动板放大后控制IGBT电能变换器的开关。此外，DSP核心板还实时计算系统的无功功率和功率因数。人机界面模块与DSP核心板进行通讯，监控APF运行状态并读取当前的无功功率和功率因数，根据目标功率因数等设定值通过IO模块控制电容器组中接触器的通断，从而控制电容器的投切，补偿无功。

有源电力滤波器工作时，储能电容提供一相对恒定的直流电压。在断路器QF合上瞬间，如果该直流电压尚未建立，则会形成很大的冲击电流，因此，在断路器QF合上初期，先通过缓启动电路对储能电容C1进行预充电，在充电到一定阈值时，将缓启动电路短路，再通过PWM控制进行升压。

APF通过IGBT的PWM工作跟踪参考谐波电流，输出会叠加与开关频率相同的高频谐波，采用高频滤波电路将此部分电流滤除以确保大部分高频谐波电流不会流入电网。

参见图2，系统三相电压信号连接到接口板，电源侧电流i_s和负载侧电流i_l经CT采样后也连接到接口板。接口板上有分压电路和电流采样电阻，将电源侧电流i_s、负载侧电流i_l、系统电压u_s变换为适合于DSP核心板的电压信号后送入DSP核心板。DSP核心板对接收到的电压、电流信号进行滤波，将高频噪声滤除后接到数模转换器上，同时AB线电压通过一个过零比较电路，转化为方波信号。该方波信号连接到数字信号处理器TMS320F2812的外部中断，为系统提供同步信号。数字信号处理器利用此同步信号采用定时中断的方式产生一个固定的采样脉冲，在每个采样脉冲的上升沿启动数模转换器采样并读取相应通道的采样数值。

在数据采样完成一个工频周期后，对数据进行傅立叶变换。通过谐波指令提取程序产生指令电流信号，送入现场可编程门阵列(FPGA)EP1C20F324。FPGA完成PWM功能并将产生的驱动信号送入驱动板。驱动板将驱动脉冲信号放大后连接到IGBT的相应管脚以控制IGBT的通断，并且反馈IGBT过流信号到FPGA，实现过流关断保护功能。DSP同时计算系统当前的功率因数和无功功率。DSP通过通用异步收发器(UART)模块与人机界面模块串行通信，监控设备的运行状态并读取当前的功率因数和无功功率，运行相应的算法计算出需要投切的电容器组，通过串行通信控制IO模块的通断，该IO模块又控制并联电容器组中接触器的通断，从而达到投切电容器的目地。DSP核心板还具有看门狗，增加了控制装置的稳定性。

参见图3，来自DSP核心板的PWM驱动脉冲信号经过驱动芯片EXB841后，连接到推挽放大电路。放大后的驱动脉冲信号连接到IGBT相应管脚控制IGBT的通断。Vce检测电路检测IGBT栅极C和发射极E之间的电压，连接到驱动芯片EXB841的电压检测脚。驱动芯片EXB841的过流报警信号OOS经光耦隔离后反馈到DSP核心板，提供IGBT过流关断保护功能。

参见图4，其中，Zsh为系统等效阻抗，Zch为电容器组等效阻抗。i_sh为电源侧谐波电流，i_ch为电容器上的谐波电流，i_fh为APF输出电流，i_lh为负载谐波电流。可以求得：

$i_{\mathrm{sh}}=\frac{Z_{\mathrm{ch}}}{Z_{\mathrm{ch}}+Z_{\mathrm{sh}}}{i^{\′}}_{\mathrm{sh}}=\frac{Z_{\mathrm{ch}}}{Z_{\mathrm{ch}}+Z_{\mathrm{sh}}}(i_{\mathrm{fh}}+i_{\mathrm{lh}})---\left(1\right)$

$i_{\mathrm{ch}}=\frac{Z_{\mathrm{sh}}}{Z_{\mathrm{ch}}+Z_{\mathrm{sh}}}{i^{\′}}_{\mathrm{sh}}=\frac{Z_{\mathrm{sh}}}{Z_{\mathrm{ch}}+Z_{\mathrm{sh}}}(i_{\mathrm{fh}}+i_{\mathrm{lh}})---\left(2\right)$

APF采用负载侧电流控制，理想状态下电流控制为：

i_fh＝-i_lh    (3)

则：i_fh+i_lh＝0，i_sh＝0，i_ch＝0，可见接入APF后，可以抑制系统与并联电容器可能产生的谐振。

以上参照本实用新型的具体实施方式描述了本实用新型，但本领域的普通技术人员显然可以对具体实施方式作各种修改、变化和改进，但这些修改、变化和改进都应该属于本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种电能质量综合治理装置，包括并联在电网上的含有电容器、接触器的并联电容器组，以及含有IGBT电能变换器、电容储能电路、缓启动电路和高频滤波电路组成的有源电力滤波器，其特征在于：还包括由依次相连的接口板、DSP核心板、驱动板、以及所述DSP核心板通过人机界面模块与输入/输出模块相连组成的控制装置；所述接口板与所述电网中的源侧电流传感器和负载侧电流传感器分别相连，将采集的三相电压、电源侧电流和负载侧电流信号变换后送入DSP核心板；所述输入/输出模块与所述并联电容器组中的接触器相连，控制所述接触器的通断；所述驱动板将放大后的驱动脉冲信号送入IGBT电能变换器以控制IGBT电能变换器的通断。

2.根据权利要求1所述的电能质量综合治理装置，其特征在于：所述DSP核心板中含有依次相连的低通滤波器、数模转换器、数字信号处理器和现场可编程门阵列。

3.根据权利要求2所述的电能质量综合治理装置，其特征在于：所述低通滤波器和数字信号处理器之间设有过零比较电路。

4.根据权利要求1所述的电能质量综合治理装置，其特征在于：所述驱动板中的驱动芯片分别与光耦、电压检测电路和推挽放大电路相连。

5.根据权利要求1所述的电能质量综合治理装置，其特征在于：所述接口板由分压电路和电流采样电阻构成。

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