CN204578096U - 低压有源电力滤波器控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及低压有源电力滤波器控制系统，包括预充电板模块，变压器，补偿电流检测模块，电网侧电流检测模块，高频滤除模块，电容电压检测模块，DRC模块，低压有源电力滤波器主控板，急停按钮模块，主保险丝，主接触器，平波电抗，限流电抗，直流母线电容，主控断路器，开关电源，防雷器。采用并联型APF的经典控制策略，通过核心控制DSP模块对系统输入/输出回路电压、电流进行实时动态跟踪与检测，差值比较的方法；计算谐波电流分量、无功电流分量，控制输出PWM；所述PWM信号通过驱动装置，进行驱动控制生成补偿电流，注入电网；与电网中的谐波及无功电流相抵消，达到补偿的目的。
Description
技术领域
本实用新型属于电力电子技术领域，特别是涉及APF低压有源电力滤波技术。
背景技术
电网谐波污染问题随着电力电子技术应用的扩大，如广泛使用的电子整流器、变频器、UPS、变频家电、节能灯、复印机、家用电器等,这些非线性负载会产生大量的谐波电流并注入到电网中，使电网电压产生畸变，从而使电网谐波问题日益严重。这种谐波“污染”不但是影响电力系统安全和电能质量的重要因素，也大大增加了电网损耗，同时对其它用电设备造成干扰，造成电网谐振，引发危险的过压或过流，导致电气元件及设备的损坏。
传统的无源滤波装置受系统参数影响大，只能固定补偿特定次谐波，容易产生谐振；而现有的电力滤波器受电网参数影响大，不稳定，抗干扰性差等缺点。
发明内容
为解决上述的不足，本实用新型提供一种低压有源电力滤波器控制系统，实现电流的实时动态跟踪补偿，达到近吸收非线性负载所产生的谐波和无功电流的效果。
本实用新型采用如下技术方案：一种低压有源电力滤波器控制系统，包括：预充电板模块，变压器，补偿电流检测模块，电网侧电流检测模块，高频滤除模块，电容电压检测模块，DRC模块，低压有源电力滤波器主控板，主保险丝，主接触器，平波电抗，限流电抗，直流母线电容，主控断路器，开关电源；预充电板模块实现系统电路的预充电，电网的三相电经主控断路器接入，再经主保险丝、平波电抗、限流电抗、高频滤除模块，对为IGBT供电的直流母线电容进行充电；电网电压经变压器和开关电源后产生直流稳压电源，为低压有源电力滤波器主控板供电；电网接入处连接有电网侧电流检测模块，用于对电网侧输入回路的电流/电压进行实时检测；主控断路器输出端连接有补偿电流检测模块，用于对有源电力滤波器的电流进行实时检测；低压有源电力滤波器主控板对直流母线电压进行实时动态跟踪采样与调理、当母线直流电压达到500V时，控制预充电板模块的继电器吸合，将充电限流阻抗短接；同时低压有源电力滤波器主控板驱动IGBT、对直流母线泵升电压进行实时动态跟踪采样与调理，当直流母线电压泵升到700V时，控制预充电板模块的继电器断开，主接触器的触点闭合，电流直接通过主接触器的触点向直流母线电容充电，所述低压有源电力滤波器主控板，包括：
核心控制DSP模块，对外围电路进行数据检测、处理与补偿控制；
电网侧输入回路采样装置，用于对电网侧输入回路的电流/电压进行实时动态跟踪采样与调理，并传送至进入所述核心控制DSP模块内进行处理；
APF输出回路采样装置，用于对有源电力滤波器的电流进行实时动态跟踪采样与调理，并传送至进入所述核心控制DSP模块内进行A/D处理；
直流母线泵升电压采样装置，对有源电力滤波器的直流母线泵升电压进行实时动态跟踪采样与调理，并传送至进入所述核心控制DSP模块内进行A/D处理；
驱动装置，上述核心控制DSP模块的PWM补偿控制信号通过驱动装置，进行驱动控制生成补偿电流，输出至有源电力滤波器后，注入电网，达到补偿的目的；
第一存储电路，用于存储核心控制DSP模块所处理的数据；
优选地，所述电网侧输入回路采样装置包括:
电网侧输入回路取样霍尔传感器,用于对电网侧输入回路的电流/电压进行实时动态跟踪采样；
第一信号调理电路，将上述所采样的电网侧输入回路的电流信号调理为模拟电压信号，进入所述核心控制DSP模块内进行A/D处理；
同步检测电路，通过对电网侧输入回路的交流电压信号进行同步检测，并送入所述核心控制DSP模块进行处理，产生电网电压频率、相位相同的同步工作脉冲信号以及电网基波倍频的A/D同步采用启动信号。
优选地，所述APF输出回路采样装置包括:
APF输出电流取样霍尔传感器,用于对有源电力滤波器的电流进行实时动态跟踪采样；
第二信号调理电路，将上述所采样的有源电力滤波器的电流信号调理为模拟电压信号，进入所述核心控制DSP模块内进行A/D处理。
优选地，所述直流母线泵升电压采样装置包括：
直流母线泵升电压取样霍尔传感器，对有源电力滤波器的直流母线泵升电压进行实时动态跟踪与采样；
第三信号调理电路，将上述的直流母线泵升电压与设定值进行采样，并将结果传送至核心控制DSP模块；核心控制DSP模块根据采样值，控制对电网能量的回馈。
为了获得核心控制DSP模块所能处理的模拟电压，所述第一信号调理电路或第二信号调理电路包括高精度采样电阻和运放电路：采样电流通过高精度采样电阻形成电压信号，运放电路对电压信号进行比例放大，获得模拟电压，进入所述核心控制DSP模块内进行A/D处理。
为了让使核心控制DSP模块所输出的PWM脉宽调制信号转换成补偿电流，输送至有源电力滤波器，注入电网，达到补偿的目的，在PWM脉宽调制信号和有源电力滤波器之间设有驱动装置。所述驱动装置包括:
逻辑门电路，连接于所述核心控制DSP模块PWM控制信号接口，所述PWM信号经逻辑门电路的逻辑处理后，生成与所述PWM控制信号大小相等，相位相反的开关信号；
第一光耦隔离电路，连接于上述逻辑门电路的输出口，对开关信号进行隔离；
驱动IGBT模块，上述开关信号驱动IGBT模块，生成补偿电流，输送至有源电力滤波器，注入电网，达到补偿的目的。
为了保障系统的正常运行，所述IGBT模块上连接有第二光耦隔离电路，所述IGBT模块的故障信号通过第二光耦隔离电路反馈至核心控制DSP模块；核心控制DSP模块根据所反馈的故障信号，控制低压有源电力滤波器控制系统的运行。
为了便于维修人员对系统故障状态的查询与维修，所述核心控制DSP模块连接有LED指示电路，可根据不同的故障状态点亮对应的LED灯。
为了实现多级菜单界面管理显示方式的人机交互，所述核心控制DSP模块的CAN总线上连接有核心控制ARM7模块，
优选地，所述核心控制ARM7模块连接有串口芯片模块和第二存储电路；
所述核心控制ARM7模块通过串口芯片模块与外设的PAN液晶控制板进行串口通讯；
所述第二存储电路，用于存储核心控制ARM7模块所要处理的数据。
和现有技术相比，本实用新型具有如下优点：其一，将电网侧输入回路电压、电流以及有源电力滤波器输出回路电流，和直流母线泵升电压进行实时动态跟踪与检测，差值比较的方法；通过驱动装置，进行驱动控制生成补偿电流，达到滤除非线性负载所产生的谐波效果；其二，还能滤除非线性负载所产生的无功电流，实时控制能量回馈电网的特点；其三，本实用新型在逻辑门电路与外设的IGBT模块之间设有第一光耦隔离电路，将开关信号与IGBT模块的信号进行隔离，提高系统的抗干扰能力，避免误操作；其四，本实用新型在IGBT模块上连接有第二光耦隔离电路，IGBT模块的故障信号通过第二光耦隔离电路反馈至核心控制DSP模块，如此能实现有源电力滤波器控制系统的智能保护；其五，本实用新型设置有LED指示电路，便于系统故障状态的查询与维修；其六，本实用新型设置有液晶屏显示装置，能实现多级菜单界面管理显示方式的人机交互。
附图说明
图1是低压有源电力滤波器控制系统的示意图；
图2是低压有源电力滤波器主控板的系统结构框图。
具体实施方式
下面参照附图说明本实用新型的具体实施方式。
参照图1，所述低压有源电力滤波器控制系统，包括：预充电板模块(PRC)，变压器，补偿电流检测模块(LEM1)，电网侧电流检测模块(LEM2)，高频滤除模块(LCR)，电容电压检测模块(EC)，DRC模块(DRC)，低压有源电力滤波器主控板，急停按钮模块，主保险丝，主接触器，平波电抗，限流电抗，直流母线电容，主控断路器，开关电源，防雷器。预充电板模块实现系统电路的预充电，电网的三相电经主控断路器接入，再经主保险丝、平波电抗、限流电抗、高频滤除模块，对为IGBT供电的直流母线电容进行充电；电网电压经变压器和开关电源后产生直流稳压电源，为低压有源电力滤波器主控板供电；电网接入处连接有电网侧电流检测模块，用于对电网侧输入回路的电流/电压进行实时检测；主控断路器输出端连接有补偿电流检测模块，用于对有源电力滤波器的电流进行实时检测；低压有源电力滤波器主控板对直流母线电压进行实时动态跟踪采样与调理、当母线直流电压达到500V时，控制预充电板模块的继电器吸合，将充电限流阻抗短接；同时低压有源电力滤波器主控板驱动IGBT、对直流母线泵升电压进行实时动态跟踪采样与调理，当直流母线电压泵升到700V时，控制预充电板模块的继电器断开，主接触器的触点闭合，电流直接通过主接触器的触点向直流母线电容充电，
参照图2，所述低压有源电力滤波器主控板，包括：
核心控制DSP模块(1)，对外围电路进行数据检测、处理与补偿控制，在该优选实施方法中，核心控制DSP模块(1)包含一块TMS320F28335芯片，该芯片为通用DSP芯片；
电网侧输入回路采样装置(2)，用于对电网侧输入回路的电流/电压进行实时动态跟踪采样与调理，并传送至进入所述核心控制DSP模块(1)内进行处理；
APF输出回路采样装置(3)，用于对有源电力滤波器的电流进行实时动态跟踪采样与调理，并传送至进入所述核心控制DSP模块(1)内进行A/D处理；
直流母线泵升电压采样装置(4)，对有源电力滤波器的直流母线泵升电压进行实时动态跟踪采样与调理，并传送至进入所述核心控制DSP模块(1)内进行A/D处理；
驱动装置(5)，上述核心控制DSP模块(1)的补偿控制信号通过驱动装置(5)，进行驱动控制生成补偿电流，输出至有源电力滤波器后，注入电网，与电网中的谐波及无功电流相抵消，达到补偿的目的；
第一存储电路(6)，用于存储核心控制DSP模块(1)所处理的数据；
在该优选实施方法中，采用并联型APF的经典控制策略，上述核心控制DSP模块(1)根据对电网侧输入回路电压、电流以及有源电力滤波器的输出电流，和直流母线泵升电压进行实时动态跟踪与检测，差值比较处理的方法；计算谐波电流分量、无功电流分量，控制输出PWM脉宽调制信号；所述PWM信号通过驱动装置(5)，进行驱动控制生成补偿电流，输出至有源电力滤波器后，注入电网，与电网中的谐波及无功电流相抵消，达到补偿的目的。
参照图2，在该优选实施方法中，电网侧输入回路采样装置(2)包括:
电网侧输入回路取样霍尔传感器(21),用于对电网侧输入回路的电流/电压进行实时动态跟踪采样；
第一信号调理电路(22)，将上述所采样的电网侧输入回路的电流信号调理为模拟电压信号，进入所述核心控制DSP模块(1)内进行A/D处理；
同步检测电路(23)，通过对电网侧输入回路的交流电压信号进行同步检测，并送入所述核心控制DSP模块(1)进行处理，产生电网电压频率、相位相同的同步工作脉冲信号以及电网基波倍频的A/D同步采用启动信号。
参照图2，在该优选实施方法中，APF输出回路采样装置(3)包括:
APF输出电流取样霍尔传感器(31),用于对有源电力滤波器的电流进行实时动态跟踪采样；
第二信号调理电路(32)，将上述所采样的有源电力滤波器的电流信号调理为模拟电压信号，进入所述核心控制DSP模块(1)内进行A/D处理。
参照图2，在该优选实施方法中，直流母线泵升电压采样装置(4)包括：
直流母线泵升电压取样霍尔传感器(41)，对有源电力滤波器的直流母线泵升电压进行实时动态跟踪与采样；
第三信号调理电路(42)，将上述的直流母线泵升电压与设定值进行采样，并将结果传送至核心控制DSP模块(1)；核心控制DSP模块(1)根据采样值，控制对电网能量的回馈。
参照图2，在该优选实施方法中，为了获得核心控制DSP模块所能处理的模拟电压，所述第一信号调理电路(22)或第二信号调理电路(32)包括高精度采样电阻和运放电路：采样电流通过高精度采样电阻形成电压信号，运放电路对电压信号进行比例放大，获得0～3.3V模拟电压，进入所述核心控制DSP模块(1)内进行A/D处理。
参照图2，在该优选实施方法中，为了让使核心控制DSP模块所输出的PWM脉宽调制信号转换成补偿电流，输送至有源电力滤波器，注入电网，达到补偿的目的，在PWM脉宽调制信号和有源电力滤波器之间设有驱动装置(5)。所述驱动装置(5)包括:
逻辑门电路(51)，连接于所述核心控制DSP模块(1)的PWM控制信号接口，所述PWM信号经逻辑门电路(51)的逻辑处理后，生成与所述PWM控制信号大小相等，相位相反的开关信号；
第一光耦隔离电路(52)，连接于上述逻辑门电路(51)的输出口，对开关信号进行隔离，提高系统的抗干扰能力，避免误操作；
驱动IGBT模块(53)，上述开关信号驱动IGBT模块(53)，生成补偿电流，输送至有源电力滤波器，注入电网，达到补偿的目的。
参照图2，在该优选实施方法中，为了保障系统的正常运行，所述IGBT模块(53)上连接有第二光耦隔离电路(7)，所述IGBT模块(53)的故障信号通过第二光耦隔离电路(7)反馈至核心控制DSP模块(1)；核心控制DSP模块(1)根据所反馈的故障信号控制低压有源电力滤波器控制系统的运行。
参照图2，在该优选实施方法中，为了便于维修人员对系统故障状态的查询与维修，所述核心控制DSP模块(1)连接有LED指示电路(8)，可根据不同的故障状态点亮对应的LED灯。
参照图2，在该优选实施方法中，为了实现多级菜单界面管理显示方式的人机交互，所述核心控制DSP模块(1)的CAN总线上连接有核心控制ARM7模块(91)。
参照图2，优选地，所述核心控制ARM7模块(91)连接有串口芯片模块(92)和第二存储电路(93)；
所述核心控制ARM7模块(91)通过串口芯片模块(92)与外设的PAN液晶控制板进行串口通讯；
所述第二存储电路(93)，用于存储核心控制ARM7模块(91)所要处理的数据。
经核心控制DSP模块(1)和核心控制ARM7模块(91)的处理，在液晶屏显示器上能查到不同故障状态所对应的事件记录。
本具体实施例，采用并联型APF的经典控制策略。当低压有源电力滤波器控制系统进入工作状态时，电网侧输入回路取样霍尔传感器(21)，分别对电网侧输入回路的电流is和电压Us实时动态跟踪采样。由于电网的频率总会在50Hz上下发生波动，因此为保证电网参数计算的准确性，在测量过程中需要跟踪电网频率的变化，随时修正A/D的采样周期，以保证采样速率不变，采样电压Us经同步检测电路(23)进入核心控制DSP模块(1)进行处理，产生与电网电压频率、相位相同的同步工作脉冲信号以及254倍电网基波频率的A/D同步采用启动信号；将相电源交流输入信号变换成方波信号，实现三相电源电压的相位检测，利用方波信号的跳变触发核心控制DSP模块(1)产生中断，以便计算电网频率和控制DSP的A/D采样周期。
以上述采样周期为运行周期，在每个运行周期内:电网侧输入回路的电流is经电流取样霍尔传感器实时动态跟踪与采样后，通过第一信号调理电路(22)的高精度采样电阻形成电压信号，及运放电路对电压信号进行比例放大，获得0～3V的模拟电压，进入核心控制DSP模块(1)内进行A/D处理；APF输出电流ic经APF输出电流取样霍尔传感器(31)实时动态跟踪与采样后，通过第二信号调理电路(32)的高精度采样电阻形成电压信号，及运放电路对电压信号进行比例放大，获得0～3V的模拟电压，进入核心控制DSP模块(1)内进行A/D处理；有源电力滤波器的直流母线泵升电压Uc经直流母线泵升电压取样霍尔传感器(41)实时动态跟踪与采样后，通过第三信号调理电路(42)，将上述的直流母线泵升电压Uc与设定值进行比较，并将比较结果传送至核心控制DSP模块(1)。核心控制DSP模块(1)通过快速跟踪系统输入/输出电压、电流，差值比较的控制算法，计算谐波电流分量、无功电流分量，控制输出PWM；所述PWM信号经逻辑门电路(51)的逻辑处理后，进入第一光耦隔离电路(52)进行信号隔离，最终生成与所述PWM信号大小相等，相位相反的开关信号，所述开关信号接入IGBT模块(53)进行驱动控制生成补偿电流，注入电网，与电网中的谐波及无功电流相抵消，达到补偿的目的。
同时，在上述IGBT模块(53)上连接有第二光耦隔离电路(7)，所述IGBT模块(53)的故障信号通过第二光耦隔离电路(7)实时反馈至核心控制DSP模块(1)；核心控制DSP模块(1)根据所反馈的故障信号控制低压有源电力滤波器控制系统的运行。
所述核心控制DSP模块(1)连接有LED指示电路(8)，可根据不同的故障状态点亮对应的LED灯，便于系统故障状态的查询与维修。
此外，所述核心控制ARM7模块(91)与核心控制DSP模块(1)进行CAN总线通讯；将核心控制ARM7模块(91)所要处理的数据存储于第二存储电路(93)；核心控制ARM7模块(91)的串口通过串口芯片模块(92)与外设的PAN液晶控制板进行串口通讯，完成APF系统补偿信息的实时液晶显示与监控、故障状态所对应的事件记录查询等，实现多级菜单界面管理显示方式的人机交互。
上述实施例只是对本实用新型的技术方案进行详细解释，本实用新型并不只仅仅局限于上述实施例，本领域技术人员应该明白，凡是依据上述原理及精神在本实用新型基础上的改进、替代，都应在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种低压有源电力滤波器控制系统，包括：预充电板模块，变压器，补偿电流检测模块，电网侧电流检测模块，高频滤除模块，电容电压检测模块，DRC模块，低压有源电力滤波器主控板，主保险丝，主接触器，平波电抗，限流电抗，直流母线电容，主控断路器，开关电源；预充电板模块实现系统电路的预充电，电网的三相电经主控断路器接入，再经主保险丝、平波电抗、限流电抗、高频滤除模块，对为IGBT供电的直流母线电容进行充电；电网电压经变压器和开关电源后产生直流稳压电源，为低压有源电力滤波器主控板供电；电网接入处连接有电网侧电流检测模块，用于对电网侧输入回路的电流/电压进行实时检测；主控断路器输出端连接有补偿电流检测模块，用于对有源电力滤波器的电流进行实时检测；低压有源电力滤波器主控板对直流母线电压进行实时动态跟踪采样与调理、当母线直流电压达到500V时，控制预充电板模块的继电器吸合，将充电限流阻抗短接；同时低压有源电力滤波器主控板驱动IGBT、对直流母线泵升电压进行实时动态跟踪采样与调理，当直流母线电压泵升到700V时，控制预充电板模块的继电器断开，主接触器的触点闭合，电流直接通过主接触器的触点向直流母线电容充电，其特征在于,所述低压有源电力滤波器主控板包括：
核心控制DSP模块(1)，对外围电路进行数据检测、处理与补偿控制；
电网侧输入回路采样装置(2)，用于对电网侧输入回路的电流/电压进行实时动态跟踪采样与调理，并传送至所述核心控制DSP模块(1)内进行处理；
APF输出回路采样装置(3)，用于对有源电力滤波器的电流进行实时动态跟踪采样与调理，并传送至所述核心控制DSP模块(1)内进行A/D处理；
直流母线泵升电压采样装置(4)，对有源电力滤波器的直流母线泵升电压进行实时动态跟踪采样与调理，并传送至所述核心控制DSP模块(1)内进行A/D处理；
驱动装置(5)，上述核心控制DSP模块(1)的补偿控制信号通过驱动装置(5)，进行驱动控制生成补偿电流，输出至有源电力滤波器后，注入电网；
第一存储电路(6)，用于存储核心控制DSP模块(1)所处理的数据。
2.根据权利要求1所述的低压有源电力滤波器控制系统，其特征在于：所述电网侧输入回路采样装置(2)包括:
电网侧输入回路取样霍尔传感器(21),用于对电网侧输入回路的电流/电压进行实时动态跟踪采样；
第一信号调理电路(22)，将上述所采样的电网侧输入回路的电流信号调理为模拟电压信号，进入所述核心控制DSP模块(1)内进行A/D处理；
同步检测电路(23)，通过对电网侧输入回路的交流电压信号进行同步检测，并送入所述核心控制DSP模块(1)进行处理，产生电网电压频率、相位相同的同步工作脉冲信号以及 电网基波倍频的A/D同步采用启动信号。
3.根据权利要求2所述的低压有源电力滤波器控制系统，其特征在于：所述APF输出回路采样装置(3)包括:
APF输出电流取样霍尔传感器(31),用于对有源电力滤波器的电流进行实时动态跟踪采样；
第二信号调理电路(32)，将上述所采样的有源电力滤波器的电流信号调理为模拟电压信号，进入所述核心控制DSP模块(1)内进行A/D处理。
4.根据权利要求1所述的低压有源电力滤波器控制系统，其特征在于：所述直流母线泵升电压采样装置(4)包括：
直流母线泵升电压取样霍尔传感器(41)，对有源电力滤波器的直流母线泵升电压进行实时动态跟踪与采样；
第三信号调理电路(42)，将上述的直流母线泵升电压进行采样，并将结果传送至核心控制DSP模块(1)；核心控制DSP模块(1)在内部采用傅利叶函数分析法，计算和控制对电网的回馈电量的大小。
5.根据权利要求3所述的低压有源电力滤波器控制系统，其特征在于：所述第一信号调理电路(22)或第二信号调理电路(32)包括高精度采样电阻和运放电路：采样电流通过高精度采样电阻形成电压信号，运放电路对电压信号进行比例放大，获得模拟电压，进入所述核心控制DSP模块(1)内进行A/D处理。
6.根据权利要求1所述的低压有源电力滤波器控制系统，其特征在于：所述驱动装置(5)包括:
逻辑门电路(51)，连接于所述核心控制DSP模块(1)的PWM控制信号接口，所述PWM信号经逻辑门电路(51)的逻辑处理后，生成与所述PWM控制信号大小相等，相位相反的开关信号；
第一光耦隔离电路(52)，连接于上述逻辑门电路(51)的输出口，对开关信号进行隔离；
驱动IGBT模块(53)，上述开关信号驱动IGBT模块(53)，生成补偿电流，注入电网。
7.根据权利要求6所述的低压有源电力滤波器控制系统，其特征在于：所述IGBT模块(53)上连接有第二光耦隔离电路(7)，所述IGBT模块(53)的故障信号通过第二光耦隔离电路(7)反馈至核心控制DSP模块(1)；核心控制DSP模块(1)根据所反馈的故障信号控制低压有源电力滤波器控制系统的运行。
8.根据权利要求7所述的低压有源电力滤波器控制系统，其特征在于：所述核心控制DSP模 块(1)连接有LED指示电路(8)，根据不同的故障状态点亮对应的LED灯。
9.根据权利要求1所述的低压有源电力滤波器控制系统，其特征在于：所述核心控制DSP模块(1)的CAN总线上连接有核心控制ARM7模块(91)，实现多级菜单界面管理显示方式的人机交互。
10.根据权利要求9所述的低压有源电力滤波器控制系统，其特征在于：所述核心控制ARM7模块(91)连接有串口芯片模块(92)和第二存储电路(93)；
所述核心控制ARM7模块(91)通过串口芯片模块(92)与外设的PAN液晶控制板进行串口通讯；
所述第二存储电路(93)，用于存储核心控制ARM7模块(91)所要处理的数据。
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