專利名稱：基于全模擬器件的電力系統(tǒng)諧波抑制方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)諧波抑制與補(bǔ)償技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種全部采用模擬器件來(lái)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)諧波抑制的方法及其裝置。
背景技術(shù)：
電力系統(tǒng)的諧波問(wèn)題早在上個(gè)世紀(jì)20年代和30年代就引起了人們的注意。一般來(lái)說(shuō)，在供用電系統(tǒng)中，總是希望交流電壓和交流電流呈現(xiàn)正弦波形。但是，電網(wǎng)中的整流器、變頻調(diào)速裝置、電弧爐以及各種電力電子裝置都是非線性負(fù)荷，正弦電壓施加在這些非線性負(fù)荷上時(shí)，電流就變?yōu)榉钦也?，非正弦電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降，會(huì)使電壓波形也產(chǎn)生畸變，變?yōu)榉钦也?。由于諧波在電力系統(tǒng)中的普遍存在，諧波所造成的危害日趨嚴(yán)重，世界各國(guó)都對(duì)諧波問(wèn)題予以充分的重視。
諧波對(duì)于電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，完全是有害的。諧波對(duì)公用電網(wǎng)的危害有大致以下幾個(gè)方面①諧波使公用電網(wǎng)中元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電和用電設(shè)備的效率。
②諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作。使電機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和過(guò)電壓，使變壓器局部嚴(yán)重過(guò)熱；還會(huì)使電容器、電纜等設(shè)備過(guò)熱、絕緣老化、壽命縮短，以致?lián)p壞。
③諧波會(huì)引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，增加了上述危害，并可能引起嚴(yán)重事故。
利用有源濾波器(APF)，即利用可控的功率半導(dǎo)體器件，向電網(wǎng)注入與原有諧波電流幅值相等而相位相反的補(bǔ)償電流，使電網(wǎng)的總諧波電流為零，是抑制與補(bǔ)償諧波的有效措施。近年來(lái)，有源濾波器的實(shí)現(xiàn)通常采用單片機(jī)或是基于數(shù)字信號(hào)處理器。采用這些方法的優(yōu)點(diǎn)在于諧波檢測(cè)的精度高，但是響應(yīng)延時(shí)至少有1個(gè)周波，而且成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題和不足，而提供一種基于全模擬器件的電力系統(tǒng)諧波抑制方法及其裝置，即利用模擬器件，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)無(wú)功功率變換，從輸電線上檢測(cè)出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等而極性相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流只含基波分量。
本發(fā)明的目的是通過(guò)下述方法和裝置實(shí)現(xiàn)的。
應(yīng)用電力電子基本原理，基于諧波補(bǔ)償?shù)幕舅枷?，提出全部采用模擬器件來(lái)實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)無(wú)功功率變換的構(gòu)想，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)諧波電流的檢測(cè)及補(bǔ)償。將采集到的輸電線上的電流信號(hào)，經(jīng)模擬器件構(gòu)成的運(yùn)算電路分解出所需的諧波補(bǔ)償指令信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路調(diào)制生成諧波電流補(bǔ)償控制信號(hào)，再送入控制補(bǔ)償產(chǎn)生電路形成諧波補(bǔ)償電流，注入到電力系統(tǒng)中與其諧波電流相抵消，實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)諧波的抑制與補(bǔ)償。
一、方法本方法包括下列步驟①設(shè)三相電路的電流分別為ia、ib、ic，ip、iq分別為瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無(wú)功電流；該方法需要用到與a相電網(wǎng)電壓ea同相位的正弦信號(hào)sinωt和余弦信號(hào)cosωt，則瞬時(shí)有功電流信號(hào)ip和瞬時(shí)無(wú)功電流信號(hào)iq由下式確定ipiq=Ciaibic]]>其中矩陣C=23sinωtsin(ωt-23π)sin(ωt+23π)-cosωt-cos(ωt-23π)-cos(ωt+23π)]]>
則ip=23[iasinωt+ibsin(ωt-23π)+icsin(ωt+23π)]]]>iq=23[iacosωt+ibcos(ωt-23π)+iccos(ωt+23π)]]]>(1)②ip、iq經(jīng)過(guò)低通濾波器后，可以得到三相基波正序有功電流和基波無(wú)功電流信號(hào) 和 將它們進(jìn)行逆變換后得到基波正序電流信號(hào)ia1f、ib1f、ic1f，即ia1fib1fic1f=C-1ip‾iq‾---(2)]]>其中C-1為矩陣C的逆矩陣；③將ia1f、ib1f、ic1f分別減去ia、ib、ic，得到諧波補(bǔ)償指令信號(hào)iah、ibh、ich；④iah、ibh、ich經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生脈寬調(diào)制諧波電流補(bǔ)償控制信號(hào)；⑤諧波電流補(bǔ)償控制信號(hào)用于控制補(bǔ)償產(chǎn)生電路形成諧波補(bǔ)償電流，注入到電力系統(tǒng)中與其諧波電流相抵消。
二、裝置如圖1，本裝置由信號(hào)采集電路1、正余弦發(fā)生電路2、運(yùn)算及濾波電路3、加法器4、諧波補(bǔ)償產(chǎn)生電路5組成；信號(hào)采集電路1的輸出端分別與正余弦發(fā)生電路2、運(yùn)算及濾波電路3、加法器4的輸入端連接；運(yùn)算及濾波電路3的輸入、輸出端分別與正余弦發(fā)生電路2的輸出端、加法器4的輸入端連接；加法器4的輸出端與諧波補(bǔ)償產(chǎn)生電路5的輸入端連接；所述正余弦發(fā)生電路2由鎖相環(huán)電路2.1和信號(hào)產(chǎn)生電路2.2串聯(lián)而成；所述運(yùn)算及濾波電路3由矩陣C運(yùn)算電路3.1、低通濾波器3.2、逆矩陣C-1運(yùn)算電路3.3依次串聯(lián)而成；所述諧波補(bǔ)償產(chǎn)生電路5由驅(qū)動(dòng)電路5.1、補(bǔ)償產(chǎn)生電路5.2串聯(lián)而成；上述電路均為常用模擬器件實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集電路1即一種電壓、電流互感器，從電網(wǎng)上采集線路的電壓、電流的幅值和相角；鎖相環(huán)電路2.1和信號(hào)產(chǎn)生電路2.2可選用74HC4046、74HCT4046等，其功能是鎖定電網(wǎng)電壓的相角并輸出對(duì)應(yīng)的正、余弦信號(hào)；
低通濾波器3.2采用2階巴特沃斯型，可利用濾波運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)，可選用CF741、CF715等。
加法器4利用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)加法運(yùn)算功能，運(yùn)算放大器可選用F1456、CF747、CF748等；驅(qū)動(dòng)電路5.1可選用SG3525等，為補(bǔ)償電路產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)；補(bǔ)償產(chǎn)生電路5.2可采用半導(dǎo)體器件IGBT實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生補(bǔ)償電流。
本裝置工作原理是信號(hào)采集電路1采集輸電線上三相電流、電壓信號(hào)，電壓信號(hào)輸入正余弦發(fā)生電路2，用于產(chǎn)生分別與各相電壓同相位的正余弦信號(hào)，再與三相電流信號(hào)，經(jīng)由運(yùn)算及濾波電路3實(shí)現(xiàn)該電流信號(hào)的瞬時(shí)無(wú)功功率變換，分解出其直流分量；在加法器4中用三相電流信號(hào)減去其相應(yīng)的直流分量，得到三相電流中的諧波分量，即所需的諧波補(bǔ)償指令信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路5.1調(diào)制生成脈寬調(diào)制諧波電流補(bǔ)償控制信號(hào)，再送入控制補(bǔ)償產(chǎn)生電路5.2，形成與該諧波分量大小相等而極性相反的諧波補(bǔ)償電流，注入到電力系統(tǒng)中與其諧波電流相抵消，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)諧波的抑制與補(bǔ)償。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果①目前還沒(méi)有采用全模擬器件制作的電力系統(tǒng)有源濾波器，本發(fā)明可以填補(bǔ)這方面的空白；②利用模擬器件來(lái)設(shè)計(jì)有助于提高響應(yīng)速度，響應(yīng)時(shí)間僅為半個(gè)周波，實(shí)時(shí)性更好；③諧波補(bǔ)償效果好，實(shí)現(xiàn)的方法簡(jiǎn)單、體積小，可以完全脫離計(jì)算機(jī)，使用起來(lái)更加方便、靈活。
④采用模擬器件設(shè)計(jì)的電路更易于模塊化。
⑤本發(fā)明成本低，易于推廣。
由此可見(jiàn)，本發(fā)明響應(yīng)快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、效果好，能夠有效地抑制與補(bǔ)償電力系統(tǒng)諧波，具有良好的應(yīng)用前景。


圖1為本裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
圖2為矩陣C運(yùn)算電路3.1的結(jié)構(gòu)框圖；圖3為逆矩陣C-1運(yùn)算電路3.3的結(jié)構(gòu)框圖。
其中1—信號(hào)采集電路；2—正余弦發(fā)生電路，2.1—鎖相環(huán)電路，2.2—信號(hào)產(chǎn)生電路；3—運(yùn)算及濾波電路，3.1—矩陣C運(yùn)算電路，3.1.1—第1乘法器，3.1.2—第2乘法器，3.1.3—第3乘法器，3.1.4—第1加法器，3.1.5—第1放大器；3.2—低通濾波器；3.3—逆矩陣C-1運(yùn)算電路，3.3.1—第4乘法器，3.3.2—第5乘法器，3.3.3—第6乘法器，3.3.4—第7乘法器，3.3.5—第8乘法器，3.3.6—第9乘法器，3.3.7—第2加法器，3.3.8—第3加法器，3.3.9—第4加法器，3.3.10—第2放大器，3.3.11—第3放大器，3.3.12—第4放大器；4—加法器；5—諧波補(bǔ)償產(chǎn)生電路，5.1—驅(qū)動(dòng)電路，5.2—補(bǔ)償產(chǎn)生電路。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明①信號(hào)采集電路1采集輸電線上電流ia、ib、ic及電壓信號(hào)(包括幅值、相位)，將電壓信號(hào)通過(guò)鎖相環(huán)電路2.1獲得輸電線電壓信號(hào)的相位，該相位值輸入信號(hào)產(chǎn)生電路2.2，得到相應(yīng)的正弦sinωt、sin(ωt-22π),sin(ωt+22π),]]>余弦信號(hào)cosωt、cos(ωt-23π),cos(ωt+23π).]]>②如圖2，矩陣C運(yùn)算電路3.1的結(jié)構(gòu)是第1乘法器3.1.1、第2乘法器3.1.2、第3乘法器3.1.3的輸出端分別連接第1加法器3.1.4的輸入端，第1加法器3.1.4的輸出端連接第1放大器3.1.5的輸入端；第4乘法器3.1.6、第5乘法器3.1.7、第6乘法器3.1.8的輸出端分別連接第2加法器3.1.9的輸入端，第2加法器3.1.9的輸出端連接第2放大器3.1.10的輸入端。
所述的加法器是利用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)加法運(yùn)算功能，運(yùn)算放大器可選用F1456、CF747、CF748等；所述的乘法器可選用AD834、AD633、MPY634等，實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的乘法運(yùn)算；所述的放大器可選用F1456、CF747、CF748等，實(shí)現(xiàn)放大功能。
上述的正弦、余弦信號(hào)輸入矩陣C運(yùn)算電路3.1，與信號(hào)采集電路1采集到的電流信號(hào)共同完成式(1)運(yùn)算，即將sinωt與ia,sin(ωt-23π)]]>與ib,sin(ωt+23π)]]>與ic分別輸入第1乘法器3.1.1、第2乘法器3.1.2、第3乘法器3.1.3，所得的三個(gè)積輸入第1加法器3.1.4相加，所得的和輸入第1放大器3.1.5放大，得到瞬時(shí)有功電流ip；將cosωt與ia,cos(ωt-23π)]]>與ib,cos(ωt+23π)]]>與ic分別輸入第4乘法器3.1.6、第5乘法器3.1.7、第6乘法器3.1.8，所得的三個(gè)積輸入第2加法器3.1.9相加，所得的和輸入第2放大器3.1.10放大，得到瞬時(shí)無(wú)功電流iq；③ip和iq輸入低通濾波器3.2，濾除交流分量，得到三相基波正序有功電流 和基波無(wú)功電流信號(hào) ④如圖3，逆矩陣C-1運(yùn)算電路3.3的結(jié)構(gòu)是第7乘法器3.3.1、第8乘法器3.3.2的輸入端分別連接第3加法器3.3.7的輸入端，第3加法器3.3.7的輸出端連接第3放大器3.3.10的輸入端；第9乘法器3.3.3、第10乘法器3.3.4的輸入端分別連接第4加法器3.3.8的輸入端，第4加法器3.3.8的輸出端連接第4放大器3.3.11的輸入端；第11乘法器3.3.5、第12乘法器3.3.6的輸入端分別連接第5加法器3.3.9的輸入端，第5加法器3.3.9的輸出端連接第5放大器3.3.12的輸入端。
所述的加法器是利用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)加法運(yùn)算功能，運(yùn)算放大器可選用F1456、CF747、CF748等；
所述的乘法器可選用AD834、AD633、MPY634等，實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的乘法運(yùn)算；所述的放大器可選用F1456、CF747、CF748等，實(shí)現(xiàn)放大功能。 和 輸入逆矩陣C-1運(yùn)算電路3.3，進(jìn)行式(2)運(yùn)算，即將sinωt與 cosωt與 分別輸入第7乘法器3.3.1、第8乘法器3.3.2，所得的兩個(gè)積輸入第3加法器3.3.7相加，所得的和輸入第3放大器3.3.10放大，得到基波正序電流信號(hào)ialf；將sin(ωt-23π)]]>與ip‾,cos(ωt-23π)]]>與 分別輸入第9乘法器3.3.3、第10乘法器3.3.4，所得的兩個(gè)積輸入第4加法器3.3.8相加，所得的和輸入第4放大器3.3.11放大，得到基波正序電流信號(hào)iblf；將sin(ωt+23π)]]>與ip‾,cos(ωt+23π)]]>與 分別輸入第11乘法器3.3.5、第12乘法器3.3.6，所得的兩個(gè)積輸入第5加法器3.3.9相加，所得的和輸入第5放大器3.3.12放大，得到基波正序電流信號(hào)iclf。
ialf、iblf、iclf即輸電線電流信號(hào)中的直流分量。
⑤ialf、ialf、ialf減去信號(hào)采集電路1采集到的電流信號(hào)在加法器4中實(shí)現(xiàn)，得到輸電線電流信號(hào)中的諧波分量iah、ibh、ich，即諧波補(bǔ)償指令信號(hào)。
⑥將iah、ibh、ich輸入驅(qū)動(dòng)電路5.1，采用三角載波法形成PWM諧波電流補(bǔ)償控制信號(hào)。
⑦PWM諧波電流補(bǔ)償控制信號(hào)輸入補(bǔ)償產(chǎn)生電路5.2，用以控制其生成諧波補(bǔ)償電流，注入電網(wǎng)抵消諧波電流，最終實(shí)現(xiàn)諧波抑制和補(bǔ)償目的。
權(quán)利要求
1.一種基于全模擬器件的電力系統(tǒng)諧波抑制方法，其特征在于①設(shè)三相電路的電流分別為ia、ib、ic，ip、iq分別為瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無(wú)功電流；則ip=23[iasinωt+ibsin(ωt-23π)+icsin(ωt+23π)]iq=-23[iacosωt+ibcos(ωt-23π)+iccos(ωt+23π)]----(1)]]>②ip、iq經(jīng)過(guò)低通濾波器后，得三相基波正序有功電流 和基波無(wú)功電流信號(hào)和 將它們進(jìn)行逆變換后得基波正序電流信號(hào)ia1f、ib1f、ic1f，即ia1fib1fic1f=C-1ip‾iq‾----(2)]]>其中C-1為矩陣C的逆矩陣；③將ia1f、ib1f、ic1f分別減去ia、ib、ic，得到諧波補(bǔ)償指令信號(hào)iah、ibh、ich；④iah、ibh、ich經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生脈寬調(diào)制諧波電流補(bǔ)償控制信號(hào)；⑤諧波電流補(bǔ)償控制信號(hào)用于控制補(bǔ)償產(chǎn)生電路形成諧波補(bǔ)償電流，注入到電力系統(tǒng)中與其諧波電流相抵消。
2.一種基于全模擬器件的電力系統(tǒng)諧波抑制裝置，其特征在于由信號(hào)采集電路(1)、正余弦發(fā)生電路(2)、運(yùn)算及濾波電路(3)、加法器(4)、諧波補(bǔ)償產(chǎn)生電路(5)組成；信號(hào)采集電路(1)的輸出端分別與正余弦發(fā)生電路(2)、運(yùn)算及濾波電路(3)、加法器(4)的輸入端連接；運(yùn)算及濾波電路(3)的輸入、輸出端分別與正余弦發(fā)生電路(2)的輸出端、加法器(4)的輸入端連接；加法器(4)的輸出端與諧波補(bǔ)償產(chǎn)生電路(5)的輸入端連接；所述正余弦發(fā)生電路(2)由鎖相環(huán)電路(2.1)和信號(hào)產(chǎn)生電路(2.2)串聯(lián)而成；所述運(yùn)算及濾波電路(3)由矩陣C運(yùn)算電路(3.1)、低通濾波器(3.2)、逆矩陣C-1運(yùn)算電路(3.3)依次串聯(lián)而成；所述諧波補(bǔ)償產(chǎn)生電路(5)由驅(qū)動(dòng)電路(5.1)、補(bǔ)償產(chǎn)生電路(5.2)串聯(lián)而成。
3.按權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于矩陣C運(yùn)算電路(3.1)的結(jié)構(gòu)是第1乘法器(3.1.1)、第2乘法器(3.1.2)、第3乘法器(3.1.3)的輸出端分別連接第1加法器(3.1.4)的輸入端，第1加法器(3.1.4)的輸出端連接第1放大器(3.1.5)的輸入端，得到瞬時(shí)有功電流ip；第4乘法器(3.1.6)、第5乘法器(3.1.7)、第6乘法器(3.1.8)的輸出端分別連接第2加法器(3.1.9)的輸入端，第2加法器(3.1.9)的輸出端連接第2放大器(3.1.10)的輸入端，得到瞬時(shí)無(wú)功電流iq。
4.按權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于逆矩陣C-1運(yùn)算電路(3.3)的結(jié)構(gòu)是第7乘法器(3.3.1)、第8乘法器(3.3.2)的輸入端分別連接第3加法器(3.3.7)的輸入端，第3加法器(3.3.7)的輸出端連接第3放大器(3.3.10)的輸入端，得到瞬時(shí)無(wú)功電流iq；第9乘法器(3.3.3)、第10乘法器(3.3.4)的輸入端分別連接第4加法器(3.3.8)的輸入端，第4加法器(3.3.8)的輸出端連接第4放大器(3.3.11)的輸入端，得到基波正序電流信號(hào)ib1f；第11乘法器(3.3.5)、第12乘法器(3.3.6)的輸入端分別連接第5加法器(3.3.9)的輸入端，第5加法器(3.3.9)的輸出端連接第5放大器(3.3.12)的輸入端，得到基波正序電流信號(hào)ic1f。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于全模擬器件的電力系統(tǒng)諧波抑制方法及其裝置，涉及電力系統(tǒng)諧波抑止與補(bǔ)償技術(shù)領(lǐng)域。本方法是將采集到的輸電線上的電流信號(hào)，經(jīng)模擬器件構(gòu)成的運(yùn)算電路分解出所需的諧波補(bǔ)償指令信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路調(diào)制生成諧波電流補(bǔ)償控制信號(hào)，再送入控制補(bǔ)償產(chǎn)生電路形成諧波補(bǔ)償電流，注入到電力系統(tǒng)中與其諧波電流相抵消，實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)諧波的抑制與補(bǔ)償。本裝置由信號(hào)采集電路1、正余弦發(fā)生電路2、運(yùn)算及濾波電路3、加法器4、諧波補(bǔ)償產(chǎn)生電路5組成。由于本發(fā)明響應(yīng)快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、效果好，能夠有效地抑制與補(bǔ)償電力系統(tǒng)諧波，具有良好的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H02J3/01GK1750353SQ20051001964
公開日2006年3月22日 申請(qǐng)日期2005年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月21日
發(fā)明者舒乃秋, 裴春明, 李玲, 戚樂(lè) 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)