專利名稱：一種基于耦合電感的有源電力濾波裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及諧波抑制和無功補償技術(shù)領(lǐng)域，更具體涉及一種基于耦合電感的有源電力濾波裝置，適用于任何三相三線制或三相四線制帶有非線性負載的電網(wǎng)，作為無功和諧波電流補償。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，大功率電力電子裝置、電弧爐等非線性負載得到了廣泛應(yīng)用，同時也給電網(wǎng)帶來了越來越嚴(yán)重的無功問題和諧波污染，使電網(wǎng)電壓和電流波形發(fā)生畸變，電能質(zhì)量下降并威脅電網(wǎng)的安全。目前諧波已成為電網(wǎng)的一大公害。無源濾波技術(shù)是諧波補償?shù)膫鹘y(tǒng)方法，即在諧波源附近加裝若干單調(diào)諧及高通濾波支路以旁路諧波電流。無源濾波裝置(PPT) —般是由電容器、電抗器(常用空心的)和電阻器適當(dāng)組合而成，起濾波作用還兼顧無功補償?shù)男枰Ｔ摲椒m然具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備投資少、維護方便、運行費用較低等優(yōu)點，但由于結(jié)構(gòu)和原理上的原因，PPF存在一些難以克服的缺點。最大不足是其補償特性易受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)的影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，使濾波器過載甚至燒毀。此外，它只能補償固定頻率的諧波，補償效果也不甚理想。20世紀(jì)70年代初期.日本學(xué)者首先提出了有源濾波器(ActivePower Filter簡稱APF)的概念。1976年美國西屋電氣公司的L. cyugi在理論上獲得重大突破，提出利用大功率晶體管組成的PWM(脈沖寬度調(diào)制)逆變器構(gòu)成的APF來消除電網(wǎng)諧波。由于受當(dāng)時功率半導(dǎo)體器件水平以及控制策略的限制，APF的研制一直處在實驗階段。20世紀(jì)80年代以后，隨著電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的飛速發(fā)展，大功率可關(guān)斷器件(GTR、GT0, IGBT、IGCT等)的制造技術(shù)不斷進步，以及對非正弦條件下無功功率理論的深入研究，特別是1983年日本學(xué)者赤木泰文(Akagi.H)提出的“瞬時無功功率理論”， 為有源電力濾波器的實際應(yīng)用奠定了控制理論基礎(chǔ)，使得在70年代提出的有源電力濾波器的設(shè)想得以實現(xiàn)并得到快速發(fā)展。根據(jù)APF與電網(wǎng)的連接方式不同，APF可分為并聯(lián)型、串聯(lián)型、混合型和串-并聯(lián)型等幾種類型。并聯(lián)型APF適用于電流源型非線性負載的諧波電流抵消、無功及三相系統(tǒng)中的不平衡電流補償?shù)?，是?dāng)前應(yīng)用最廣泛的APF拓撲結(jié)構(gòu)。并聯(lián)型有源電力濾波器作為中小容量工業(yè)用戶的最佳選擇，它具有以下一些突出的優(yōu)勢和特點1).并聯(lián)有源濾波器具有優(yōu)良的綜合補償功能。對于各類用戶而言，除了能夠提供諧波、無功和不平衡補償外，還能夠補償電壓閃變和阻止電網(wǎng)與負載之間的諧振；2).不需要附加保護/隔離變壓器，連接使用最為方便，且不產(chǎn)生位移功率因數(shù)等問題，對非線性負載無任何影響；3).由于被控制為一個電流源，控制器設(shè)計相對簡單；4). APF的工作不受電網(wǎng)電壓諧波和頻率變化的影響，也不受負載不對稱因素和電網(wǎng)阻抗的影響；
5).最適合于和具有整流電路接口的大功率設(shè)備進行系統(tǒng)集成以滿足相關(guān)諧波標(biāo)準(zhǔn)，同時也能夠附加其它功能；6).能夠作為標(biāo)準(zhǔn)配置直接安裝使用，而不需要針對性的系統(tǒng)化設(shè)計，也能夠提供現(xiàn)有無源濾波裝置的改造和升級方案；7).具有模塊化并聯(lián)擴容潛力，以提供大容量諧波補償，各模塊可以設(shè)定為全諧波補償或者是單次諧波補償；8).并聯(lián)有源濾波器能夠被安裝于配電系統(tǒng)中，以阻尼由于功率因數(shù)校正電容或者無源濾波器和電網(wǎng)阻抗之間相互作用而導(dǎo)致的諧波擴散和諧振。正是因為APF所具有的一系列優(yōu)良性能，加上人類社會對電網(wǎng)質(zhì)量的要求日益提高，近年來，國內(nèi)外已開始在工業(yè)和民用設(shè)備上廣泛使用有源電力濾波器，并且單機裝置的容量逐步提高，其應(yīng)用領(lǐng)域從補償用戶自身的諧波轉(zhuǎn)向改善整個電力系統(tǒng)供電質(zhì)量的方向發(fā)展。有源電力濾波器的關(guān)鍵技術(shù)是指令電流的提取和補償電流的產(chǎn)生。指令電流的提取方法有多種，如以快速Rmrier變換(FFT)為基礎(chǔ)的全數(shù)字頻域濾波方法，這種方法存在較大延遲，實時性差，補償效果不是很好；基于現(xiàn)代控制理論的檢測方法；自適應(yīng)檢測法；基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法等等。但是，相對而言最佳的方法還是基于瞬時功率理論的空間矢量算法?！八矔r無功功率理論”的提出以及對這一理論的大量深入研究和不斷改進完善，將瞬時功率拓展為電壓電流的矢量運算，使瞬時功率理論擺脫了靜止坐標(biāo)系的框架，這樣，瞬時功率理論無論是對三相三線制還是對三相四線制系統(tǒng)、對稱還是非對稱系統(tǒng)都能適用， 加上大規(guī)?？删幊虜?shù)字邏輯芯片性能/價格比的日益提高，使得有源電力濾波器的指令電流的實時提取已經(jīng)能較好地解決。補償電流的控制和生成則是由主控模塊根據(jù)其運算并提取的指令電流來實時控制驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊產(chǎn)生PWM觸發(fā)脈沖，用以控制功率轉(zhuǎn)換模塊中各IGBT的有序通斷，產(chǎn)生合適的PWM輸出電壓，這一電壓，最后通過一種基于耦合電感的LCL濾波模塊濾除諧波后向電網(wǎng)注入補償電流，要使功率轉(zhuǎn)換模塊輸出的PWM電壓實時準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為補償電流，對濾波模塊提出了很高的要求。傳統(tǒng)的APF的PWM功率輸出大都是通過單電感與電網(wǎng)相連。 對于單電感的1階濾波器而言，對功率轉(zhuǎn)換級輸出的PWM開關(guān)紋波的衰減能力不足，將會使裝置輸出的補償電流中含有不需要的諧波成分。為增強對PWM電壓中的開關(guān)諧波的衰減作用，不得不增大電感值，這樣就會增大設(shè)備的體積重量，造成系統(tǒng)的成本升高，并使系統(tǒng)的動態(tài)跟蹤補償性能變差。為有效濾除開關(guān)諧波，可以將LC或LCR濾波器引入并聯(lián)APF中，但因電網(wǎng)阻抗不確定，LC或LCR濾波器有時難以獲得理想的濾波效果。而使用LCL濾波器能夠獲得比L和LC濾波器更優(yōu)異的性能和濾波效果，因而特別適用于大容量有源濾波裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在于提供了一種基于耦合電感的有源電力濾波裝置，能實時準(zhǔn)確地檢測出帶有非線性負載的電網(wǎng)中的無功和諧波電流，并以此電流作為指令電流，經(jīng)過主控模塊的運算，產(chǎn)生所需的觸發(fā)信號，再通過驅(qū)動模塊產(chǎn)生PWM觸發(fā)脈沖，控制功率轉(zhuǎn)換模塊中各IGBT的有序通斷，產(chǎn)生合適的PWM電壓，這一 PWM電壓，通過一種基于耦合電感的LCL濾波模塊濾波后向電網(wǎng)注入補償電流。為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，采用如下技術(shù)方案本發(fā)明的目的在于使裝置產(chǎn)生的補償電流動態(tài)跟蹤性好，補償電流始終動態(tài)跟蹤上述指令電流，且與之大小相等方向相反，可以補償系統(tǒng)電流中由非線性負載產(chǎn)生的基波無功和諧波電流。以達到對電力系統(tǒng)補償無功、消除諧波、提高功率因數(shù)和電能質(zhì)量的目的。一種基于耦合電感的有源電力濾波裝置，包括信號采集模塊、主控模塊、驅(qū)動模塊、功率轉(zhuǎn)換模塊、基于耦合電感的LCL濾波模塊，其特征在于信號采集模塊分別與電網(wǎng)、主控模塊連接，驅(qū)動模塊分別與主控模塊、功率轉(zhuǎn)換模塊連接，基于耦合電感的LCL濾波模塊分別與功率轉(zhuǎn)換模塊、電網(wǎng)、非線性負載連接；所述基于耦合電感的LCL濾波模塊(6)為一種采用耦合電感Lp L2和電容器C組成的濾波模塊，基于耦合電感的LCL濾波模塊中的電感L1和電感L2的線圈繞制在一個共用的開有氣隙的閉合鐵芯上，形成耦合電感；基于耦合電感的LCL濾波模塊共用三組(LlaCaL2a、LlbCbL2b, LlcCcL2c)，對應(yīng)于三相電網(wǎng)每相使用一組(見圖1和圖2)，如圖2所示，對于電網(wǎng)a相而言，電感Lla的同名端與功率轉(zhuǎn)換模塊中相對應(yīng)的輸出端相連，電感Lla的非同名端與電感L2a的同名端、電容器Ca相連，電感L2a的非同名端與電網(wǎng)之a(chǎn)相和非線性負載相連，電容器Ca的另一端與其他兩相中電容器Cb、電容器C。的相同端點相連。b相和c相的接法與a相相同。指令電流的提取產(chǎn)生方法是1).通過信號采集模塊中的傳感器采集三相電網(wǎng)電壓和電流信號，并進行信號調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換后送入主控模塊。2).主控模塊對從信號采集模塊送入的數(shù)字信號進行一系列坐標(biāo)變換運算、數(shù)字低通濾波、坐標(biāo)反變換運算、加法運算等，完成指令電流的提取。所述的主控模塊C3)運算和提取指令電流的步驟是a.通過數(shù)字鎖相環(huán)(Phase Lock Loop)提取與電網(wǎng)a相電壓Ua同步的正弦sin ω t 禾口余弦cos cot。b.將經(jīng)過處理后的三相電網(wǎng)電流isa、isb、is。與sin ω t和cos ω t進行dqo坐標(biāo)變換，求出與之相應(yīng)的dqo坐標(biāo)下的id、i。。c.對id、i,進行數(shù)字低通濾波(Low Pass Filter)處理，提取其直流分量[、Tq (經(jīng)過低通濾波后的[、ζ即分別代表基波有功電流分量和基波無功電流分量)。d.將萬、ζ、i。與sin ω t和cos ω t進行dqo坐標(biāo)反變換(變換時令ζ等于零，在三相三線制下i。等于零)，求取三相電網(wǎng)基波有功電流iaf、ibf、icf0e.將isa、isb、is。與。、‘、。進行減法運算，即可求出三相電網(wǎng)電流中的基波無功和諧波電流iah、ibh、i。h亦即所需的指令電流。補償電流的控制與生成則采用滯環(huán)電流控制(HysteresisCur-rent Control)方法，滯環(huán)電流控制是一種非線性閉環(huán)電流控制方法。它利用滯環(huán)比較器形成一個以指令電流為中心的滯環(huán)，通過反饋電力有源濾波器的輸出電流來與以指令電流為中心的滯環(huán)進行比較，產(chǎn)生選通信號，選通信號通過驅(qū)動模塊產(chǎn)生PWM觸發(fā)脈沖，用以控制控制功率轉(zhuǎn)換模塊中各IGBT的有序通斷，產(chǎn)生合適的PWM電壓。滯環(huán)電流控制中電流反饋的存在加快了動態(tài)響應(yīng)速度，增強了抑制環(huán)內(nèi)擾動的能力，控制精度較高，并且不需要知道負載的參數(shù)。此外，還可防止逆變器過流從而保護大功率開關(guān)器件。由功率轉(zhuǎn)換模塊生成的PWM電壓，需要通過濾波模塊濾去其諧波，以便向電網(wǎng)注入補償電流。本發(fā)明采用一種基于耦合電感的LCL 濾波模塊，濾波器中的兩個電感L1和L2是將其線圈繞制在一個共用鐵芯上的耦合電感，兩個線圈繞組的激磁安匝在共用鐵芯上產(chǎn)生的磁通互相疊加，，使得兩個線圈之間的互感增大了單個線圈的電感量。這樣就可以在保證濾波效果的同時，減小了濾波電感的體積和重量、降低了電力有源濾波器的成本。


圖1為一種基于耦合電感的有源電力濾波裝置的原理框圖；圖2為一種基于耦合電感的有源電力濾波裝置的主電路拓撲圖；圖中功率轉(zhuǎn)換模塊5的電路拓撲為由IGBT組成的三相電壓型PWM整流器，PWM整流器的三個輸出端分別通過三組基于耦合電感的LCL(LlaCaL2a、LlbCbL2b、LleC。L2。)濾波器6與三相電網(wǎng)1及三相非線性負載7相連。圖中&a、Zsb, Zs。為電網(wǎng)內(nèi)阻抗，Lfa、Lfb, Lfc為線路寄生電感，RcULd為整流電路后面的負載。圖3為一種耦合電感的電磁結(jié)構(gòu)圖；圖中Ll和L2為耦合電感，附和N2分別為上述兩個耦合電感線圈的匝數(shù)，C為LCL 濾波器的電容。圖如為一種耦合電感同名端及其與電容器C的電路示意圖。圖4b為一種耦合產(chǎn)生的互感對兩個線圈電感的增強電路示意圖。圖5為指令電流提取運算框圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述根據(jù)圖1可知，一種基于耦合電感的有源電力濾波裝置，它包括信號采集模塊2、 主控模塊3、驅(qū)動模塊4、功率轉(zhuǎn)換模塊5、基于耦合電感的LCL濾波模塊6，其特征在于信號采集模塊2與電網(wǎng)1、主控模塊3連接，驅(qū)動模塊4與主控模塊3、功率轉(zhuǎn)換模塊5連接， 基于耦合電感的LCL濾波模塊6與功率轉(zhuǎn)換模塊5、電網(wǎng)1、非線性負載7連接。信號采集模塊2由高精度的霍爾電流傳感器、霍爾電壓傳感器、高速低功耗四通道十二位同時采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7864-3等器件組成，主控模塊3由TMS320F2812型DSP和EP2C20Q240C8型 FPGA等器件組成，驅(qū)動模塊4由CPLD和IGBT的功率驅(qū)動器件M57962等器件組成，功率轉(zhuǎn)換模塊5則為由IGBT組成的三相電壓型PWM整流器，所述的基于耦合電感的LCL濾波模塊 6為耦合電感‘ L2和電容器C組成的濾波模塊，濾波器中的電感L1和L2是將其線圈繞制在一個共用的開有氣隙的閉合鐵芯上的耦合電感，兩個線圈之間的互感增大了單個線圈的電感量，基于耦合電感的LCL濾波模塊6共三組(LlaCaL2a、LlbCbL2b、LleCeL2e)，對應(yīng)于三相電網(wǎng)每相使用一組，對于a相而言，電感Lla的同名端與功率轉(zhuǎn)換模塊5的輸出端相連，電感Lla 的非同名端與電感L2a的同名端、電容器Ca相連，電感L2a的非同名端與電網(wǎng)1和非線性負載7相連，電容器Ca的另一端與其他兩相中電容器Cb、電容器C。的相同端點相連。
根據(jù)圖2可知，一種基于耦合電感的有源電力濾波裝置的主電路拓撲圖，功率轉(zhuǎn)換模塊5的電路拓撲為由IGBT組成的三相電壓型PWM整流器，PWM整流器的三個輸出端分別通過三組基于耦合電感的LCL(LlaCaL2a、LlbCbL2b、LleCeL2e)濾波模塊6與三相電網(wǎng)1及三相非線性負載7相連。圖中&a、Zsb, Zs。為電網(wǎng)內(nèi)阻抗，Lfa、Lfb, Lfc為線路寄生電感，Rd、Ld為整流電路后面的負載。根據(jù)圖3可知，一種耦合電感的電磁結(jié)構(gòu)圖，將電感L1的線圈繞組N1與電感L2的線圈繞組N2繞制在同一個開有氣隙的閉合鐵芯之上，并且將其同名端首尾相接，兩個線圈繞組的激磁磁勢I1N1和在閉合鐵芯中產(chǎn)生的磁通互相疊加增強，在鐵芯環(huán)路中加開氣隙可以改善鐵芯電感的線性度，并可防止鐵芯飽和。上述措施，幾乎成倍地增大了兩個電感線圈的電感量。根據(jù)圖4可知，一種耦合電感的等效電感串聯(lián)及其與電容器C組成的LCL濾波器電路圖，其中圖如為耦合電感同名端及其與電容器C的連接方式，圖4b表示因耦合產(chǎn)生的互感對兩個線圈電感的增強。一種基于耦合電感的有源電力濾波裝置，如前所述，并聯(lián)有源電力濾波器的作用， 就是補償電網(wǎng)中因非線性負載產(chǎn)生的無功和諧波電流，要實現(xiàn)準(zhǔn)確的補償和良好的動態(tài)跟蹤性能，兩項關(guān)鍵的技術(shù)就是指令電流的提取和補償電流的控制及其生成。下面，陳述具體實施方式
。首先，電力濾波裝置必須能實時、準(zhǔn)確地提取電網(wǎng)中因非線性負載而產(chǎn)生的無功和諧波電流，并以此電流作為指令電流。為此，采用了由TMS320F2812型DSP和 EP2C20Q240C8型FPGA組成的功能強大主控系統(tǒng)來完成AD、無功和諧波電流的數(shù)字提取、DA 以及PWM選通信號的生成等系統(tǒng)功能。TMS320F觀12是TI公司新推出的一款32位定點高速DSP芯片，采用8級指令流水線，單周期3^32位MAC功能，最高速度每秒鐘可執(zhí)行1. 50 億條指令(150MIPS)，保證了控制和信號處理的快速性和實時性。另外TMS320F2812片上還集成了豐富的外部資源，支持C/C++編程語言，是一種合適的可編程邏輯器件。指令電流的提取方式及步驟如下1).通過霍爾傳感器實時提取三相電網(wǎng)的電壓和電流信號usa、usb、Us。，isa、isb、isc， 經(jīng)過信號調(diào)理和AD轉(zhuǎn)換后送往主控。2).采用基于過零比較的數(shù)字鎖相環(huán)算法提取與電網(wǎng)某相電壓(在此取a相)Usa 同相位的正弦和余弦信號sin t和cos cot?；谶^零檢測的鎖相環(huán)算法方便在DSP下實現(xiàn)且完全不受頻率偏差的影響。3).實施abc/dqo坐標(biāo)變換運算，求取與isa、isb、is。相對應(yīng)的dqo坐標(biāo)下的ipi,、 i。，運算方程如下式中
權(quán)利要求
1.一種基于耦合電感的有源電力濾波裝置，它由信號采集模塊O)、主控模塊(3)、驅(qū)動模塊G)、功率轉(zhuǎn)換模塊(5)、基于耦合電感的LCL濾波模塊(6)組成，其特征在于信號采集模塊( 分別與電網(wǎng)(1)、主控模塊C3)連接，驅(qū)動模塊(4)分別與主控模塊(3)、功率轉(zhuǎn)換模塊(5)連接，基于耦合電感的LCL濾波模塊(6)分別與功率轉(zhuǎn)換模塊(5)、電網(wǎng)(1)、 非線性負載(7)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于耦合電感的有源電力濾波裝置，其特征在于所述的基于耦合電感的LCL濾波模塊(6)為電感L1、電感L2和電容器C組成的濾波模塊，基于耦合電感的LCL濾波模塊(6)中的電感L1和電感L2是將其線圈繞制在一個共用的開有氣隙的閉合鐵芯上的耦合電感，兩個線圈之間的互感增大了單個線圈的電感量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于耦合電感的有源電力濾波裝置，其特征在于所述的基于耦合電感的LCL濾波模塊(6)共三組(LlaCaL2a, LlbCbL2b, Llc;C。Lj，其中a相電感Lla 的同名端與功率轉(zhuǎn)換模塊(5)中相對應(yīng)的輸出端相連，電感Lla的非同名端與電感的同名端、電容器Ca相連，電感的非同名端與電網(wǎng)(1)之a(chǎn)相連，電容器Ca的另一端與其他兩相中電容器Cb、C。的相同端點相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于耦合電感的有源電力濾波裝置，其特征在于所述的功率轉(zhuǎn)換模塊(5)的電路拓撲為由IGBT組成的三相電壓型PWM整流器，PWM整流器的三個輸出端分別通過三組基于耦合電感的LCL濾波模塊(6)與三相電網(wǎng)(1)及三相非線性負載(7)相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于耦合電感的有源電力濾波裝置，其特征在于所述的主控模塊( 運算和提取指令電流的步驟是a)通過數(shù)字鎖相環(huán)提取與電網(wǎng)A相電壓Ua同步的sincot和coscot；b)將經(jīng)過處理后的三相電網(wǎng)電流isa、isb、isc與sincot和coscot進行dqo坐標(biāo)變換， 求出與之相應(yīng)的dqo坐標(biāo)下的id、i0 ；c)對id、i,進行數(shù)字低通濾波處理，提取其直流分量 經(jīng)過低通濾波后的 、 即分別代表基波有功電流分量和基波無功電流分量；d)將 、i。與sinω t和cos ω t進行dqo坐標(biāo)反變換變換時令^等于零，在三相三線制下i。等于零，求取三相電網(wǎng)基波有功電流iaf、ibf、icf ；e)將isa、isb、isc與iaf、ibf、i。f進行減法運算，求出三相電網(wǎng)電流中的基波無功和諧波電流亦即所需的指令電流iah、ibh、i。h。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于耦合電感的有源電力濾波裝置，它由信號采集模塊、主控模塊、驅(qū)動模塊、功率轉(zhuǎn)換模塊、基于耦合電感的LCL濾波模塊組成。提取指令電流的步驟是首先是通過數(shù)字鎖相環(huán)提取與電網(wǎng)A相電壓ua同步的sinωt和cosωt；其次是將三相電網(wǎng)電流進行dqo坐標(biāo)變換，求出dqo坐標(biāo)系下的電流id、iq、io；第三是對id、iq進行數(shù)字低通濾波處理，提取其直流分量；第四是將io與sinωt和cosωt進行dqo坐標(biāo)反變換；第五是進行減法運算，求出三相電網(wǎng)電流中的基波無功和諧波電流。經(jīng)過滯環(huán)比較控制，產(chǎn)生PWM選通信號和觸發(fā)脈沖，控制功率轉(zhuǎn)換模塊中各IGBT的有序通斷，產(chǎn)生PWM電壓，通過濾波模塊濾波后向電網(wǎng)注入補償電流。
文檔編號H02J3/01GK102290815SQ201110241619
公開日2011年12月21日 申請日期2011年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月22日
發(fā)明者畢平勁, 王宏英, 羅運成 申請人:湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司