專(zhuān)利名稱(chēng)：針對(duì)低壓大電流諧波的多機(jī)分次式完全有源型治理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多機(jī)分次式完全有源型治理裝置，特別涉及一種針對(duì)低壓大電流諧波污染源的多機(jī)分次式完全有源型治理裝置。
背景技術(shù)：
低壓大電流諧波污染源廣泛存在于電網(wǎng)，如化工燒堿行業(yè)電解用低壓大容量整流裝置，這些大容量諧波電流對(duì)電網(wǎng)、其他用電設(shè)備、特別是用電可靠性都會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重影響。 最好解決方法是在低壓大電流諧波電流污染源最近處投入補(bǔ)償裝置，當(dāng)前常見(jiàn)的有三種方案無(wú)源濾波器組治理、多機(jī)全補(bǔ)償并聯(lián)的有源濾波治理、多機(jī)全補(bǔ)償并聯(lián)的有源濾波和無(wú)源濾波組合的混合型治理。無(wú)源濾波器組治理，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其補(bǔ)償精度不高，無(wú)法過(guò)流限幅輸出、與電網(wǎng)可能發(fā)生諧振而放大諧波、大容量的無(wú)源濾波器組體積龐大不便安裝，因此這種方案不適于低壓大電流諧波的補(bǔ)償治理；多機(jī)全補(bǔ)償并聯(lián)的有源濾波治理， 由于單機(jī)全補(bǔ)償時(shí)功率單元運(yùn)行開(kāi)關(guān)頻率所需較高，使得單機(jī)補(bǔ)償容量不能很大，用于補(bǔ)償?shù)蛪捍箅娏髦C波時(shí)，所需功率單元太多、實(shí)現(xiàn)成本巨大，因此也不適用于低壓大電流諧波的補(bǔ)償治理；多機(jī)并聯(lián)的全補(bǔ)償有源濾波和無(wú)源濾波組合的混合型治理，是上述兩種方法的組合，當(dāng)?shù)蛪捍箅娏髦C波在低頻段和高頻段絕對(duì)含量都很大時(shí)，這種方法也同樣面臨補(bǔ)償容量和成本、補(bǔ)償容量和可靠性、補(bǔ)償容量和補(bǔ)償精度的矛盾限制，可行性不高。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的針對(duì)上述現(xiàn)有存在的問(wèn)題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種針對(duì)低壓大電流諧波的多機(jī)分次式完全有源型治理裝置，使得有限的功率單元整體補(bǔ)償容量最大化，實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓大電流諧波的高精度、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的完全有源型治理。技術(shù)方案為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種針對(duì)低壓大電流諧波的多機(jī)分次式完全有源型治理裝置，包括主控制器、多個(gè)補(bǔ)償組、第一電流傳感器和第一電壓傳感器，所述補(bǔ)償組包括若干功率單元，所述功率單元包括三相電壓型PWM變流器和從控制器，所述第一電流傳感器采集負(fù)載側(cè)的電流信號(hào)并輸入所述主控制器，所述第一電壓傳感器采集電網(wǎng)側(cè)的電壓信號(hào)并輸入所述主控制器，所述主控制器根據(jù)負(fù)載側(cè)的電流信號(hào)和電網(wǎng)側(cè)的電壓信號(hào)形成補(bǔ)償指令電流和同步信號(hào)，輸入所述從控制器，從控制器根據(jù)所述補(bǔ)償指令電流和同步信號(hào)形成控制所述三相電壓型PWM變流器的PWM信號(hào)，所述三相電壓型PWM變流器輸出諧波補(bǔ)償電流到電網(wǎng)。所述主控制器可包括諧波檢測(cè)模塊、補(bǔ)償指令電流生成和分配模塊和功率單元時(shí)基同步模塊；所述低頻段諧波分次檢測(cè)模塊用于檢測(cè)出負(fù)載側(cè)電流中的諧波；所述補(bǔ)償指令電流生成和分配模塊用于接收第一電流傳感器的電流信號(hào)，從而生成各功率單元的補(bǔ)償指令電流，分配給各個(gè)功率單元；所述功率單元時(shí)基同步模塊用于向各功率單元發(fā)送同步信號(hào)，協(xié)調(diào)各功率單元同步運(yùn)行。所述第一電壓傳感器可采集電網(wǎng)側(cè)的電壓信號(hào)并輸入所述從控制器，還包括第二電壓傳感器和第二電流傳感器，所述第二電壓傳感器采集所述三相電壓型PWM變流器的直流母線(xiàn)電壓并輸入所述從控制器，所述第二電流傳感器采集三相電壓型PWM變流器的橋臂電流信號(hào)并輸入所述從控制器。所述從控制器可包括直流母線(xiàn)電壓閉環(huán)控制模塊、補(bǔ)償電流閉環(huán)控制模塊、時(shí)基同步模塊和混合PWM調(diào)制模塊；所述直流母線(xiàn)電壓閉環(huán)控制模塊用于穩(wěn)定直流側(cè)電容電壓；所述補(bǔ)償電流閉環(huán)控制模塊用于接收主控制器的補(bǔ)償指令電流，并與橋臂電流作比較； 所述時(shí)基同步模塊用于接收主控制器的同步信號(hào)；所述混合PWM調(diào)制模塊用于控制三相電壓型PWM變流器生成補(bǔ)償電流。低壓大電流諧波由多個(gè)小容量功率單元并機(jī)補(bǔ)償，所述補(bǔ)償指令電流可按照頻段最優(yōu)分配至各特定頻段補(bǔ)償組的功率單元，相同頻段下的補(bǔ)償指令電流可按照有效值最優(yōu)分配至該頻段補(bǔ)償組的功率單元。通過(guò)補(bǔ)償指令電流頻段最優(yōu)分解低頻段補(bǔ)償組功率單元開(kāi)關(guān)頻率低，額定輸出容量相對(duì)較高；高頻段補(bǔ)償組功率單元開(kāi)關(guān)頻率高，額定輸出容量相對(duì)較低。這樣有限的功率單元整體輸出容量可以實(shí)現(xiàn)最大化，滿(mǎn)足低壓大電流補(bǔ)償容量要求。同時(shí)相同頻段下的補(bǔ)償指令電流通過(guò)有效值最優(yōu)分配至該頻段補(bǔ)償組下一定數(shù)量的功率單元補(bǔ)償輸出，并且各功率單元通過(guò)混合PWM調(diào)制多重化運(yùn)行，減少輸出的總的補(bǔ)償電流紋波，使得補(bǔ)償精度大大提高。整個(gè)控制任務(wù)由主從控制器分布式實(shí)現(xiàn)，主控制器負(fù)責(zé)諧波污染源負(fù)載電流采集、諧波檢測(cè)、補(bǔ)償指令電流生成和優(yōu)化分配以及各功率單元時(shí)基同步；從控制器負(fù)責(zé)各功率單元母線(xiàn)電壓控制、補(bǔ)償電流閉環(huán)控制以及PWM信號(hào)輸出。主從控制器通過(guò)光纖通訊。所述補(bǔ)償指令電流頻段最優(yōu)分解是指將相對(duì)含量高的低頻段諧波電流分配至開(kāi)關(guān)頻率相對(duì)低、額定補(bǔ)償容量相對(duì)高的功率單元補(bǔ)償輸出，相對(duì)含量低的高頻段諧波電流分配至開(kāi)關(guān)頻率相對(duì)高、額定容量相對(duì)低的功率單元補(bǔ)償輸出。這種方法結(jié)合了典型低壓大電流諧波低頻段諧波含量相對(duì)高而高頻段諧波電流含量相對(duì)低的特點(diǎn)，以及電力電子開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成功率單元輸出補(bǔ)償電流頻段與所需開(kāi)關(guān)頻率成正比而開(kāi)關(guān)頻率與所輸出容量成反比的特點(diǎn)，使得多機(jī)分次補(bǔ)償?shù)恼w容量最大化。所述相同頻段下的補(bǔ)償指令電流的有效值最優(yōu)分解是指相同頻段下的補(bǔ)償指令電流根據(jù)其有效值和該頻段補(bǔ)償組功率單元的額定補(bǔ)償容量，最少功率單元數(shù)平均分配補(bǔ)償電流，使得一定的補(bǔ)償輸出容量下所需數(shù)量的功率單元可以多重化運(yùn)行，抵消總補(bǔ)償電流紋波，提高補(bǔ)償精度，而且降低自身?yè)p耗。所述相同頻段的功率單元采用混合PWM調(diào)制多重化運(yùn)行是指補(bǔ)償指令電流相同的投運(yùn)功率單元在PWM調(diào)制環(huán)節(jié)采用載波移相(針對(duì)三角載波調(diào)制)或是矢量序列分解移相(針對(duì)SVM調(diào)制)，使各功率單元輸出相同頻段補(bǔ)償電流，同時(shí)互相抵消開(kāi)關(guān)次紋波電流， 提高補(bǔ)償精度。有益效果本發(fā)明結(jié)合典型低壓大電流諧波特點(diǎn)和功率單元電力電子開(kāi)關(guān)器件特點(diǎn)，采用按有效值和頻段兩方面合理分配補(bǔ)償電流至各功率單元多機(jī)分次補(bǔ)償?shù)蛪捍箅娏髦C波，使得有限的功率單元數(shù)補(bǔ)償容量最大化，同時(shí)多重化模式運(yùn)行使得補(bǔ)償精度大大提高，完全有源型的低壓大電流諧波治理具有高精度、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)、補(bǔ)償超限輸出、補(bǔ)償分次可選等多種優(yōu)點(diǎn)，大容量輸出的小容量功率單元并機(jī)實(shí)現(xiàn)使單機(jī)出故障不影響整個(gè)系統(tǒng)，可靠性和穩(wěn)定性隨之大大提高。


圖1是針對(duì)低壓大電流諧波的多機(jī)分次式完全有源型治理裝置整體結(jié)構(gòu)框圖；圖2是三相電壓型PWM變流器輸出容量分析圖；圖3是相同頻段補(bǔ)償組功率單元有效值最優(yōu)分配原理框圖；圖4是單個(gè)功率單元結(jié)構(gòu)框圖；圖5是主控制器結(jié)構(gòu)框圖；圖6是本發(fā)明提供裝置治理化工燒堿電解大功率整流低壓大電流諧波示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。如圖1所示，低壓大電流諧波電流由多個(gè)小容量并網(wǎng)功率單元并機(jī)分次補(bǔ)償(通常是三相電壓型PWM變流器通過(guò)并網(wǎng)連接電路并接至電網(wǎng))，即所需總補(bǔ)償電流按頻段和有效值兩方面最優(yōu)分配，形成各指定頻段補(bǔ)償組功率單元，頻段低的補(bǔ)償組功率單元運(yùn)行開(kāi)關(guān)頻率低，補(bǔ)償含量高的低頻段諧波電流，而頻段高的補(bǔ)償組功率單元運(yùn)行開(kāi)關(guān)頻率高，補(bǔ)償含量低的高頻段諧波電流。同時(shí)相同頻段補(bǔ)償組內(nèi)的功率單元按有效值分配補(bǔ)償指令電流，并且該組功率單元采用混合PWM調(diào)制多重化運(yùn)行。整個(gè)控制任務(wù)由主從控制系統(tǒng)分布式實(shí)現(xiàn)，主控制器采集負(fù)載電流和網(wǎng)側(cè)電壓，生成各功率單元的補(bǔ)償指令電流，并通過(guò)光纖下發(fā)，而各從控制器負(fù)責(zé)各功率單元母線(xiàn)電壓控制、補(bǔ)償電流閉環(huán)控制以及PWM信號(hào)輸出?？偟难a(bǔ)償指令電流首先按照頻段進(jìn)行分配至各特定頻段補(bǔ)償組的功率單元，典型的功率單元由三相電壓型PWM變流器經(jīng)過(guò)電感(即并網(wǎng)連接電路)連接至電網(wǎng)，其并網(wǎng)輸出補(bǔ)償電流容量主要由三相電壓型PWM變流器額定參數(shù)運(yùn)行時(shí)自身功耗所產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)器件IGBTansulated Gate Bipolar ^Transistor，絕緣柵雙極型晶體管)結(jié)溫所限定，而影響三相電壓型PWM變流器自身功耗的主要參數(shù)是其額定運(yùn)行時(shí)的開(kāi)關(guān)頻率和直流母線(xiàn)電壓， 與輸出電流頻段等其他參數(shù)關(guān)系不大，直流母線(xiàn)電壓又由網(wǎng)側(cè)電壓所限定，通常恒定不變， 所以在額定母線(xiàn)電壓下運(yùn)行三相電壓型PWM變流器輸出容量主要由其開(kāi)關(guān)頻率決定。由圖2所示的三相電壓型PWM變流器功耗分析，直流母線(xiàn)電壓恒定1100V，散熱條件恒定，輸出電流有效值為500A時(shí)，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率是I時(shí)，開(kāi)關(guān)器件(IGBT)的結(jié)溫為106°C，小于其最大定額(150°C )，而當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率IOK時(shí)，開(kāi)關(guān)器件(IGBT)的結(jié)溫為178°C，大于其最大定額 (150°C )。同時(shí)典型低壓大電流諧波特點(diǎn)是低頻段諧波含量高，而高頻段諧波含量低，功率單元輸出補(bǔ)償電流頻段決定其最小開(kāi)關(guān)頻率。這樣通過(guò)總補(bǔ)償指令電流的頻段分解，頻段低的補(bǔ)償組開(kāi)關(guān)頻率低、額定補(bǔ)償容量大，頻率高的補(bǔ)償組開(kāi)關(guān)頻率高、額定補(bǔ)償容量小。 實(shí)現(xiàn)了有限功率單元輸出滿(mǎn)足需要的最大補(bǔ)償容量。相同頻段下補(bǔ)償組功率單元按有效值最優(yōu)分解如圖3所示，按該頻段的補(bǔ)償電流容量和補(bǔ)償該頻段電流下一定的開(kāi)關(guān)頻率、直流母線(xiàn)電壓的單個(gè)功率單元容量，投運(yùn)滿(mǎn)足輸出容量要求的最少數(shù)目功率單元，然后平均分擔(dān)補(bǔ)償電流。投運(yùn)功率單元多重化運(yùn)行，輸出相同補(bǔ)償電流的同時(shí)，相互抵消紋波電流，提高整個(gè)該頻段補(bǔ)償電流的精度。單個(gè)功率單元如圖4所示，主電路由三相電壓型PWM變流器和并網(wǎng)連接電路(電感)構(gòu)成，從控制器執(zhí)行的控制模塊包括直流母線(xiàn)電壓閉環(huán)控制模塊、補(bǔ)償電流閉環(huán)控制模塊、時(shí)基同步模塊和混合HVM調(diào)制模塊。從控制器接收來(lái)自主控制器的補(bǔ)償指令電流和同步信號(hào)，通過(guò)采集變流器的橋臂電流、網(wǎng)側(cè)電壓和直流母線(xiàn)電壓，控制功率單元發(fā)出給定補(bǔ)償指令電流。主控制器如圖5所示，采集負(fù)載電流和網(wǎng)側(cè)電壓，執(zhí)行的控制模塊包括諧波檢測(cè)模塊，補(bǔ)償指令電流生成和分配模塊，功率單元時(shí)基同步模塊。主控制器通過(guò)光纖通訊下發(fā)所需的補(bǔ)償指令電流至各功率單元系統(tǒng)。圖6是本發(fā)明對(duì)化工燒堿大功率整流電解的低壓大電流諧波污染源的具體實(shí)現(xiàn)圖，表1是化工燒堿電解大功率整流低壓大電流諧波的FFT分析結(jié)果。表中給出的是基波及各次諧波的含量，RMS表示電流有效值。從表1中可以看出，基波含量遠(yuǎn)大于諧波含量， 并且隨著諧波次數(shù)的增加，諧波含量逐漸減少。表1
次數(shù)含量(RMS，A)次數(shù)含量(RMS，A)基波5.6683K氺氺51.2867K130. 2552K70.5377K170.1752K110.4097K190. 1238K
權(quán)利要求
1.一種針對(duì)低壓大電流諧波的多機(jī)分次式完全有源型治理裝置，其特征在于包括主控制器、多個(gè)補(bǔ)償組、第一電流傳感器和第一電壓傳感器，所述補(bǔ)償組包括若干功率單 >元， 所述功率單元包括三相電壓型PWM變流器和從控制器，所述第一電流傳感器采集負(fù)載側(cè)的電流信號(hào)并輸入所述主控制器，所述第一電壓傳感器采集電網(wǎng)側(cè)的電壓信號(hào)并輸入所述主控制器，所述主控制器根據(jù)負(fù)載側(cè)的電流信號(hào)和電網(wǎng)側(cè)的電壓信號(hào)形成補(bǔ)償指令電流和同步信號(hào)，輸入所述從控制器，從控制器根據(jù)所述補(bǔ)償指令電流和同步信號(hào)形成控制所述三相電壓型PWM變流器的PWM信號(hào)，所述三相電壓型PWM變流器輸出諧波補(bǔ)償電流到電網(wǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述針對(duì)低壓大電流諧波的多機(jī)分次式完全有源型治理裝置，其特征在于所述主控制器包括諧波檢測(cè)模塊、補(bǔ)償指令電流生成和分配模塊和功率單元時(shí)基同步模塊；所述低頻段諧波分次檢測(cè)模塊用于檢測(cè)出負(fù)載側(cè)電流中的諧波；所述補(bǔ)償指令電流生成和分配模塊用于接收第一電流傳感器的電流信號(hào)，從而生成各功率單元的補(bǔ)償指令電流，分配給各個(gè)功率單元；所述功率單元時(shí)基同步模塊用于向各功率單元發(fā)送同步信號(hào)，協(xié)調(diào)各功率單元同步運(yùn)行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述針對(duì)低壓大電流諧波的多機(jī)分次式完全有源型治理裝置，其特征在于所述第一電壓傳感器采集電網(wǎng)側(cè)的電壓信號(hào)并輸入所述從控制器，還包括第二電壓傳感器和第二電流傳感器，所述第二電壓傳感器采集所述三相電壓型PWM變流器的直流母線(xiàn)電壓并輸入所述從控制器，所述第二電流傳感器采集三相電壓型PWM變流器的橋臂電流信號(hào)并輸入所述從控制器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述針對(duì)低壓大電流諧波的多機(jī)分次式完全有源型治理裝置，其特征在于所述從控制器包括直流母線(xiàn)電壓閉環(huán)控制模塊、補(bǔ)償電流閉環(huán)控制模塊、時(shí)基同步模塊和混合PWM調(diào)制模塊；所述直流母線(xiàn)電壓閉環(huán)控制模塊用于穩(wěn)定直流側(cè)電容電壓；所述補(bǔ)償電流閉環(huán)控制模塊用于接收主控制器的補(bǔ)償指令電流，并與橋臂電流作比較；所述時(shí)基同步模塊用于接收主控制器的同步信號(hào)；所述混合PWM調(diào)制模塊用于控制三相電壓型 PWM變流器生成補(bǔ)償電流。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述針對(duì)低壓大電流諧波的多機(jī)分次式完全有源型治理裝置，其特征在于所述補(bǔ)償指令電流按照頻段最優(yōu)分配至各特定頻段補(bǔ)償組的功率單元，相同頻段下的補(bǔ)償指令電流按照有效值最優(yōu)分配至該頻段補(bǔ)償組的功率單元。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種針對(duì)低壓大電流諧波的多機(jī)分次式完全有源型治理裝置，將低壓大電流諧波按頻段和有效值兩方面最優(yōu)分配至各小容量并網(wǎng)功率單元多機(jī)分次補(bǔ)償相同頻段補(bǔ)償組功率單元模塊相同，按有效值最優(yōu)分配該頻段補(bǔ)償電流，并采用混合PWM策略多重化運(yùn)行，抵消紋波電流，提高補(bǔ)償精度；不同頻段補(bǔ)償組功率單元，補(bǔ)償頻段高的開(kāi)關(guān)頻率高、補(bǔ)償容量低，補(bǔ)償頻段低的開(kāi)關(guān)頻率低、補(bǔ)償容量高，最大化整體的補(bǔ)償容量；整個(gè)控制任務(wù)由主從數(shù)控系統(tǒng)分布式實(shí)現(xiàn)，主控系統(tǒng)負(fù)責(zé)補(bǔ)償指令電流運(yùn)算、分配，各從控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)應(yīng)功率單元補(bǔ)償電流閉環(huán)控制。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓大電流諧波的高精度、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的完全有源型治理。
文檔編號(hào)H02J3/01GK102394499SQ20111034308
公開(kāi)日2012年3月28日 申請(qǐng)日期2011年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月3日
發(fā)明者劉康禮, 孟瑋, 曹武, 趙劍鋒 申請(qǐng)人:東南大學(xué)