CN101055991A - 380v***有源电力滤波装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种380V***有源电力滤波装置，包括有源滤波器支路1、与有源滤波支路1的三相电流相连接的电流传感器CT1、与负载三相电流相连接的电流传感器CT2、与三相电压相连接的电压传感器PT，以及与上述四个组成部分相连接的数字信号处理器2；该装置还包括通过***总线与数字信号处理器2进行通讯的显示和人机对话控制装置。本发明的高度可控性和快速响应特性保证了无功补偿的实时性，并在提高消除谐波的动态能力、补偿投入后对***电能质量产生的不良影响，也能起到稳定电压、无功补偿、提高功率因数的作用。

Description

380V***有源电力滤波装置

技术领域：

本发明涉及一种380V***有源电力滤波装置，特别是利用电力电子技术、采用电力电子器件开发并应用在电力***中电能质量控制的有源滤波装置。

背景技术：

实际应用中，消除供电***谐波主要采取两种滤波方法：无源LC滤波器和有源电力滤波器滤波。

目前工程上应用最多的是无源LC滤波器，它结构简单，投资少，可靠性高，运行费用也比较低。无源滤波器(Passive Power Filter，简称PPF)，通常是采用电力电容器、电抗器和电阻按功能要求组合而成。其滤波原理是提供一并联低阻抗通路，滤波特性由***和滤波器的阻抗比所决定，因此PPF就存在以下缺点：

(1)滤波特性受***参数与运行工况影响比较大，设计起来较困难。谐振频率依赖于元件参数，因此只能对主要谐波进行滤波。LC参数的漂移将导致滤波特性改变，使滤波性能不稳定；

(2)电网参数与LC可能产生并联谐振，从而使该次谐波分量放大，电网供电质量下降；

(3)滤波要求和无功补偿、调压要求难以协调；

(4)无源参数老化后易于发生漂移，从而最终达不到预期的滤波效果。

有源电力滤波器(Active Power Filter，简称APF)，即利用可控的功率半导体器件向电网注入与谐波源电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，以达到实时补偿谐波电流的目的。它与无源滤波器相比，有以下特点：

(1)不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变，补偿无功，有一机多能的特点，在性价比上较为合理；

(2)滤波特性不受***阻抗等的影响，可消除与***阻抗发生谐振的危险；

(3)具有控制参数自调整功能，可自动跟踪补偿变化的谐波，即具有高度可控性和快速响应性等特点。

此前，国内也有很多对电力有源滤波器的研究：例如，耦合变压器型串联有源电力滤波器，但是这种有源电力滤波器只能补偿纹波电压的正半部分。还有的并联型电力有源滤波器，其电压等级难于达到规定电压，或者其电流谐波总畸变率并未有效降低到国家规定值。

发明内容：

本发明是在电力有源滤波器所具有的上述特点的基础上设计的。它主要以380V配电***为对象。本发明具有以下几个特点：

1)能根据负载的需要实现实时动态跟踪，其动态特性可与补偿需要达到同步；同时能实现提高用户功率因数和无功补偿的功能，为电能质量的稳定控制发挥作用；

2)利用双CPU实现***控制和人机对话/信息交换的协调工作，提高了补偿的速度和实时性；

3)研究并实现了电压、电流形成的双闭环反馈控制的谐波补偿控制策略，能保证谐波补偿的实时优化控制。

因此，为达到上述发明目的并解决上述滤波器存在的缺陷，本发明设计出的380V***有源电力滤波装置包括有源滤波器支路1、与有源滤波支路1的三相电流相连接的电流传感器CT1、与负载三相电流相连接的电流传感器CT2、与三相电压相连接的电压传感器PT，以及与上述四个组成部分相连接的数字信号处理器2。数字信号处理器2包括四个模块：控制***模块、数据采集模块、驱动模块和报警电路。CT1、CT2和PT所采集的电流、电压信号将送入数字信号处理器2中数据采集模块的输入端口1～7(分别为IA、IB、IC、ICA、ICB、ICC、UA)。在驱动模块中，由控制***模块发出的PWM触发信号经放大隔离后送入有源滤波器支路1的IGBT门极驱动环节。IGBT模块内置的保护将通过端子ALM输出报警信号，该信号经报警电路隔离转换后送到控制***模块中ADMC401的脉冲闭锁引脚，从而使有源滤波器支路1的IGBT模块停止工作。

该装置还包括通过***总线与数字信号处理器2进行通讯的显示和人机对话控制装置；所述显示和人机对话控制装置采用型号为MCS196/KC的单片机。

所述的电流传感器CT2为电磁式电流传感器；本装置中的逆变器，并联在三相***中，采用IGBT反并联二极管结构，这种结构能够保证直流电压的稳定。逆变器在恒定直流电压下工作，故可根据***电流的变化情况，灵活调节逆变器的工作状态，来实现谐波电流的补偿作用。

该装置对配电***中的谐波具有良好的抑制作用，并能对谐波进行补偿。它是以380V配电***为主要对象，控制容量的设计目标定位在50～600kVar，以满足大部分用户的需求。在控制结构和方式的选择上，本发明采用了电压、电流变量形成的双闭环控制***，硬件电路设计则采用了双CPU控制方案以实现实时性的要求。因此它具有高动态调节能力并能加强***动态稳定性、提高功率因数，同时也为电力部门减少运行成本、稳定电压幅值提供了有力保证。

同以往的滤波器相比，本发明具有如下的优势：(1)能有效降低负载产生的谐波对***电能质量的影响。在三相整流桥负载运行的条件下，***电流谐波总畸变率从29％下降到10％以下。(2)极大地降低了***各次谐波含有率。(3)从控制策略上来说，该装置还可同时达到补偿***无功，提高功率因数的作用。

附图说明

图1、线路基本结构图

图2、并联型APF原理图

图3、电压外置渐变式电力有源滤波器的整体结构电路框图

图4、有源滤波器控制***的硬件原理方框图

图5、报警电路硬件结构图

具体实施方式：

(1)、本发明的应用对象(有源滤波器)的基本工作原理和特性(以下部分及图1和图2为公知技术)

图1所示为***基本结构。电力***经长距离传输线后将电能送至非线性整流负载，对应的等效传输阻抗用L₁表示，而从接入点到负载之间的等效线路阻抗则用L₂表示。显然，负载电流i_L中含有丰富的谐波成分。一般而言，为了减少线路中的高频谐波污染，通常在公共节点PCC(Point of Common Coupling)处连接一个无源滤波装置PPF。

线路中的谐波分量除了高次谐波外，一般还有大量的低次谐波分量，而它则很难用无源器件消除，否则，滤波装置的体积就变得非常庞大。为此，在公共联结点处并联上一个有源滤波装置，使滤波装置支路中的电流只有谐波分量，其幅值与负载中的谐波电流相同，但方向相反。即

                  i_L(t)＝i₁(t)+i_h(t)

                  i_com(t)＝-i_h(t)         (1)

                  i_s(t)＝i_L(t)+i_com(t)＝i₁(t)

式中，i_L(t)为负载电流，它可以分解为基波分量i₁(t)和谐波总和分量i_h(t)。在理想情况下，有源滤波支路中的电流i_com(t)与i_h(t)正好抵消，这样就可保证***传输电流i_s(t)中不含有谐波分量。

有源滤波器的基本控制可由图2说明。首先，数字控制器采集***的三相电流，根据由Akagi在上世纪70年代提出的瞬时“p-q”理论，将三相电量转变成两相的α，β坐标***，然后再与指令电流i_α ^*，i_β ^*进行比较、经有关的控制策略后输出对应的控制量，最后再采用专门的调制技术输出相应的调制波到IGBT的门极，使之输出负载所需的谐波电流。当采用常规的空间矢量调制技术时，就可以通过适当的运算后输出谐波补偿所需的调制信号。这里应特别强调的是，指令电流i_α ^*，i_β ^*事实上是负载电流的谐波分量部分，若还要消除负载电流的无功分量，则指令电流中还应包含对应的无功电流部分。因此，在进行控制设计时，应进行综合考虑。

(2)、实时控制变量的信号检测和取样方法的选择

信号取样的准确性直接关系到补偿和控制的效果，因此，信号获取的手段和方法是装置设计中必须重点考虑解决的问题。补偿电流的高精度简便检测方法的实现是APF应用的瓶颈。

有源滤波器依据三相电路瞬时无功功率理论，通过控制瞬时有功功率、无功功率的高频分量来实现对***谐波的抑制和补偿以达到滤波效果。其有很快的响应速度，对变化的谐波和无功功率都能实施动态补偿，并且补偿特性受电网阻抗参数影响较小。

为了在保证检测信号精度和实时性的同时尽可能的降低产品成本，装置中采用了普通的6个电磁式电流传感器和1个电压传感器，对有源滤波支路三相电流、***A相电压和负载三相电流分别进行检测。

附图3为本发明结构图，同时包含了直流中间电压和谐波电流双闭环控制的控制策略。如图3所示，本发明包括有源滤波器支路1、与有源滤波支路1的三相电流相连接的电流传感器CT1、与负载三相电流相连接的电流传感器CT2、与三相电压相连接的电压传感器PT，以及与上述四个组成部分相连接的数字信号处理器2；所述的电流传感器CT2为电磁式电流传感器。

有源滤波器的控制是至关重要的，作为闭环控制来讲，它一般都具有电压、电流信号的采集，参考信号的获取，以及触发脉冲的输出等功能。在时域控制法中，最常使用的技术有：瞬时有功、无功(p-q)理论，滑模技术，和同步检测法等。此时，参考信号的获取一般都是基于补偿信号的瞬时偏差。瞬时p-q理论的基本概念是将瞬时三相电压、电流转换成两相α，β坐标***，以此产生补偿信号。瞬时有功功率和无功功率是通过采集的电压、电流信号计算得到的。通过使用低通或高通滤波器，还可得到谐波的有功功率和无功功率。对于三相三线制***而言，三相换成两相的转换方程为：

$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{\α}}\\ U_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -1/2& -1/2\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{U}_a\\ U_b\\ U_c\end{array}\right]---\left(2\right)$

瞬时有功和无功分量的计算式为：

$\left[\begin{array}{c}p\\ q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{U}_{\mathrm{\α}}& U_{\mathrm{\β}}\\ {-U}_{\mathrm{\β}}& U_{\mathrm{\α}}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

瞬时有功功率和无功功率经低通和高通滤波后可分解为三个分量：

                  p＝p₁+p_h

                  q＝q₁+q_h

式中，p₁和q₁对应基波分量，而p_h和q_h则对应经低通和高通滤波后的谐波分量。输出的谐波补偿电流则为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ha}}\\ i_{\mathrm{hb}}\\ i_{\mathrm{hc}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -1/2& \sqrt{3}/2\\ -1/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right]\·{\left[\begin{array}{cc}{U}_{\mathrm{\α}}& U_{\mathrm{\β}}\\ {-U}_{\mathrm{\β}}& U_{\mathrm{\α}}\end{array}\right]}^{-1}\·\left[\begin{array}{c}{p}_h\\ q_h\end{array}\right]---\left(3\right)$

本发明所采用的电压外置渐变式控制策略“外置”的主要思想是，在传统的有源滤波的理论基础上，在闭环控制器的外环增加了一个电压环，而内环则为经典的电流环。它的工作原理是，首先设定一个初始电压U_dset，并启动滤波装置，该初始电压与滤波器直流侧电压U_d比较后送到PI调节器进行调节，接着又将调节器的输出值与负载电流的α分量(同步旋转坐标***)相加，得到反映直流电压与负载电流之和的一个给定值。在稳定状态下，PI调节器的输出基本上是一个恒定值，此时，这个电压与电流之和的值基本上反映了负载电流的变化。但这种控制策略可以稳定有源滤波器的直流工作电压，即保证***的稳定工作。试验过程表明，加了这个电压控制环后***才能稳定工作。

至于电压外环之后电流内环控制过程与传统的有源滤波控制原理基本上相同，即先进行低通滤波，取得基波分量，并将同步旋转的α，β坐标***再转换为随时间变化的三相坐标***，它与负载电流的瞬时值进行比较后得到反映谐波电流瞬时值，它与有源滤波器的补偿电流比较后再取反就可送到IPM中IGBT的门极驱动环节，至此便完成了所有的控制过程。

控制策略中的所谓“渐变”是指直流给定电压的设定值U_dset在有源滤波装置从启动到稳定运行过程中有个渐变过程。

本发明的设计目标主要是针对380V***，在满足高效谐波补偿功能的同时还能最大限度的降低成本，以利于推向市场。硬件电路结构有两种可供选择，一种结构是该装置通过变压器与电力***相连；第二种结构是该装置通过三相连接电感直接与电力***相连。本发明主要是针对第二种硬件电路展开。所采用的连接电感是由普通硅钢片做成，其电感量取值在2.5-4mH之间。附图4为本发明控制***的硬件原理方框图。

由方程(1)-(3)和前面的有关分析过程可知，要完成电压外置渐变的控制策略，控制***首先要完成三相补偿电流、三相负载电流、直流电压、以及交流电压等变量数据采集，所采集的这些变量的可靠性对于控制***而言是至关重要的。同时还要完成PWM波的输出控制、坐标变化和控制运算，以及相应的人机接口等功能。显然，要保证控制***的可靠性，除了在输入通道上考虑抗干扰技术外，还必须完成数字滤波的任务。从实时性的角度考虑，有些控制运算要求的实时性很高，而人机接口部分的随机性较大，而且该部分的操作不能影响正在进行的控制过程，但也必须快速响应。因此，采用一个CPU实现多方面的控制是非常困难的，而中断的嵌套设置很容易使程序变得混乱，实时性也得不到保证。本***中采用了双CPU协调控制电路结构。由于控制用计算要完成数字滤波运算、坐标变换、PWM输出脉冲控制、输入信号的采集、以及功率元器件的保护等功能，实时性和运算速度要求非常高。本***采用ADMC401负责这一部分的工作，它是AD公司的DSP单片机，指令周期为38.5ns，8通道12位A/D转换器，所有通道的转换时间小于2μs，专用的PWM控制，可以满足***需求；人机接口部分对于速度的要求不高，***中采用了MCS196/KC，它主要完成LCD显示、键盘程序、与主控机ADMC401的通讯、以及管理任务。此外，MCS196/KC也具有8通道10位的A/D输入端子，还可对其它***变量实现监测，并完成远程控制。

主控制芯片选择ADMC401的主要原因是ADMC401可实现一个16位灵活可编程三相PWM波形发生器的构建，其主要特点是：

所产生的PWM信号的极性可通过芯片输出引脚PWMPOL进行编程控制，即ADMC401芯片可以设计成或者高电平HI有效、或者低电平LO有效控制的PWM模式；产生PWM模式的开关频率死区时间和最小脉宽可以分别通过各自的寄存器PWNTM、PWNDT和PWMPD进行编程控制。

显示和人机对话控制选取80C196KC的主要原因是该型号单片机指令丰富、运算速度更快、有功能强大的串行口。

以上部分属于数字信号处理器2的控制***模块。数字信号处理器2的另外三个模块即控制***模块的***控制电路分别是：数据采集模块、驱动模块和报警电路。CT1、CT2和PT所采集的电流、电压信号将送入数据采集模块的输入端口1～7(分别为IA、IB、IC、ICA、ICB、ICC、UA)，电流信号经转换后送入控制***模块的A/D通道；电压信号经滤波补偿后通过触发器产生用于参考信号复位的过零脉冲，该脉冲将通过ADMC401的外部中断输入通道送入控制***模块。控制***模块发出PWM触发信号并将其送入驱动模块相应的输入端口。在驱动模块中，触发信号经放大隔离后送入有源滤波器支路1的IGBT门极驱动环节。IGBT模块内置的保护将通过端子ALM输出报警信号，该信号经报警电路隔离转换后送到控制***模块中ADMC401的脉冲闭锁引脚，从而使IGBT模块停止工作。

数据采集模块的作用是获取负载侧和补偿控制侧的三相瞬时电流I_al、I_bl、I_cl和I_ac、I_bc、I_cc，用于提供同步信号的***某相电压(如U_A)以及直流侧中间电压U_d的数值，实现开关动作与***电压同步的功能。为了实现对三相电压电流的精确采样，以达到对无功的准确计算和产生正确及时的控制信号，实际信号处理电路的设计采用了数字滤波技术。

驱动模块电路的设计目标是抗干扰和强电侧与弱电侧信号的完全电隔离。通常有两种隔离技术，即用光电隔离器光电隔离保护或用脉冲变压器隔离保护。考虑到设计成本和装置的体积，本驱动模块采用光电隔离保护。

报警电路的设计主要是针对功率模块IGBT展开。本装置用到的IGBT-IPM模块的型号是7MBP150RA120。它是日本富士电机生产的R系列IGBT-IPM模块。该模块与以往系列模块相比，具有一些新特性：采用软开关技术，具有低浪涌，低噪声的特性，容易符合EMC要求；VCE(sat)及开关损耗综合改善，降低总损耗；大幅度减少内部元件数，提高了整体可靠性；采用IGBT管芯过热保护，防止因管芯异常发热而引起的损坏；封装高度降低，在维持互换性的同时，持续进行小型化工作。其内置电气功能包括：1)内置三相逆变电路用IGBT及快恢复二极管，内部配线连好。模块上引出了螺钉接线端子，无须焊接；2)内置一个制动用IGBT及快恢复二极管，用于消耗减速时的回馈能量，以抑制PN间主电压的高升。3)内置了全部IGBT的驱动电路，具有软开关控制、单电源驱动无须反偏电源及防止误导通的特点。4)当下桥臂保护动作开始后，模块输出总报警。5)内置全部IGBT的过电流、短路、控制电源欠压、管芯过热以及绝缘基板温度过热等保护功能，当这些保护动作时，端子ALM会输出一个报警信号。所以在设计报警电路时，是根据这个报警信号采取相应的处理措施。

报警电路的设计采用了多重保护处理。第一重保护是把主电路的报警信号经过光电隔离器TLP521后直接接入ADMC401脉宽调制PWM禁止引脚PWMTRIP，这样就实现了在ADMC401中禁止控制信号输出。第二重保护是把光电隔离后的报警信号经过锁存器CD4044锁存并反相后接到74HC244的两个使能引脚上。当报警出现时封锁74HC244的输出，从而封锁了控制信号。

提高控制***的可靠性还要考虑以下两个方面的内容：

●硬件设计方面：在设计有源滤波器控制***印刷电路板的时候，除了要考虑占用空间小，布线美观之外，还要考虑运行的可靠性。在硬件设计上采取的提高控制***可靠性的主要措施有：

(1)合理利用去耦电容。在每一块数字集成电路芯片的电源端子与地之间跨接0.1uF的独石电容作为去耦电容，以消除在恶劣环境中电源所受的噪声干扰。

(2)屏蔽线和双绞线的使用。屏蔽线可以使信号线免受静电干扰，而双绞线则可以抑制电磁感应干扰。

(3)正确合理的电路板布线和走线。如高频数字电路走线应细一些、短一些；存储器的地址线、数据线、控制线也要尽量短；作为两面板布线的导线宜相互垂直、斜交、或弯曲走线；尽量少用过孔、跳线，电源线和地线适当地加粗等等。

(4)隔离技术的合理应用，信号隔离的目的之一是把干扰源和易干扰的部分隔离开，使其保持信号的联系但不直接发生电的联系。本控制***设计的时候就在采集模块的电压入口处加了隔离变压器，而在驱动模块和报警电路设计中采用了光电隔离技术。

●软件设计方面：采用了数字滤波、输入口信号重复检测、输出口数据刷新、软件拦截技术(指令冗余、软件陷阱)和“看门狗”技术等软件抗干扰技术。

现场运行时，将样机通过连接电感直接与电网相连。整个电力装置，机身高约2米，长0.6米，宽1米。占地面积小，重量轻。

Claims (7)

1、一种380V***有源电力滤波装置，其特征在于：该装置包括有源滤波器支路1、与有源滤波支路1的三相电流相连接的电流传感器CT1、与负载三相电流相连接的电流传感器CT2、与三相电压相连接的电压传感器PT，以及与上述四个组成部分相连接的数字信号处理器2。

2、如权利要求1所述的有源电力滤波装置，其特征在于：数字信号处理器2包括四个模块：控制***模块、数据采集模块、驱动模块和报警电路，CT1、CT2和PT所采集的电流、电压信号将送入数字信号处理器2中数据采集模块的输入端口1～7，在驱动模块中，由控制***模块发出的PWM触发信号经放大隔离后送入有源滤波器支路1的IGBT门极驱动环节，IGBT模块内置的保护将通过端子ALM输出报警信号，该信号经报警电路隔离转换后送到控制***模块中ADMC401的脉冲闭锁引脚，从而使有源滤波器支路1的IGBT模块停止工作。

3、如权利要求1或2所述的有源电力滤波装置，其特征在于：所述装置还包括通过***总线与数字信号处理器2进行通讯的显示和人机对话控制装置。

4、如权利要求3所述的有源电力滤波装置，其特征在于：所述显示和人机对话控制装置采用型号为80C196KC的单片机。

5、如权利要求1所述的有源电力滤波装置，其特征在于：所述的电流传感器CT2为电磁式电流传感器。

6、如权利要求1所述的有源电力滤波装置，其特征在于：所述装置通过三相连接电感直接与电力***相连，采用常用的工频铁芯电感元件，所述电感元件由普通硅钢片做成，电感量的取值在2.5-4mH之间。

7、如权利要求1所述的有源电力滤波装置，其特征在于：所述数字信号处理器2采用了ADMC401。

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