CN103683290A - 一种并联型有源电力滤波器 - Google Patents

Abstract

一种并联型有源电力滤波器，包括电流采集单元、电压采集单元、IGBT驱动单元、IGBT开关单元以及并网接入单元，其特征在于还包括DSP芯片、FPGA芯片、并网接入电流采集单元以及***运行状态采集单元，所述电流采集单元和电压采集单元的输出分别接入到DSP芯片的A/D输入端，所述DSP芯片用于电网的检测谐波信号方向相反的指令电流信号，所述FPGA芯片根据指令电流信号调制出PWM输出信号并输出到IGBT驱动单元，并由IGBT驱动单元驱动IGBT开关单元形成的谐波电流即补偿电流，并经并网接入单元注入到电网中，所述并网接入电流采集单元采集并网接入单元输出的补偿电流信号，并输出到FPGA芯片，至少FPGA芯片将该补偿电流信号对PWM输出信号进行调节，相对现有技术本发明提升了应用的灵活性、可靠性以及安全性。

Description

一种并联型有源电力滤波器

技术领域

本发明涉及一种并联型有源电力滤波器，其属于有源电力滤波装置类。

背景技术

随着技术的发展，越来越多的非线性负载广泛应用于工业和人们的日常生活领域，这些非线性负载在电网中的存在，形成大量的谐波，一方面形成无功电流，直接影响了整个电力***的功率因数从而影响到电力***的运行效率，另一方面，这些谐波对电力***来说就是一种污染，一种公害，除了对电力***本身的安全经济运行构成威胁外，还会电力电子设备的运行环境产生极大的危害性影响，所述影响甚至危及到信息技术设备、微电子技术设备和数控加工技术等领域的各种先进的精密仪器和设备的正常运行。在当前解决电网中的谐波问题，业内公认较好的方案为有采用有源电力滤波器的有源电力滤波方案，有源电力滤波器（APF：Active power filter）是一种建立在三相电路瞬时无功功率理论基础上的用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对不同大小和频率的谐波进行快速跟踪补偿，之所以称为有源，是相对于无源LC滤波器只能被动吸收固定频率与大小的谐波而言的，APF可以通过采样负载电流并进行各次谐波和无功的分离，并在此基础上主动控制有源电力滤波器向电网输出的电流的大小、频率和相位，并且快速响应，以抵销负载中相应电流。在现有技术中，并联型有源电力滤波器是一种应用最为广泛的有源电力滤波器，并联型有源电力滤波器应用时是并接在电网线路上的，其工作原理一般是通过电流互感器检测负载电流，并通过内部DSP计算，提取出负载电流中的谐波成分，然后通过PWM信号发送给内部IGBT,控制逆变器产生一个和负载谐波电流大小相等，方向相反的谐波电流注入到电网中，达到滤波的目的。由于其是通过相反的谐波电流注入，为此既可补谐波，又可补无功和不平衡。现有技术的并联型有源电力滤波器为中国发明专利ZL200910061816.4所公开，ZL200910061816.4所公开的这种有源电力滤波器，包括基波电压检测单元、电力电子逆变器***单元和接入***单元； 基波电压检测单元包括电压互感器和基波电压检测环节，电压互感器的输出端与基波电压检测环节的输入端相联，基波电压检测单元将从畸变的电网电压中检测出基波电压信号作为基波电压检测单元输出信号，送入电力电子逆变器***单元的电压增益电路； 电力电子逆变器***单元包括电压增益电路和电压发生电路； 电压增益电路将检测到的基波电压信号进行放大后送入电压发生电路，电压发生电路产生一个与其输入信号成比例的电压，电压发生电路的输出端与接入***单元相联；工作时，电压互感器并联在谐波源的两端，接入***单元将电压发生电路的输出电压并联接在谐波源的两端；该有源电力滤波器还包括谐波电流检测单元，在电力电子逆变器***单元内设置有电流增益电路和加法器；谐波电流检测单元包括电流互感器和谐波检测环节，电流互感器串接电网母线上，电流互感器的输出端与谐波检测环节的输入端相联接；电流互感器从电网母线的***电流中检测出电流信号送入谐波检测环节，谐波检测环节检测出谐波电流送入电流增益电路，电流增益电路将检测到的谐波电流信号进行放大后送入加法器；加法器将谐波电流信号和基波电压信号相加后的电压信号作为电压发生电路的输入信号。在优选方案下，ZL200910061816.4所公开的这种有源电力滤波器的接入***单元由电抗器构成，使用时，电压发生电路的一个输出端与电网的一根母线相联，另一输出端通过一个电抗器后和电网的另一根母线相联，在另一优选方案下，ZL200910061816.4所公开的这种有源电力滤波器的接入***单元由变压器构成，使用时，电压发生电路的两个输出端和一个变压器的二次侧相联，变压器的一次侧的两端分别接在电网的两根母线上。 三套ZL200910061816.4所公开的这种有源电力滤波器可以构成三相***，用于三相四线制的电力***。 ZL200910061816.4所公开的这种有源电力滤波器存在的问题在于其核心的一些信号分析以及控制信号形成单元由分立的单元模块构成，***的稳定性和可靠性在运行中存在问题，再者，电子逆变器***工作中形成的开关谐波会串入到电网中，形成二次污染，另外，整个***是从谐波取样形成控制指令电流最后通过电子逆变器***形成输出电压一个简单的闭环控制***，这样的闭环控制***在输出端确定存在开关谐波的情况下，特别容易形成自激，更为重要的是ZL200910061816.4所公开的这种有源电力滤波器整个***没有可靠的运行监控和保障体系，运行中一旦出现不正常情况，只能通过人工进行干预，为此运行风险特别大。对于电子逆变器***工作中形成的开关谐波的问题，本案发明人注意到中国发明专利ZL201010275272.4以及CN201310049218.1所公开的解决方案，这二个方案的共同点是增加了一个专门用来检测电子逆变器***输出端电流的第二电流互感器，其本质上是实时采集装置的补偿电流，与由采集到的负载谐波电流进行比较，形成一个闭环反馈控制，应用实践表明，这样的方式并非较好的解决方案，原因在于负载谐波电流本质上已包含了补偿电流中的谐波电流，在这样的情况下，要将二者相比较在算法上十分地复杂，***资源耗费极大，直接影响到响应速度，显然及时响应是有源电力滤波的应用前提之一，综上所述，显然现有技术有进一步改进的必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种并联型有源电力滤波器，以克服现有技术存在的问题。

本发明的一种并联型有源电力滤波器，包括电流采集单元、电压采集单元、IGBT驱动单元、IGBT开关单元以及并网接入单元，其特征在于还包括DSP芯片、FPGA芯片、并网接入电流采集单元以及***运行状态采集单元，所述电流采集单元和电压采集单元的输出分别接入到DSP芯片的A/D输入端，所述DSP芯片用于电网的检测谐波信号和/或无功电流信号和/或不平衡电流信号，并形成与电网的负载谐波电流和/或无功电流信号和/或不平衡电流信号电流方向相反的指令电流信号，并输出到FPGA芯片，FPGA芯片根据指令电流信号调制出PWM输出信号并输出到IGBT驱动单元，并由IGBT驱动单元驱动IGBT开关单元形成一个和负载谐波电流大小相等，方向相反的谐波电流即补偿电流，并经并网接入单元注入到电网中，所述并网接入电流采集单元采集并网接入单元输出的补偿电流信号，并输出到FPGA芯片，至少FPGA芯片将该补偿电流信号与指令电流信号进行相位比较，并执行锁相环计算并根据计算结果对FPGA芯片形成的PWM输出信号进行调节，使输出的补偿电流具有正确的相位，所述***运行状态采集单元将采集到的***运行状态信号传送给DSP芯片和/或FPGA芯片，由DSP芯片和/或FPGA芯片根据运行状态信号作出相应的控制动作。

作为优选，所述电流采集单元由电流互感器和双运放滤波放大单元构成，所述电流互感器感应到的负载电流信号经双运放滤波放大单元滤波放大处理后形成单纯的负载谐波电流信号输出到DSP芯片的A/D输入端；

作为优选，所述电压采集单元由电压互感器和双运放滤波放大单元构成，所述电压互感器感应到的负载电压信号经双运放滤波放大单元滤波放大处理后形成单纯的负载基波电压信号输出到DSP芯片的A/D输入端；

作为优选，所述IGBT驱动单元包括与非门电路、IGBT驱动芯片以及隔离变压器，所述与非门电路的输入端与FPGA芯片的输出端联接，接受FPGA芯片根据指令电流信号调制出的PWM输出信号，所述PWM输出信号经与非门电路整形输出进入IGBT驱动芯片形成IGBT开关单元驱动信号，所述IGBT开关单元驱动信号经隔离变压器输出到IGBT开关单元的驱动端；

作为前述优选的进一步改进，所述IGBT驱动芯片集成过压、过流、过温、软关断的功能，并具有软关断输入端，所述软关断输入端通过第一控制线与FPGA芯片的控制输出端联接；

作为优选，所述并网接入单元包括低通滤波分单元和电抗器，所述低通滤波分单元用以滤掉IGBT开关单元形成的高频开关谐波，低通滤波分单元的输出与电抗器连接，并经所述电抗器输出到三相电网；

作为前述优选的进一步优选，所述并网接入单元还包括接触器，所述接触器串接电抗器至三相电网的回路上。所述接触器包括控制端，所述控制端通过第二控制线连接至FPGA芯片的一控制信号输出端；

作为优选，***运行状态采集单元包括IGBT开关单元的散热器温度传感器、IGBT开关单元的工作状态传感器、IGBT开关单元的直流母线过流过压传感器、接触器温度传感器、***散热风扇运行状态传感器，以及由与每一传感器一一对应的双运放滤波调理电路构成的双运放滤波调理单元。

作为优选，还包括人机界面，所述人机界面为一触屏，其通过485接口与DSP芯片和/或FPGA芯片通信，所述人机界面用以显示***工作状态、各个指标的参数波形。

作为优选，还包括对外通讯接口，所述对外通讯接口采用标准通讯接口，以提供与上层控制***的连接以及并机运行的通道。

本发明的这种并联型有源电力滤波器，以DSP芯片和FPGA芯片为核心搭建，通过DSP芯片强大的数据处理能力，可以准确地、快速地计算出各次谐波的含量与幅值，响应速度快，并可以不受限制的任意选择需要补偿的不同次数谐波，实际应用表明，本发明的这种改进的并联型有源电力滤波器可实时动态滤除负载电网中的2~50次谐波，除此之外，由于DSP芯片应用的灵活性，为此可十分方便地选择滤除电网相线和零线中存在的典型性特征谐波，亦可以根据需要使本发明的这种改进的并联型有源电力滤波器工作在特定的模式下，比如人为设定滤除特定谐波以及人为设定滤除谐波的目标值等。

同样由于DSP芯片应用的灵活性，利用本发明的这种改进的并联型有源电力滤波器可以形成产品，也非常容易搭建起一套三相四线制的有源电力滤波装置，三相四线制电网中，由于负载侧3n次谐波会在N相线上叠加，所以传统的三相四线制有源电力滤波器产品对于零线上的谐波滤波能力均按相线滤波能力的三倍来进行设置。而在本发明中，对于N相的谐波电流由非常容易实现用单独的桥臂进行滤除，能完全滤除N相谐波。

还是在于DSP芯片应用的灵活性，本发明的这种改进的并联型有源电力滤波器显然非常容易通过DSP芯片和/或FPGA芯片内置谐波补偿、无功补偿、不平衡补偿等多种补偿功能，这样用户可以在使用时自行设定选择补偿功能。在滤除谐波的同时，能够检测出***的功率因数，以及各相线的不平衡度，进而相应地进行无功补偿以及消除负载不平衡现象。

本发明的这种改进的并联型有源电力滤波器，其人机界面显然可以适配大规格的触屏，这样操作简单方便。可实时显示数据与曲线，可提供***运行的完整的现场信息，同时，使用者可能通过触屏操作选择内置的谐波补偿、无功补偿、不平衡补偿等应用功能。

本发明的这种并联型有源电力滤波器，具有完整有效的各类保护措施，一旦***出现过压过流等异常现象，可由FPGA芯片控制直接切断与电网的联接，并闭锁IGBT驱动单元以及IGBT开关单元的输出，确保***安全。

本发明的这种并联型有源电力滤波器，并网接入单元中内置的低通滤波分单元确自身的开关高频载波不会回馈电网，同时其接入方式也使***独立于电网***阻抗之外，不受电网***阻抗的影响，不发生谐振与谐波电压放大，安全性好。另外，本发明还可根据实际应用情况，自动合理限制补偿电流，装置永不过流，再者，在滤波的同时，实时的检测装置本身的输出电流，一方面通过FPGA芯片执行的锁相环控制使输出的补偿电流具有正确的相位，同时当每次出现过流及其他非正常现象，能及时的关断装置的输出，所以能完全避免过补偿。

本发明还具有标准通讯接口，满足供电***实现电力监控功能的需要。并可在应用中采用通用的Modbus远程通信协议，通信接口可以为RS485/232和CAN总线。

附图说明

图1是本发明较佳实施例提供的一种采用本发明思想构建的一种用于三相电网的并联型有源电力滤波器

有源电力滤波器***结构框图；

图2是本发明较佳实施例提供的一种采用本发明思想构建的一种用于三相电网的并联型有源电力滤波器的电流采集单元和电压采集单元结构框图；

图3是本发明较佳实施例提供的一种用于三相电网的并联型有源电力滤波器的IGBT驱动单元***结构框图；

图4是本发明较佳实施例提供的一种用于三相电网的并联型有源电力滤波器的***运行状态采集单元***结构框图；

图5是本发明较佳实施例提供的一种采用本发明思想构建的一种用于三相电网的并联型有源电力滤波器的并网接入单元***结构框图。

具体实施方式

以下将结合本发明较佳实施例提供的一种采用本发明思想构建的一种用于三相电网的并联型有源电力滤波器及其附图对本发明作进一步说明。

本发明较佳实施例提供的一种采用本发明思想构建的一种用于三相电网的并联型有源电力滤波器，如附图1、附图2、附图3、附图4、附图5所示，包括电流采集单元1、电压采集单元2、IGBT驱动单元3、IGBT开关单元4以及并网接入单元5，由于本较佳实施例为一种用于三相电网的并联型有源电力滤波器，为此电流采集单元1、电压采集单元2、IGBT驱动单元3、IGBT开关单元4以及并网接入单元5均包括三条分别与三相电网9的三相相对应的独立的且相同的电路构成，其要点在于还包括DSP芯片5、FPGA芯片6、并网接入电流采集单元7以及***运行状态采集单元8，所述电流采集单元1和电压采集单元2的输出分别接入到DSP芯片5的A/D输入端，所述DSP芯片5用于检测电网的谐波信号和/或无功电流信号和/或不平衡电流信号，并形成与电网的负载谐波电流和/或无功电流信号和/或不平衡电流信号电流方向相反的指令电流信号，并输出到FPGA芯片6，FPGA芯片6根据指令电流信号调制出PWM输出信号并输出到IGBT驱动单元3，并由IGBT驱动单元3驱动IGBT开关单元4形成一个和负载谐波电流大小相等，方向相反的谐波电流即补偿电流，并经并网接入单元5注入到电网中，所述并网接入电流采集单元7采集并网接入单元5输出的补偿电流信号，并输出到FPGA芯片6，在本较佳实施例中，所述FPGA芯片6将该补偿电流信号与指令电流信号进行相位比较，并执行锁相环计算，并根据计算结果对FPGA芯片6形成的PWM输出信号进行调节，使输出的补偿电流具有正确的相位，所述***运行状态采集单元8将采集到的***运行状态信号传送给DSP芯片5和/或FPGA芯片6，由DSP芯片5和/或FPGA芯片6根据运行状态信号作出相应的控制动作。

在本较佳实施例中，如附图2所示，所述电流采集单元1由电流互感器101和双运放滤波放大单元102构成，所述电流互感器感101应到的负载电流信号经双运放滤波放大单元102滤波放大处理后形成单纯的负载谐波电流信号输出到DSP芯片5的A/D输入端；

在本较佳实施例中，如附图2所示，所述电压采集单元2由电压互感器201和双运放滤波放大单元202构成，所述电压互感器201感应到的负载电压信号经双运放滤波放大单元202滤波放大处理后形成单纯的负载基波电压信号输出到DSP芯片5的A/D输入端；

在本较佳实施例中，如附图3所示，IGBT驱动单元3包括与非门电路301、IGBT驱动芯片302以及隔离变压器303，所述与非门电路301的输入端与FPGA芯片6的输出端联接，接受FPGA芯片6根据指令电流信号调制出的PWM输出信号，所述PWM输出信号经与非门电路301整形输出进入IGBT驱动芯片302形成IGBT开关单元驱动信号，所述IGBT开关单元驱动信号经隔离变压器输出到IGBT开关单元4的驱动端；

在本较佳实施例中，所述IGBT驱动芯片302集成过压、过流、过温、软关断的功能，并具有软关断输入端，所述软关断输入端通过第一控制线304与FPGA芯片6的控制输出端联接；

在本较佳实施例中，所述并网接入单元5包括低通滤波分单元501和电抗器502，所述低通滤波分单元501用以滤掉IGBT开关单元形成的高频开关谐波，低通滤波分单元501的输出与电抗器502连接，并经所述电抗器502输出到三相电网9；

在本较佳实施例中，所述并网接入单元5还包括接触器503，所述接触器503串接电抗器502至三相电网9的回路上。所述接触器503包括控制端，所述控制端通过第二控制线504连接至FPGA芯片6的一控制信号输出端；

在本较佳实施例中，***运行状态采集单元8包括IGBT开关单元的散热器温度传感器801、IGBT开关单元的工作状态传感器802、IGBT开关单元的直流母线过流过压传感器803、接触器温度传感器804、***散热风扇运行状态传感器805，以及由与每一传感器一一对应的双运放滤波调理电路构成的双运放滤波调理单元806。

在本较佳实施例中，还包括人机界面10，所述人机界面10为一触屏，其通过485接口与DSP芯片5和/或FPGA芯片6通信，所述人机界面10用以显示***工作状态、各个指标的参数波形。

在本较佳实施例中，还包括对外通讯接口11，所述对外通讯接口采用标准通讯接口，以提供与上层控制***的连接以及并机运行的通道。

Claims (10)

1.一种并联型有源电力滤波器，包括电流采集单元、电压采集单元、IGBT驱动单元、IGBT开关单元以及并网接入单元，其特征在于还包括DSP芯片、FPGA芯片、并网接入电流采集单元以及***运行状态采集单元，所述电流采集单元和电压采集单元的输出分别接入到DSP芯片的A/D输入端，所述DSP芯片用于电网的检测谐波信号和/或无功电流信号和/或不平衡电流信号，并形成与电网的负载谐波电流和/或无功电流信号和/或不平衡电流信号电流方向相反的指令电流信号，并输出到FPGA芯片，FPGA芯片根据指令电流信号调制出PWM输出信号并输出到IGBT驱动单元，并由IGBT驱动单元驱动IGBT开关单元形成一个和负载谐波电流大小相等，方向相反的谐波电流即补偿电流，并经并网接入单元注入到电网中，所述并网接入电流采集单元采集并网接入单元输出的补偿电流信号，并输出到FPGA芯片，至少FPGA芯片将该补偿电流信号与指令电流信号进行相位比较，并执行锁相环计算并根据计算结果对FPGA芯片形成的PWM输出信号进行调节，使输出的补偿电流具有正确的相位，所述***运行状态采集单元将采集到的***运行状态信号传送给DSP芯片和/或FPGA芯片，由DSP芯片和/或FPGA芯片根据运行状态信号作出相应的控制动作。

2.根据权利要求1所述的一种并联型有源电力滤波器，其特征在于所述电流采集单元由电流互感器和双运放滤波放大单元构成，所述电流互感器感应到的负载电流信号经双运放滤波放大单元滤波放大处理后形成单纯的负载谐波电流信号输出到DSP芯片的A/D输入端。

3.根据权利要求1所述的一种并联型有源电力滤波器，其特征在于所述电压采集单元由电压互感器和双运放滤波放大单元构成，所述电压互感器感应到的负载电压信号经双运放滤波放大单元滤波放大处理后形成单纯的负载基波电压信号输出到DSP芯片的A/D输入端。

4.根据权利要求1所述的一种并联型有源电力滤波器，其特征在于所述IGBT驱动单元包括与非门电路、IGBT驱动芯片以及隔离变压器，所述与非门电路的输入端与FPGA芯片的输出端联接，接受FPGA芯片根据指令电流信号调制出的PWM输出信号，所述PWM输出信号经与非门电路整形输出进入IGBT驱动芯片形成IGBT开关单元驱动信号，所述IGBT开关单元驱动信号经隔离变压器输出到IGBT开关单元的驱动端。

5.根据权利要求4所述的一种并联型有源电力滤波器，其特征在于所述IGBT驱动芯片集成过压、过流、过温、软关断的功能，并具有软关断输入端，所述软关断输入端通过第一控制线与FPGA芯片的控制输出端联接。

6.根据权利要求1所述的一种并联型有源电力滤波器，其特征在于所述并网接入单元包括低通滤波分单元和电抗器，所述低通滤波分单元用以滤掉IGBT开关单元形成的高频开关谐波，低通滤波分单元的输出与电抗器连接，并经所述电抗器输出到三相电网。

7.根据权利要求6所述的一种并联型有源电力滤波器，其特征在于所述并网接入单元还包括接触器，所述接触器串接电抗器至三相电网的回路上，所述接触器包括控制端，所述控制端通过第二控制线连接至FPGA芯片的一控制信号输出端。

8.根据权利要求1所述的一种并联型有源电力滤波器，其特征在于***运行状态采集单元包括IGBT开关单元的散热器温度传感器、IGBT开关单元的工作状态传感器、IGBT开关单元的直流母线过流过压传感器、接触器温度传感器、***散热风扇运行状态传感器，以及由与每一传感器一一对应的双运放滤波调理电路构成的双运放滤波调理单元。

9.根据权利要求1所述的一种并联型有源电力滤波器，其特征在于还包括人机界面，所述人机界面为一触屏，其通过485接口与DSP芯片和/或FPGA芯片通信，所述人机界面用以显示***工作状态、各个指标的参数波形。

10.根据权利要求1所述的一种并联型有源电力滤波器，其特征在于还包括对外通讯接口，所述对外通讯接口采用标准通讯接口，以提供与上层控制***的连接以及并机运行的通道。

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