本發(fā)明涉及一種基于多變流器組的大容量有源電力濾波器，屬于電力系統(tǒng)和綠色電網(wǎng)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，大量由電力電子開關(guān)構(gòu)成的、具有非線性特性的用電設(shè)備廣泛應(yīng)用于冶金、鋼鐵、交通、化工、通信、橡膠等工業(yè)領(lǐng)域，這些非線性負(fù)載使得電網(wǎng)中混入大量諧波，給工業(yè)生產(chǎn)帶來嚴(yán)重影響。目前諧波治理方案主要分為無源型和有源型：無源型治理裝置體積重量較大、易產(chǎn)生諧振、不能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償；有源型治理裝置具有高度可控以及快速響應(yīng)性能，可以實(shí)時(shí)補(bǔ)償電網(wǎng)中的諧波。但由于半導(dǎo)體開關(guān)技術(shù)水平的限制，有源電力濾波器難以實(shí)現(xiàn)大容量補(bǔ)償。

現(xiàn)有技術(shù)中，主要由以下幾種方法提高補(bǔ)償容量：

1）采用有源和無源混合補(bǔ)償?shù)男问剑簾o源濾波器用于濾除容量較大的特定次諧波，有源濾波器補(bǔ)償剩余諧波含量。其優(yōu)點(diǎn)是：安裝模塊少，占用空間少。其缺點(diǎn)是：無源濾波器設(shè)計(jì)要根據(jù)不同工況做不同改變，難以適應(yīng)復(fù)雜工況。

2）N臺(tái)裝置+N臺(tái)CT(電流互感器)，獨(dú)立控制形式：每臺(tái)裝置都配備一組CT，裝置間無互聯(lián)線、獨(dú)立控制。其優(yōu)點(diǎn)是：擴(kuò)展容量簡(jiǎn)單，允許不同補(bǔ)償容量模塊間的擴(kuò)展，多個(gè)模塊自動(dòng)實(shí)現(xiàn)冗余補(bǔ)償。其缺點(diǎn)是：靠近負(fù)載的模塊必須長(zhǎng)期滿負(fù)荷運(yùn)行，多級(jí)補(bǔ)償容量利用不對(duì)稱，加速硬件老化，檢測(cè)CT過多使得諧波補(bǔ)償精度不高。

3）N臺(tái)裝置+1組CT，集中控制形式：整機(jī)只配備一組CT，每臺(tái)有源電力濾波器都工作在全補(bǔ)償模式。其優(yōu)點(diǎn)是：動(dòng)態(tài)性能好，并機(jī)系統(tǒng)諧波補(bǔ)償響應(yīng)速度與并機(jī)數(shù)量無關(guān)，始終等于單機(jī)諧波補(bǔ)償速度，不存在某一臺(tái)裝置長(zhǎng)期滿負(fù)荷運(yùn)行。其缺點(diǎn)是：所有裝置全時(shí)段投入且全補(bǔ)償運(yùn)行，投入運(yùn)行模塊數(shù)量最多，使得損耗相對(duì)其他方式最大，無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)冗余補(bǔ)償。

綜上所述，現(xiàn)有提高補(bǔ)償容量的方法難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)較高補(bǔ)償精度、較優(yōu)的補(bǔ)償容量利用率、較好的運(yùn)行可靠性以及自動(dòng)冗余補(bǔ)償，因此需要提出一種大容量的有源電力濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出了一種基于多變流器組的大容量有源電力濾波器，解決現(xiàn)有源電力濾波器補(bǔ)償容量不足問題。

為實(shí)現(xiàn)上訴目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案：一種基于多變流器組的大容量有源電力濾波器，包括：電壓互感器、電流互感器、數(shù)字信號(hào)處理器、投切仲裁器、若干變流器、連接電感、充電電阻、接觸器、主斷路器；其特征是：

所述的電壓互感器用于采集網(wǎng)側(cè)電壓，電流互感器用于采集負(fù)載電流；電壓互感器和電流互感器均連接至數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）。

數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）用于總諧波和無功信號(hào)的提取，并傳至投切仲裁器。

充電電阻和接觸器并聯(lián)，一端通過主斷路器接入電網(wǎng)，另一端接連接電感。

連接電感連接各變流器，各變流器的直流側(cè)均并聯(lián)一個(gè)直流電容。

投切仲裁器用于產(chǎn)生控制各變流器組的PWM信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)各變流器的IGBT產(chǎn)生諧波和無功補(bǔ)償電流，后經(jīng)連接電感注入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)諧波補(bǔ)償。

所述投切仲裁器為FPGA（場(chǎng)效可編程邏輯閘陣列，F(xiàn)ield Programmable Gate Array）。

本發(fā)明基于多變流器組的大容量有源電力濾波器，其工作過程如下：

系統(tǒng)上電后，先閉合主斷路器，電網(wǎng)經(jīng)充電電阻和變流器組給直流側(cè)電容充電，待直流電容充電完畢后閉合接觸器，短路充電電阻，系統(tǒng)開始進(jìn)行諧波和無功的檢測(cè)和補(bǔ)償。

DSP根據(jù)電壓互感器采集的網(wǎng)側(cè)電壓和電流互感器采集的負(fù)載電流，通過瞬時(shí)無功功率算法實(shí)現(xiàn)諧波和無功信號(hào)的提取，投切仲裁器通過產(chǎn)生PWM信號(hào)控制各變流器，實(shí)現(xiàn)算法和時(shí)序信號(hào)相分離，提高諧波補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)速度。

投切仲裁器采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)，通過將采集各變流器的直流側(cè)電容電壓和補(bǔ)償電流與理論補(bǔ)償信號(hào)相比較形成控制用PWM信號(hào)，從而減少補(bǔ)償誤差。投切仲裁器還會(huì)根據(jù)各變流器組的總運(yùn)行時(shí)間、補(bǔ)償容量大小、開關(guān)損耗等從優(yōu)選擇投切變流器組，以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償容量的動(dòng)態(tài)優(yōu)化分配。

諧波檢測(cè)和逆變補(bǔ)償相分離，逆變補(bǔ)償由多變流器組組成，變流器組的數(shù)量和容量根據(jù)總補(bǔ)償容量確定，提高了諧波補(bǔ)償?shù)撵`活性。

其動(dòng)態(tài)控制方法根據(jù)總補(bǔ)償容量、各次諧波電流、各變流器組總運(yùn)行時(shí)間、補(bǔ)償容量以及開關(guān)損耗確定系統(tǒng)運(yùn)行模式：

情況①：負(fù)載中某幾次諧波電流動(dòng)態(tài)范圍超過設(shè)定閾值時(shí)，采用具有分配不同優(yōu)先級(jí)的補(bǔ)償方式，先根據(jù)超出閾值的各次諧波補(bǔ)償容量將各變流器中的某幾組單獨(dú)用于補(bǔ)償該類諧波電流，其具有最高優(yōu)先級(jí)。再根據(jù)剩余補(bǔ)償容量選擇單一變流器組補(bǔ)償或者多變流器同時(shí)補(bǔ)償，其具有較低優(yōu)先級(jí)，投切仲裁器產(chǎn)生具有不同優(yōu)先級(jí)的多組PWM信號(hào)。

情況②：各次諧波電流動(dòng)態(tài)范圍未超出設(shè)定閾值且總負(fù)載容量大于最大變流器補(bǔ)償容量，采用多變流器組同時(shí)補(bǔ)償方式，且多變流器組之間優(yōu)先級(jí)相同、補(bǔ)償容量相同，投切仲裁器產(chǎn)生多組相同PWM控制信號(hào)。

情況③：各次諧波電流動(dòng)態(tài)范圍未超出設(shè)定閾值且總負(fù)載容量小于最大變流器補(bǔ)償容量，根據(jù)功率模塊最小化原則，采用單一變流器組補(bǔ)償方式，投切仲裁器產(chǎn)生一組PWM控制信號(hào)。

本發(fā)明能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)高補(bǔ)償精度、較優(yōu)的補(bǔ)償利用率和較好的可靠性，且能夠適應(yīng)不同工況，自動(dòng)冗余補(bǔ)償。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于多變流器組的大容量有源電力濾波器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明基于多變流器組的大容量有源電力濾波器中數(shù)字信號(hào)處理器和投切仲裁器工作示意框圖。

圖3為本發(fā)明基于多變流器組的大容量有源電力濾波器上電后動(dòng)態(tài)控制方法流程示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明提出的基于多變流器組的大容量有源電力濾波器并聯(lián)于電網(wǎng)系統(tǒng)，它包括：

電壓互感器1、電流互感器2、數(shù)字信號(hào)處理器3、投切仲裁器9、若干變流器4、連接電感5、充電電阻6、接觸器7、主斷路器8。電壓互感器采集網(wǎng)側(cè)電壓，電流互感器采集負(fù)載電流。電壓互感器和電流互感器均連接至數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）。數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）用于總諧波和無功信號(hào)的提取，并傳至投切仲裁器。充電電阻6和接觸器7并聯(lián)，一端通過主斷路器（8）接入電網(wǎng)，另一端接連接電感5。連接電感5連接各變流器4，各變流器的直流側(cè)均并聯(lián)一個(gè)直流電容。采用FPGA作為投切仲裁器，用于產(chǎn)生控制各變流器的PWM信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)各變流器的IGBT產(chǎn)生諧波和無功補(bǔ)償電流，后經(jīng)連接電感注入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)諧波補(bǔ)償。

系統(tǒng)上電后，先閉合主斷路器8，電網(wǎng)經(jīng)充電電阻6和各變流器4給各直流側(cè)電容充電，待直流電容充電完畢后閉合接觸器7，短路充電電阻6，系統(tǒng)開始進(jìn)行諧波和無功的檢測(cè)和補(bǔ)償。

電壓互感器采集網(wǎng)側(cè)電壓，電流互感器采集負(fù)載電流，經(jīng)DSP瞬時(shí)無功功率算法后獲得總諧波和無功信號(hào)，后經(jīng)投切仲裁器產(chǎn)生用于控制不同變流器組的PWM信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)變流器組的IGBT產(chǎn)生諧波和無功補(bǔ)償電流，后經(jīng)連接電感注入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)諧波補(bǔ)償。

如圖2所示，電壓互感器采集的網(wǎng)側(cè)電壓信號(hào)和電流互感器采集的負(fù)載電流信號(hào)經(jīng)模擬信號(hào)調(diào)理電路處理后轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒〥SP采集的信號(hào)，DSP采集后提取出總諧波信號(hào)、各次諧波信號(hào)和無功信號(hào)，并將這些信號(hào)傳遞給FPGA處理模塊，F(xiàn)PGA通過采集直流母線電壓和補(bǔ)償電流形成閉環(huán)控制，根據(jù)各次諧波電流動(dòng)態(tài)范圍和總補(bǔ)償容量動(dòng)態(tài)生成具有不同優(yōu)先級(jí)的PWM控制信號(hào)組。

如附圖3所示，為本發(fā)明有源電力濾波器上電后動(dòng)態(tài)控制方法流程示意圖。其動(dòng)態(tài)控制方法根據(jù)總補(bǔ)償容量、各次諧波電流、各變流器組總運(yùn)行時(shí)間、補(bǔ)償容量以及開關(guān)損耗確定系統(tǒng)運(yùn)行模式：

情況①：負(fù)載中某幾次諧波電流動(dòng)態(tài)范圍超過設(shè)定閾值時(shí)，采用具有分配不同優(yōu)先級(jí)的補(bǔ)償方式，先根據(jù)超出閾值的各次諧波補(bǔ)償容量將變流器組中的某幾組單獨(dú)用于補(bǔ)償該類諧波電流，其具有最高優(yōu)先級(jí)。再根據(jù)剩余補(bǔ)償容量選擇單一變流器組補(bǔ)償或者多變流器組同時(shí)補(bǔ)償，其具有較低優(yōu)先級(jí)，投切仲裁器產(chǎn)生具有不同優(yōu)先級(jí)的多組PWM信號(hào)。

情況②：各次諧波電流動(dòng)態(tài)范圍未超出設(shè)定閾值且總負(fù)載容量大于最大變流器組補(bǔ)償容量，采用多變流器組同時(shí)補(bǔ)償方式，且多變流器組之間優(yōu)先級(jí)相同、補(bǔ)償容量相同，投切仲裁器產(chǎn)生多組相同PWM控制信號(hào)。

情況③：各次諧波電流動(dòng)態(tài)范圍未超出設(shè)定閾值且總負(fù)載容量小于最大變流器組補(bǔ)償容量，根據(jù)功率模塊最小化原則，采用單一變流器組補(bǔ)償方式，投切仲裁器產(chǎn)生一組PWM控制信號(hào)。

本發(fā)明有源電力濾波器將檢測(cè)控制和功率模塊相分離，采用一個(gè)檢測(cè)控制柜與多個(gè)功率模塊相通信的方式，相比于現(xiàn)有的多機(jī)并聯(lián)模式減少了硬件數(shù)量和節(jié)省了安裝空間，其動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制方法又達(dá)到了均等利用設(shè)備的目的，可以實(shí)現(xiàn)整機(jī)補(bǔ)償容量最優(yōu)利用。