专利名称：针对低压大电流谐波的多机分次式完全有源型治理装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多机分次式完全有源型治理装置，特别涉及一种针对低压大电流谐波污染源的多机分次式完全有源型治理装置。
背景技术：
低压大电流谐波污染源广泛存在于电网，如化工烧碱行业电解用低压大容量整流装置，这些大容量谐波电流对电网、其他用电设备、特别是用电可靠性都会带来严重影响。 最好解决方法是在低压大电流谐波电流污染源最近处投入补偿装置，当前常见的有三种方案无源滤波器组治理、多机全补偿并联的有源滤波治理、多机全补偿并联的有源滤波和无源滤波组合的混合型治理。无源滤波器组治理，其优点是结构简单，但其补偿精度不高，无法过流限幅输出、与电网可能发生谐振而放大谐波、大容量的无源滤波器组体积庞大不便安装，因此这种方案不适于低压大电流谐波的补偿治理；多机全补偿并联的有源滤波治理， 由于单机全补偿时功率单元运行开关频率所需较高，使得单机补偿容量不能很大，用于补偿低压大电流谐波时，所需功率单元太多、实现成本巨大，因此也不适用于低压大电流谐波的补偿治理；多机并联的全补偿有源滤波和无源滤波组合的混合型治理，是上述两种方法的组合，当低压大电流谐波在低频段和高频段绝对含量都很大时，这种方法也同样面临补偿容量和成本、补偿容量和可靠性、补偿容量和补偿精度的矛盾限制，可行性不高。
发明内容
发明目的针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种针对低压大电流谐波的多机分次式完全有源型治理装置，使得有限的功率单元整体补偿容量最大化，实现对低压大电流谐波的高精度、快速动态响应的完全有源型治理。技术方案为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种针对低压大电流谐波的多机分次式完全有源型治理装置，包括主控制器、多个补偿组、第一电流传感器和第一电压传感器，所述补偿组包括若干功率单元，所述功率单元包括三相电压型PWM变流器和从控制器，所述第一电流传感器采集负载侧的电流信号并输入所述主控制器，所述第一电压传感器采集电网侧的电压信号并输入所述主控制器，所述主控制器根据负载侧的电流信号和电网侧的电压信号形成补偿指令电流和同步信号，输入所述从控制器，从控制器根据所述补偿指令电流和同步信号形成控制所述三相电压型PWM变流器的PWM信号，所述三相电压型PWM变流器输出谐波补偿电流到电网。所述主控制器可包括谐波检测模块、补偿指令电流生成和分配模块和功率单元时基同步模块；所述低频段谐波分次检测模块用于检测出负载侧电流中的谐波；所述补偿指令电流生成和分配模块用于接收第一电流传感器的电流信号，从而生成各功率单元的补偿指令电流，分配给各个功率单元；所述功率单元时基同步模块用于向各功率单元发送同步信号，协调各功率单元同步运行。所述第一电压传感器可采集电网侧的电压信号并输入所述从控制器，还包括第二电压传感器和第二电流传感器，所述第二电压传感器采集所述三相电压型PWM变流器的直流母线电压并输入所述从控制器，所述第二电流传感器采集三相电压型PWM变流器的桥臂电流信号并输入所述从控制器。所述从控制器可包括直流母线电压闭环控制模块、补偿电流闭环控制模块、时基同步模块和混合PWM调制模块；所述直流母线电压闭环控制模块用于稳定直流侧电容电压；所述补偿电流闭环控制模块用于接收主控制器的补偿指令电流，并与桥臂电流作比较； 所述时基同步模块用于接收主控制器的同步信号；所述混合PWM调制模块用于控制三相电压型PWM变流器生成补偿电流。低压大电流谐波由多个小容量功率单元并机补偿，所述补偿指令电流可按照频段最优分配至各特定频段补偿组的功率单元，相同频段下的补偿指令电流可按照有效值最优分配至该频段补偿组的功率单元。通过补偿指令电流频段最优分解低频段补偿组功率单元开关频率低，额定输出容量相对较高；高频段补偿组功率单元开关频率高，额定输出容量相对较低。这样有限的功率单元整体输出容量可以实现最大化，满足低压大电流补偿容量要求。同时相同频段下的补偿指令电流通过有效值最优分配至该频段补偿组下一定数量的功率单元补偿输出，并且各功率单元通过混合PWM调制多重化运行，减少输出的总的补偿电流纹波，使得补偿精度大大提高。整个控制任务由主从控制器分布式实现，主控制器负责谐波污染源负载电流采集、谐波检测、补偿指令电流生成和优化分配以及各功率单元时基同步；从控制器负责各功率单元母线电压控制、补偿电流闭环控制以及PWM信号输出。主从控制器通过光纤通讯。所述补偿指令电流频段最优分解是指将相对含量高的低频段谐波电流分配至开关频率相对低、额定补偿容量相对高的功率单元补偿输出，相对含量低的高频段谐波电流分配至开关频率相对高、额定容量相对低的功率单元补偿输出。这种方法结合了典型低压大电流谐波低频段谐波含量相对高而高频段谐波电流含量相对低的特点，以及电力电子开关器件构成功率单元输出补偿电流频段与所需开关频率成正比而开关频率与所输出容量成反比的特点，使得多机分次补偿的整体容量最大化。所述相同频段下的补偿指令电流的有效值最优分解是指相同频段下的补偿指令电流根据其有效值和该频段补偿组功率单元的额定补偿容量，最少功率单元数平均分配补偿电流，使得一定的补偿输出容量下所需数量的功率单元可以多重化运行，抵消总补偿电流纹波，提高补偿精度，而且降低自身损耗。所述相同频段的功率单元采用混合PWM调制多重化运行是指补偿指令电流相同的投运功率单元在PWM调制环节采用载波移相(针对三角载波调制)或是矢量序列分解移相(针对SVM调制)，使各功率单元输出相同频段补偿电流，同时互相抵消开关次纹波电流， 提高补偿精度。有益效果本发明结合典型低压大电流谐波特点和功率单元电力电子开关器件特点，采用按有效值和频段两方面合理分配补偿电流至各功率单元多机分次补偿低压大电流谐波，使得有限的功率单元数补偿容量最大化，同时多重化模式运行使得补偿精度大大提高，完全有源型的低压大电流谐波治理具有高精度、快速动态响应、补偿超限输出、补偿分次可选等多种优点，大容量输出的小容量功率单元并机实现使单机出故障不影响整个系统，可靠性和稳定性随之大大提高。
图1是针对低压大电流谐波的多机分次式完全有源型治理装置整体结构框图；图2是三相电压型PWM变流器输出容量分析图；图3是相同频段补偿组功率单元有效值最优分配原理框图；图4是单个功率单元结构框图；图5是主控制器结构框图；图6是本发明提供装置治理化工烧碱电解大功率整流低压大电流谐波示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。如图1所示，低压大电流谐波电流由多个小容量并网功率单元并机分次补偿(通常是三相电压型PWM变流器通过并网连接电路并接至电网)，即所需总补偿电流按频段和有效值两方面最优分配，形成各指定频段补偿组功率单元，频段低的补偿组功率单元运行开关频率低，补偿含量高的低频段谐波电流，而频段高的补偿组功率单元运行开关频率高，补偿含量低的高频段谐波电流。同时相同频段补偿组内的功率单元按有效值分配补偿指令电流，并且该组功率单元采用混合PWM调制多重化运行。整个控制任务由主从控制系统分布式实现，主控制器采集负载电流和网侧电压，生成各功率单元的补偿指令电流，并通过光纤下发，而各从控制器负责各功率单元母线电压控制、补偿电流闭环控制以及PWM信号输出。总的补偿指令电流首先按照频段进行分配至各特定频段补偿组的功率单元，典型的功率单元由三相电压型PWM变流器经过电感(即并网连接电路)连接至电网，其并网输出补偿电流容量主要由三相电压型PWM变流器额定参数运行时自身功耗所产生的开关器件IGBTansulated Gate Bipolar ^Transistor，绝缘栅双极型晶体管)结温所限定，而影响三相电压型PWM变流器自身功耗的主要参数是其额定运行时的开关频率和直流母线电压， 与输出电流频段等其他参数关系不大，直流母线电压又由网侧电压所限定，通常恒定不变， 所以在额定母线电压下运行三相电压型PWM变流器输出容量主要由其开关频率决定。由图2所示的三相电压型PWM变流器功耗分析，直流母线电压恒定1100V，散热条件恒定，输出电流有效值为500A时，当开关频率是I时，开关器件(IGBT)的结温为106°C，小于其最大定额(150°C )，而当开关频率IOK时，开关器件(IGBT)的结温为178°C，大于其最大定额 (150°C )。同时典型低压大电流谐波特点是低频段谐波含量高，而高频段谐波含量低，功率单元输出补偿电流频段决定其最小开关频率。这样通过总补偿指令电流的频段分解，频段低的补偿组开关频率低、额定补偿容量大，频率高的补偿组开关频率高、额定补偿容量小。 实现了有限功率单元输出满足需要的最大补偿容量。相同频段下补偿组功率单元按有效值最优分解如图3所示，按该频段的补偿电流容量和补偿该频段电流下一定的开关频率、直流母线电压的单个功率单元容量，投运满足输出容量要求的最少数目功率单元，然后平均分担补偿电流。投运功率单元多重化运行，输出相同补偿电流的同时，相互抵消纹波电流，提高整个该频段补偿电流的精度。单个功率单元如图4所示，主电路由三相电压型PWM变流器和并网连接电路(电感)构成，从控制器执行的控制模块包括直流母线电压闭环控制模块、补偿电流闭环控制模块、时基同步模块和混合HVM调制模块。从控制器接收来自主控制器的补偿指令电流和同步信号，通过采集变流器的桥臂电流、网侧电压和直流母线电压，控制功率单元发出给定补偿指令电流。主控制器如图5所示，采集负载电流和网侧电压，执行的控制模块包括谐波检测模块，补偿指令电流生成和分配模块，功率单元时基同步模块。主控制器通过光纤通讯下发所需的补偿指令电流至各功率单元系统。图6是本发明对化工烧碱大功率整流电解的低压大电流谐波污染源的具体实现图，表1是化工烧碱电解大功率整流低压大电流谐波的FFT分析结果。表中给出的是基波及各次谐波的含量，RMS表示电流有效值。从表1中可以看出，基波含量远大于谐波含量， 并且随着谐波次数的增加，谐波含量逐渐减少。表1
次数含量(RMS，A)次数含量(RMS，A)基波5.6683K氺氺51.2867K130. 2552K70.5377K170.1752K110.4097K190. 1238K
权利要求
1.一种针对低压大电流谐波的多机分次式完全有源型治理装置，其特征在于包括主控制器、多个补偿组、第一电流传感器和第一电压传感器，所述补偿组包括若干功率单 >元， 所述功率单元包括三相电压型PWM变流器和从控制器，所述第一电流传感器采集负载侧的电流信号并输入所述主控制器，所述第一电压传感器采集电网侧的电压信号并输入所述主控制器，所述主控制器根据负载侧的电流信号和电网侧的电压信号形成补偿指令电流和同步信号，输入所述从控制器，从控制器根据所述补偿指令电流和同步信号形成控制所述三相电压型PWM变流器的PWM信号，所述三相电压型PWM变流器输出谐波补偿电流到电网。
2.根据权利要求1所述针对低压大电流谐波的多机分次式完全有源型治理装置，其特征在于所述主控制器包括谐波检测模块、补偿指令电流生成和分配模块和功率单元时基同步模块；所述低频段谐波分次检测模块用于检测出负载侧电流中的谐波；所述补偿指令电流生成和分配模块用于接收第一电流传感器的电流信号，从而生成各功率单元的补偿指令电流，分配给各个功率单元；所述功率单元时基同步模块用于向各功率单元发送同步信号，协调各功率单元同步运行。
3.根据权利要求1所述针对低压大电流谐波的多机分次式完全有源型治理装置，其特征在于所述第一电压传感器采集电网侧的电压信号并输入所述从控制器，还包括第二电压传感器和第二电流传感器，所述第二电压传感器采集所述三相电压型PWM变流器的直流母线电压并输入所述从控制器，所述第二电流传感器采集三相电压型PWM变流器的桥臂电流信号并输入所述从控制器。
4.根据权利要求1所述针对低压大电流谐波的多机分次式完全有源型治理装置，其特征在于所述从控制器包括直流母线电压闭环控制模块、补偿电流闭环控制模块、时基同步模块和混合PWM调制模块；所述直流母线电压闭环控制模块用于稳定直流侧电容电压；所述补偿电流闭环控制模块用于接收主控制器的补偿指令电流，并与桥臂电流作比较；所述时基同步模块用于接收主控制器的同步信号；所述混合PWM调制模块用于控制三相电压型 PWM变流器生成补偿电流。
5.根据权利要求1所述针对低压大电流谐波的多机分次式完全有源型治理装置，其特征在于所述补偿指令电流按照频段最优分配至各特定频段补偿组的功率单元，相同频段下的补偿指令电流按照有效值最优分配至该频段补偿组的功率单元。
全文摘要
本发明公开了一种针对低压大电流谐波的多机分次式完全有源型治理装置，将低压大电流谐波按频段和有效值两方面最优分配至各小容量并网功率单元多机分次补偿相同频段补偿组功率单元模块相同，按有效值最优分配该频段补偿电流，并采用混合PWM策略多重化运行，抵消纹波电流，提高补偿精度；不同频段补偿组功率单元，补偿频段高的开关频率高、补偿容量低，补偿频段低的开关频率低、补偿容量高，最大化整体的补偿容量；整个控制任务由主从数控系统分布式实现，主控系统负责补偿指令电流运算、分配，各从控制系统负责对应功率单元补偿电流闭环控制。本发明可以实现对低压大电流谐波的高精度、快速动态响应的完全有源型治理。
文档编号H02J3/01GK102394499SQ20111034308
公开日2012年3月28日 申请日期2011年11月3日 优先权日2011年11月3日
发明者刘康礼, 孟玮, 曹武, 赵剑锋 申请人:东南大学