一种电厂发电系统中电力滤波设备和方法与流程

本发明涉及电厂供电领域，具体地，涉及一种电厂发电系统中电力滤波设备和方法。

背景技术：

现有技术中，发电厂采用空气冷却设备对发电机组进行散热。将传热管形成高热流密度,由快速的空气流把热量散发到大气中。电厂内负荷供电安全性要求高，设备工作时都有备用变压器。若使用中的变压器需要维护时，就要投入备用变压器。当备用变压器投入与主变压器并列运行时，会出现负载电流分流现象，再将主变压器脱离主母线，切换结束，此时电流全在备用变压器段。发电厂因节能的需要，采用大量的交流变频调速装置驱动风机、水泵、给煤机以及皮带机。大量使用低压交流变频调速装置的同时也使厂用电特征谐波危害迅速增加，对电厂的安全运行产生很大威胁。因此需要提供一种方案能够解决交流变频调速装置高次谐波对变压器、母线造成严重的过热导致的各种危害。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种电厂发电系统中电力滤波设备和方法，用于解决上述技术问题，至少部分地解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种电厂发电系统中电力滤波设备，该设备包括：双回路电流信号采集装置和有源滤波器，

所述双回路电流信号采集装置的多个互感器分别位于所述有源滤波器内以及所述电厂发电系统的主变压器侧和备用变压器侧，分别用于对所述有源滤波器、所述主变压器和所述备用变压器进行电流采样；

所述有源滤波器分别与所述多个互感器连接并通过接入点接入所述电厂发电系统，用于根据从互感器获得的电流采样生成补偿电流，将补偿电流输入电厂发电系统以补偿所述电厂发电系统的谐波电流。

优选地，所述有源滤波器包括指令电流运算模块和补偿电流发生模块，所述指令电流运算模块用于将电流采样的模拟信号转换为数字信号，对所述数字信号进行处理来将谐波电流和基波电流进行分离得到指令信号，将指令信号传输给所述补偿电流发生模块；所述补偿电流发生模块接收指令信号生成与谐波电流幅度相等、极性相反的补偿电流，将补偿电流输入电厂发电系统。

优选地，所述指令电流运算模块用于将指令信号以脉宽调制PWM信号形式作为驱动脉冲传输给所述补偿电流发生模块。

优选地，所述指令电流运算模块用于将主变压器侧的电流采样与备用变压器侧的电流采样相加后减去有源滤波器内的电流采样得到负载电流采样，从负载电流采样中分离出谐波电流和基波电流以得到指令信号。

优选地，所述指令电流运算模块用于将电流采样的交流模拟信号转换为直流模拟信号，将直流模拟信号放大后通过二极管进行嵌位处理，将嵌位处理后的直流模拟信号转换为数字信号。

优选地，所述双回路电流信号采集装置的多个互感器中的至少两者分别连接所述主变压器的配电开关侧和所述备用变压器的配电开关侧。

根据本发明的另一方面，公开了一种电厂发电系统中电力滤波方法，该方法包括：双回路电流信号采集装置通过多个互感器分别对有源滤波器、主变压器和备用变压器进行电流采样；有源滤波器根据从互感器获得的电流采样生成补偿电流，将补偿电流输入电厂发电系统以补偿所述电厂发电系统的谐波电流。

优选地，所述有源滤波器包括指令电流运算模块和补偿电流发生模块，所述有源滤波器根据从互感器获得的电流采样生成补偿电流，将补偿电流输入电厂发电系统以补偿所述电厂发电系统的谐波电流包括：指令电流运算模块将电流采样的模拟信号转换为数字信号，对所述数字信号进行处理来将谐波电流和基波电流进行分离得到指令信号，将指令信号传输给补偿电流发生模块；补偿电流发生模块接收指令信号生成与谐波电流幅度相等、极性相反的补偿电流，将补偿电流输入电厂发电系统。

优选地，指令电流运算模块将指令信号传输给所述补偿电流发生模块包括：指令电流运算模块将指令信号以脉宽调制PWM信号形式作为驱动脉冲传输给补偿电流发生模块。

优选地，指令电流运算模块对数字信号进行处理来将谐波电流和基波电流进行分离得到指令信号包括：指令电流运算模块将主变压器侧的电流采样与备用变压器侧的电流采样相加后减去有源滤波器内的电流采样得到负载电流采样，从负载电流采样中分离出谐波电流和基波电流以得到指令信号。

优选地，指令电流运算模块将电流采样的模拟信号转换为数字信号包括：指令电流运算模块将电流采样的交流模拟信号转换为直流模拟信号，将直流模拟信号放大后通过二极管进行嵌位处理，将嵌位处理后的直流模拟信号转换为数字信号。

通过上述技术方案，双回路电流信号采集装置的多个互感器分别位于所述有源滤波器内以及所述电厂发电系统的主变压器侧和备用变压器侧，分别用于对所述有源滤波器、所述主变压器和所述备用变压器进行电流采样；有源滤波器分别与所述多个互感器连接并通过接入点接入所述电厂发电系统，用于根据从互感器获得的电流采样生成补偿电流，将补偿电流输入电厂发电系统以补偿所述电厂发电系统的谐波电流。如此，能够抑制电厂发电系统中的谐波电流，进而减少高次谐波对变压器、母线造成严重的过热导致的各种危害。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明实施方式的电厂发电系统中电力滤波设备的示意图；

图2是根据本发明实施方式的电厂发电系统中电力滤波设备的示意图；

图3为根据本发明实施方式的电厂空气冷却系统双回路供电的配电图；

图4为根据本发明实施方式的有源滤波器接入位置的示意图；

图5为根据本发明实施方式的双回路电流信号采集装置的连接示意图；

图6为变频设备谐波含量和系统阻抗关系的示意图；

图7A为根据本发明实施方式的前配电系统电能质量状况的电压、电流波形图；

图7B为根据本发明实施方式的前配电系统电能质量状况的电压、电流谐波柱状图；

图8A为根据本发明实施方式的后配电系统电能质量状况的电压、电流波形图；

图8B为根据本发明实施方式的后配电系统电能质量状况的电压、电流谐波柱状图；

图9是根据本发明实施方式的电厂发电系统中电力滤波方法的流程图；以及

图10是根据本发明实施方式的生成补偿电流的过程的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1是根据本发明实施方式的电厂发电系统中电力滤波设备的结构示意图。如图1所示，该设备可包括：双回路电流信号采集装置110和有源滤波器120。双回路电流信号采集装置110的多个互感器112分别位于有源滤波器120内以及电厂发电系统的主变压器侧和备用变压器侧，分别用于对有源滤波器120、主变压器和备用变压器进行电流采样。有源滤波器120分别与多个互感器122连接并通过接入点接入电厂发电系统，用于根据从互感器112获得的电流采样生成补偿电流，将补偿电流输入电厂发电系统以补偿电厂发电系统的谐波电流。

其中，双回路电流信号采集装置110的多个互感器112中的至少两者可分别连接主变压器的配电开关侧和备用变压器的配电开关侧。

举例而言，双回路电流信号采集系统110可采用三套电流采集回路，分别将互感器112接在主变压器配电开关侧、备用变压器配电开关侧和有源滤波器120内部。将三套电流采集回路采集的信号输入给有源滤波器120，由有源滤波器120计算出补偿电流输入电厂发电系统。如此，无论是正常供电或者切换备用电时，有源滤波器120都能够精确的检测出电厂发电系统谐波电流值，根据检测的数据进行谐波治理。

此外，有源滤波器120的补偿电流的相电厂发电系统的注入位置(即接入点)的选择会影响到滤波效果。发明人对变频器设备进行理论仿真，在不同系统感抗情况下，对变频器谐波畸变率进行分析发现有源滤波器120的补偿电流的注入点位置与接入电缆的长度相关。在谐波电流比较严重的情况下，考虑电缆长度对系统设备的影响，接入电缆产生的压降U_电缆＝(U_谐波＝N次谐波下电缆长度产生的电阻×N次谐波电流)。由此可见，线缆长度越长，线缆的压降越大，滤波器的输入电压越低，而有源滤波器120的输入电压太低会影响到其工作性能，接入电缆越长，其阻抗越大，滤波效果就会降低。因此，可以选择注入点位置尽可能靠近有源滤波器120，或者注入点位置与有源滤波器120间距离不超过预设长度。

在一实施例中，如图2所示，有源滤波器120包括指令电流运算模块122和补偿电流发生模块124。指令电流运算模块122用于将电流采样的模拟信号转换为数字信号，对数字信号进行处理来将谐波电流和基波电流进行分离得到指令信号，将指令信号传输给补偿电流发生模块124。补偿电流发生模块124接收指令信号生成与谐波电流幅度相等、极性相反的补偿电流，将补偿电流输入电厂发电系统。

其中，指令电流运算模块122可用于将指令信号以脉宽调制PWM信号形式作为驱动脉冲传输给补偿电流发生模块124。

指令电流运算模块122可用于将主变压器侧的电流采样与备用变压器侧的电流采样相加后减去有源滤波器120内的电流采样得到负载电流采样，从负载电流采样中分离出谐波电流和基波电流以得到指令信号。

举例而言，指令电流运算模块122实时根据输入的电流采样获得负载电流，所得负载电流为模拟电流信号。指令电流运算模块122将模拟电流信号转换为数字信号，送入指令电流运算模块122中的数字信号处理器(DSP)对信号进行处理，将谐波与基波分离，得到指令电流，并通过指令电流运算模块122中的电流跟踪控制电路和驱动电路，以脉宽调制(PWM)信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲。

补偿电流发生模块124中的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)或IPM(智能功率模块)被驱动，进而生成与谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流，补偿电流被输入电厂发电系统，对电厂发电系统中谐波电流进行补偿或抵消，从而减少高次谐波对变压器、母线造成严重的过热导致的各种危害。

在另一实施方式中，指令电流运算模块122可用于将电流采样的交流模拟信号转换为直流模拟信号，将直流模拟信号放大后通过二极管进行嵌位处理，将嵌位处理后的直流模拟信号转换为数字信号。

有源滤波器120工作在发电厂强电磁场环境下，需要使得有源滤波120具有电磁兼容性，以便能够在发电厂强电磁场环境下安全、可靠地运行来有效治理谐波。可对有源滤波器120采取如下抗干扰措施。

就硬件抗干扰方面，对有源滤波器120选择集成化程度高、抗干扰能力强、功耗小的电子器件。其中，电源部分采用开关电源供电，开关电源内部具有抗干扰能力，内部具有滤波器用于抑制来自电网的噪声对电源本身的侵害，也可以抑制由开关电源产生并向电网反馈的干扰。在开关电源的输出端加输出高频电容，加大输出滤波电感的电感量及滤波电容的容量，来抑制差模噪声。

另外，开关电源为具有储能电容和电感的开关电源。在电压跌落或短暂中断后，储能电容和电感开始放电以维持有源滤波器120短时期内的正常工作。

有源滤波器120内部合理的走线，强弱电分离，对信号线进行屏蔽，对输入输出进行有效的隔离。有源滤波器120的外壳进行接地，单元金属屏蔽外罩进行接地，并将开关电源的外壳接地。

为保证线路传输的可靠性能，采用光电隔离、阻抗匹配等措施。光电藕合器可以将输入侧与处理器侧(例如，DSP)隔离，有效防止干扰信号从输入部分进入。DSP的输入输出加入ESD(静电放电)保护缓冲。IGBT控制信号使用光纤，有效抑制干扰，防止IPM误动作。模拟量输入通道通过二次变换后放大隔离处理的方式来抗干扰。首先，将电流互感器进来的信号经过电流变送器进行二次变换，其中电流变送器内部具有整流和滤波功能，电流变送器把输入的0～5A的交流模拟信号转换成0～1V的直流模拟信号。直流模拟信号经过模拟通道选通后再经过放大器进行5倍的隔离放大处理后进入A/D模块(模数转换模块)，进入A/D模块之前经过两个二极管进行钳位处理，如此来抑制了尖峰电压信号的破坏作用。

印制电路板在布线上将数字电路的地与模拟电路的地仅通过单点共地，这样就避免了公共地线引起的共阻抗藕合。在地线和电源线的布线时采用加宽电源线的措施，另外电路板空白处采用敷铜处理。在设计中将相对电压较高的继电器控制部分放在距处理器较远的地方，使强电与弱电信号隔离。

软件抗干扰措施包括，为了防止程序运行出错导致处理器进入死循环，增加看门狗功能的模块，在开发环境中，看门狗监视到程序由于外届干扰而进入死循环后看门狗程序就会在18ms后使程序自动复位从头开始执行以跳出死循环。

通过上述技术方案，能够消除发电厂中变频调速装置带来的谐波问题；有源滤波器在发电厂厂用电的备用变压器自动投入过程中连续工作，能够安全可靠地提供谐波抑制功能。

如图3所示，以发电厂空气冷却系统双回路供电为例对本发明进行说明。正常情况下，有主变压器A和主变压器B分别给其空冷段的负荷供电，备用变侧的断路器处于断开状态。若使用中的主变压器需要维护时，就要投入备用变压器。当备用变压器投入与主变压器并列运行时，会出现负载电流分流现象，再将主变压器脱离主母线，切换结束，此时电流全在备用变压器段。在这个过程中需要安装的有源滤波器能够连续不停机运行。无论负载由主变压器还是备用变压器供电，都能够起到谐波抑制的作用。

在本实施例中有两套有源滤波器，图4示出了有源滤波器A和有源滤波器B的接入情况及信号采集位置，有源滤波器A和B分别通过双回路电流信号采集系统的互感器在主变总配电柜和备用变配电柜及有源滤波器自身内部进行采样，并分别根据三组数据生成补偿电流。有源滤波器通过电缆接入配电系统中，配电系统中每台变压器下面有15台变频器驱动的空压机组，有源滤波器的接入位置位于其15台空压机组中间。

如图5所示，双回路电流信号采样装置，采用三套电流采集回路，分别接在主变压器配电开关侧、备用变压器配电开关侧和有源滤波器内部，通过三套互感器采样，其中1#与2#互感器分别靠近主变压器与备用变压器进行电流采样，3#为设备电流采样，通过合理的接线及软件运算实现：

根据三套电流采用回路的采样电流，按I4(负载)＝I1(主变)+I2(备变)-I3(有源滤波器)进行计算得到负载电流。双回路电流信号采样装置无论是正常供电或者切换备用电时都进行电流采样，以保证有源滤波器能够根据检测出的系统谐波电流值生成补偿电流来对系统中谐波进行抑制。

本发明中采用三相同步连续双电流采样方法解决电源切换时在不同电流方向在变压器并联、切换状态下的连续测量，实现有源滤波器满足双变压器切换时的连续运行要求。有源滤波器在厂用电备用变压器自动投入使用过程中连续工作，能够安全可靠地提供谐波抑制功能。

图6示出了变频设备谐波含量和系统阻抗关系。发电厂空冷段多交流变频装置低压配电系统中变频器的输入侧是6脉冲整流器，属于电压源设备，供电变压器的短路阻抗相当于一个理想的变压器与一个电抗器串联，当连接于理想电网时(即电网容量无限大，电网无电压谐波)，其谐波含量由输入电抗器的电抗率决定。原系统配电变压器的短路阻抗设计为8.06％，变频器输入电抗器的短路阻抗设计为2％，因此变压器接近为整流变压器，可以降低系统的成本。根据配电系统实际参数情况搭建仿真平台，当变频器输入电抗率为2％时，变频器输入侧最大谐波含量为66％，当变频器输入侧电抗率为4％时，输入侧最大谐波含量为40％。当变频器输入侧电抗率为10％时，输入侧最大谐波含量为25％。因此原系统在不加滤波器时，变频器等效输入电抗率为10％。

采用有源滤波器进行滤波时，为了实现较好的滤波效果，需要减小系统的阻抗，系统阻抗降低，电流谐波通过系统阻抗产生的谐波电压就会降低，该系统安装理想有源滤波器后，对于任意负载，其谐波阻抗为0，因此变压器的短路阻抗在安装有源滤波器后将不能降低变频器的谐波电流。通过有源滤波器滤波后，变频器的输入阻抗降低到2％，因此理论上变频器的谐波含量将达到66％。

图7所示波形为有源滤波器安装前，配电系统谐波情况。根据实际负载工作的情况，结合理论仿真分析，安装补偿容量。

图8所示波形为本发明中电力滤波使用后配电系统电压和电流谐波畸变率满足GB/T14549电能质量公共电网谐波标准的限制值。

图9是根据本发明实施方式的电厂发电系统中电力滤波方法的流程图。如图9所示，该方法可包括如下步骤。

在步骤S910中，双回路电流信号采集装置通过多个互感器分别对有源滤波器、主变压器和备用变压器进行电流采样。

在步骤S920中，有源滤波器根据从互感器获得的电流采样生成补偿电流，将补偿电流输入电厂发电系统以补偿所述电厂发电系统的谐波电流。

在一实施例中，有源滤波器可包括指令电流运算模块和补偿电流发生模块。如图10所示，所述有源滤波器根据从互感器获得的电流采样生成补偿电流，将补偿电流输入电厂发电系统以补偿所述电厂发电系统的谐波电流可包括如下步骤。

在步骤S1002中，指令电流运算模块将电流采样的模拟信号转换为数字信号，对数字信号进行处理来将谐波电流和基波电流进行分离得到指令信号，将指令信号传输给补偿电流发生模块。

在步骤S1004中，补偿电流发生模块接收指令信号生成与谐波电流幅度相等、极性相反的补偿电流，将补偿电流输入电厂发电系统。

其中，指令电流运算模块将指令信号传输给补偿电流发生模块可包括：指令电流运算模块将指令信号以脉宽调制PWM信号形式作为驱动脉冲传输给补偿电流发生模块。

其中，指令电流运算模块对数字信号进行处理来将谐波电流和基波电流进行分离得到指令信号可包括：指令电流运算模块将主变压器侧的电流采样与备用变压器侧的电流采样相加后减去有源滤波器内的电流采样得到负载电流采样，从负载电流采样中分离出谐波电流和基波电流以得到指令信号。

其中，指令电流运算模块将电流采样的模拟信号转换为数字信号可包括：指令电流运算模块将电流采样的交流模拟信号转换为直流模拟信号，将直流模拟信号放大后通过二极管进行嵌位处理，将嵌位处理后的直流模拟信号转换为数字信号。

上述方法与前述设备相对应，具体实施方式可参见前述设备中详细描述，在此不再赘述。

本发明中采用三相同步连续双电流采样方法解决电源切换时在不同电流方向在变压器并联、切换状态下的连续测量，实现有源滤波器满足双变压器切换时的连续运行要求。有源滤波器在厂用电备用变压器自动投入使用过程中连续工作，能够安全可靠地提供谐波抑制功能。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。