专利名称：一种基于耦合电感的有源电力滤波装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及谐波抑制和无功补偿技术领域，更具体涉及一种基于耦合电感的有源电力滤波装置，适用于任何三相三线制或三相四线制带有非线性负载的电网，作为无功和谐波电流补偿。
背景技术：
随着现代工业的高速发展，大功率电力电子装置、电弧炉等非线性负载得到了广泛应用，同时也给电网带来了越来越严重的无功问题和谐波污染，使电网电压和电流波形发生畸变，电能质量下降并威胁电网的安全。目前谐波已成为电网的一大公害。无源滤波技术是谐波补偿的传统方法，即在谐波源附近加装若干单调谐及高通滤波支路以旁路谐波电流。无源滤波装置(PPT) —般是由电容器、电抗器(常用空心的)和电阻器适当组合而成，起滤波作用还兼顾无功补偿的需要。该方法虽然具有结构简单、设备投资少、维护方便、运行费用较低等优点，但由于结构和原理上的原因，PPF存在一些难以克服的缺点。最大不足是其补偿特性易受电网阻抗和运行状态的影响，易和系统发生并联谐振，使滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想。20世纪70年代初期.日本学者首先提出了有源滤波器(ActivePower Filter简称APF)的概念。1976年美国西屋电气公司的L. cyugi在理论上获得重大突破，提出利用大功率晶体管组成的PWM(脉冲宽度调制)逆变器构成的APF来消除电网谐波。由于受当时功率半导体器件水平以及控制策略的限制，APF的研制一直处在实验阶段。20世纪80年代以后，随着电力电子技术和现代控制技术的飞速发展，大功率可关断器件(GTR、GT0, IGBT、IGCT等)的制造技术不断进步，以及对非正弦条件下无功功率理论的深入研究，特别是1983年日本学者赤木泰文(Akagi.H)提出的“瞬时无功功率理论”， 为有源电力滤波器的实际应用奠定了控制理论基础，使得在70年代提出的有源电力滤波器的设想得以实现并得到快速发展。根据APF与电网的连接方式不同，APF可分为并联型、串联型、混合型和串-并联型等几种类型。并联型APF适用于电流源型非线性负载的谐波电流抵消、无功及三相系统中的不平衡电流补偿等，是当前应用最广泛的APF拓扑结构。并联型有源电力滤波器作为中小容量工业用户的最佳选择，它具有以下一些突出的优势和特点1).并联有源滤波器具有优良的综合补偿功能。对于各类用户而言，除了能够提供谐波、无功和不平衡补偿外，还能够补偿电压闪变和阻止电网与负载之间的谐振；2).不需要附加保护/隔离变压器，连接使用最为方便，且不产生位移功率因数等问题，对非线性负载无任何影响；3).由于被控制为一个电流源，控制器设计相对简单；4). APF的工作不受电网电压谐波和频率变化的影响，也不受负载不对称因素和电网阻抗的影响；
5).最适合于和具有整流电路接口的大功率设备进行系统集成以满足相关谐波标准，同时也能够附加其它功能；6).能够作为标准配置直接安装使用，而不需要针对性的系统化设计，也能够提供现有无源滤波装置的改造和升级方案；7).具有模块化并联扩容潜力，以提供大容量谐波补偿，各模块可以设定为全谐波补偿或者是单次谐波补偿；8).并联有源滤波器能够被安装于配电系统中，以阻尼由于功率因数校正电容或者无源滤波器和电网阻抗之间相互作用而导致的谐波扩散和谐振。正是因为APF所具有的一系列优良性能，加上人类社会对电网质量的要求日益提高，近年来，国内外已开始在工业和民用设备上广泛使用有源电力滤波器，并且单机装置的容量逐步提高，其应用领域从补偿用户自身的谐波转向改善整个电力系统供电质量的方向发展。有源电力滤波器的关键技术是指令电流的提取和补偿电流的产生。指令电流的提取方法有多种，如以快速Rmrier变换(FFT)为基础的全数字频域滤波方法，这种方法存在较大延迟，实时性差，补偿效果不是很好；基于现代控制理论的检测方法；自适应检测法；基于神经网络控制法等等。但是，相对而言最佳的方法还是基于瞬时功率理论的空间矢量算法。“瞬时无功功率理论”的提出以及对这一理论的大量深入研究和不断改进完善，将瞬时功率拓展为电压电流的矢量运算，使瞬时功率理论摆脱了静止坐标系的框架，这样，瞬时功率理论无论是对三相三线制还是对三相四线制系统、对称还是非对称系统都能适用， 加上大规模可编程数字逻辑芯片性能/价格比的日益提高，使得有源电力滤波器的指令电流的实时提取已经能较好地解决。补偿电流的控制和生成则是由主控模块根据其运算并提取的指令电流来实时控制驱动模块，驱动模块产生PWM触发脉冲，用以控制功率转换模块中各IGBT的有序通断，产生合适的PWM输出电压，这一电压，最后通过一种基于耦合电感的LCL滤波模块滤除谐波后向电网注入补偿电流，要使功率转换模块输出的PWM电压实时准确地转换为补偿电流，对滤波模块提出了很高的要求。传统的APF的PWM功率输出大都是通过单电感与电网相连。 对于单电感的1阶滤波器而言，对功率转换级输出的PWM开关纹波的衰减能力不足，将会使装置输出的补偿电流中含有不需要的谐波成分。为增强对PWM电压中的开关谐波的衰减作用，不得不增大电感值，这样就会增大设备的体积重量，造成系统的成本升高，并使系统的动态跟踪补偿性能变差。为有效滤除开关谐波，可以将LC或LCR滤波器引入并联APF中，但因电网阻抗不确定，LC或LCR滤波器有时难以获得理想的滤波效果。而使用LCL滤波器能够获得比L和LC滤波器更优异的性能和滤波效果，因而特别适用于大容量有源滤波装置。
发明内容
本发明的目的是在于提供了一种基于耦合电感的有源电力滤波装置，能实时准确地检测出带有非线性负载的电网中的无功和谐波电流，并以此电流作为指令电流，经过主控模块的运算，产生所需的触发信号，再通过驱动模块产生PWM触发脉冲，控制功率转换模块中各IGBT的有序通断，产生合适的PWM电压，这一 PWM电压，通过一种基于耦合电感的LCL滤波模块滤波后向电网注入补偿电流。为实现本发明的目的，采用如下技术方案本发明的目的在于使装置产生的补偿电流动态跟踪性好，补偿电流始终动态跟踪上述指令电流，且与之大小相等方向相反，可以补偿系统电流中由非线性负载产生的基波无功和谐波电流。以达到对电力系统补偿无功、消除谐波、提高功率因数和电能质量的目的。一种基于耦合电感的有源电力滤波装置，包括信号采集模块、主控模块、驱动模块、功率转换模块、基于耦合电感的LCL滤波模块，其特征在于信号采集模块分别与电网、主控模块连接，驱动模块分别与主控模块、功率转换模块连接，基于耦合电感的LCL滤波模块分别与功率转换模块、电网、非线性负载连接；所述基于耦合电感的LCL滤波模块(6)为一种采用耦合电感Lp L2和电容器C组成的滤波模块，基于耦合电感的LCL滤波模块中的电感L1和电感L2的线圈绕制在一个共用的开有气隙的闭合铁芯上，形成耦合电感；基于耦合电感的LCL滤波模块共用三组(LlaCaL2a、LlbCbL2b, LlcCcL2c)，对应于三相电网每相使用一组(见图1和图2)，如图2所示，对于电网a相而言，电感Lla的同名端与功率转换模块中相对应的输出端相连，电感Lla的非同名端与电感L2a的同名端、电容器Ca相连，电感L2a的非同名端与电网之a相和非线性负载相连，电容器Ca的另一端与其他两相中电容器Cb、电容器C。的相同端点相连。b相和c相的接法与a相相同。指令电流的提取产生方法是1).通过信号采集模块中的传感器采集三相电网电压和电流信号，并进行信号调理和A/D转换后送入主控模块。2).主控模块对从信号采集模块送入的数字信号进行一系列坐标变换运算、数字低通滤波、坐标反变换运算、加法运算等，完成指令电流的提取。所述的主控模块C3)运算和提取指令电流的步骤是a.通过数字锁相环(Phase Lock Loop)提取与电网a相电压Ua同步的正弦sin ω t 禾口余弦cos cot。b.将经过处理后的三相电网电流isa、isb、is。与sin ω t和cos ω t进行dqo坐标变换，求出与之相应的dqo坐标下的id、i。。c.对id、i,进行数字低通滤波(Low Pass Filter)处理，提取其直流分量[、Tq (经过低通滤波后的[、ζ即分别代表基波有功电流分量和基波无功电流分量)。d.将万、ζ、i。与sin ω t和cos ω t进行dqo坐标反变换(变换时令ζ等于零，在三相三线制下i。等于零)，求取三相电网基波有功电流iaf、ibf、icf0e.将isa、isb、is。与。、‘、。进行减法运算，即可求出三相电网电流中的基波无功和谐波电流iah、ibh、i。h亦即所需的指令电流。补偿电流的控制与生成则采用滞环电流控制(HysteresisCur-rent Control)方法，滞环电流控制是一种非线性闭环电流控制方法。它利用滞环比较器形成一个以指令电流为中心的滞环，通过反馈电力有源滤波器的输出电流来与以指令电流为中心的滞环进行比较，产生选通信号，选通信号通过驱动模块产生PWM触发脉冲，用以控制控制功率转换模块中各IGBT的有序通断，产生合适的PWM电压。滞环电流控制中电流反馈的存在加快了动态响应速度，增强了抑制环内扰动的能力，控制精度较高，并且不需要知道负载的参数。此外，还可防止逆变器过流从而保护大功率开关器件。由功率转换模块生成的PWM电压，需要通过滤波模块滤去其谐波，以便向电网注入补偿电流。本发明采用一种基于耦合电感的LCL 滤波模块，滤波器中的两个电感L1和L2是将其线圈绕制在一个共用铁芯上的耦合电感，两个线圈绕组的激磁安匝在共用铁芯上产生的磁通互相叠加，，使得两个线圈之间的互感增大了单个线圈的电感量。这样就可以在保证滤波效果的同时，减小了滤波电感的体积和重量、降低了电力有源滤波器的成本。
图1为一种基于耦合电感的有源电力滤波装置的原理框图；图2为一种基于耦合电感的有源电力滤波装置的主电路拓扑图；图中功率转换模块5的电路拓扑为由IGBT组成的三相电压型PWM整流器，PWM整流器的三个输出端分别通过三组基于耦合电感的LCL(LlaCaL2a、LlbCbL2b、LleC。L2。)滤波器6与三相电网1及三相非线性负载7相连。图中&a、Zsb, Zs。为电网内阻抗，Lfa、Lfb, Lfc为线路寄生电感，RcULd为整流电路后面的负载。图3为一种耦合电感的电磁结构图；图中Ll和L2为耦合电感，附和N2分别为上述两个耦合电感线圈的匝数，C为LCL 滤波器的电容。图如为一种耦合电感同名端及其与电容器C的电路示意图。图4b为一种耦合产生的互感对两个线圈电感的增强电路示意图。图5为指令电流提取运算框图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细描述根据图1可知，一种基于耦合电感的有源电力滤波装置，它包括信号采集模块2、 主控模块3、驱动模块4、功率转换模块5、基于耦合电感的LCL滤波模块6，其特征在于信号采集模块2与电网1、主控模块3连接，驱动模块4与主控模块3、功率转换模块5连接， 基于耦合电感的LCL滤波模块6与功率转换模块5、电网1、非线性负载7连接。信号采集模块2由高精度的霍尔电流传感器、霍尔电压传感器、高速低功耗四通道十二位同时采样模数转换器AD7864-3等器件组成，主控模块3由TMS320F2812型DSP和EP2C20Q240C8型 FPGA等器件组成，驱动模块4由CPLD和IGBT的功率驱动器件M57962等器件组成，功率转换模块5则为由IGBT组成的三相电压型PWM整流器，所述的基于耦合电感的LCL滤波模块 6为耦合电感‘ L2和电容器C组成的滤波模块，滤波器中的电感L1和L2是将其线圈绕制在一个共用的开有气隙的闭合铁芯上的耦合电感，两个线圈之间的互感增大了单个线圈的电感量，基于耦合电感的LCL滤波模块6共三组(LlaCaL2a、LlbCbL2b、LleCeL2e)，对应于三相电网每相使用一组，对于a相而言，电感Lla的同名端与功率转换模块5的输出端相连，电感Lla 的非同名端与电感L2a的同名端、电容器Ca相连，电感L2a的非同名端与电网1和非线性负载7相连，电容器Ca的另一端与其他两相中电容器Cb、电容器C。的相同端点相连。
根据图2可知，一种基于耦合电感的有源电力滤波装置的主电路拓扑图，功率转换模块5的电路拓扑为由IGBT组成的三相电压型PWM整流器，PWM整流器的三个输出端分别通过三组基于耦合电感的LCL(LlaCaL2a、LlbCbL2b、LleCeL2e)滤波模块6与三相电网1及三相非线性负载7相连。图中&a、Zsb, Zs。为电网内阻抗，Lfa、Lfb, Lfc为线路寄生电感，Rd、Ld为整流电路后面的负载。根据图3可知，一种耦合电感的电磁结构图，将电感L1的线圈绕组N1与电感L2的线圈绕组N2绕制在同一个开有气隙的闭合铁芯之上，并且将其同名端首尾相接，两个线圈绕组的激磁磁势I1N1和在闭合铁芯中产生的磁通互相叠加增强，在铁芯环路中加开气隙可以改善铁芯电感的线性度，并可防止铁芯饱和。上述措施，几乎成倍地增大了两个电感线圈的电感量。根据图4可知，一种耦合电感的等效电感串联及其与电容器C组成的LCL滤波器电路图，其中图如为耦合电感同名端及其与电容器C的连接方式，图4b表示因耦合产生的互感对两个线圈电感的增强。一种基于耦合电感的有源电力滤波装置，如前所述，并联有源电力滤波器的作用， 就是补偿电网中因非线性负载产生的无功和谐波电流，要实现准确的补偿和良好的动态跟踪性能，两项关键的技术就是指令电流的提取和补偿电流的控制及其生成。下面，陈述具体实施方式
。首先，电力滤波装置必须能实时、准确地提取电网中因非线性负载而产生的无功和谐波电流，并以此电流作为指令电流。为此，采用了由TMS320F2812型DSP和 EP2C20Q240C8型FPGA组成的功能强大主控系统来完成AD、无功和谐波电流的数字提取、DA 以及PWM选通信号的生成等系统功能。TMS320F观12是TI公司新推出的一款32位定点高速DSP芯片，采用8级指令流水线，单周期3^32位MAC功能，最高速度每秒钟可执行1. 50 亿条指令(150MIPS)，保证了控制和信号处理的快速性和实时性。另外TMS320F2812片上还集成了丰富的外部资源，支持C/C++编程语言，是一种合适的可编程逻辑器件。指令电流的提取方式及步骤如下1).通过霍尔传感器实时提取三相电网的电压和电流信号usa、usb、Us。，isa、isb、isc， 经过信号调理和AD转换后送往主控。2).采用基于过零比较的数字锁相环算法提取与电网某相电压(在此取a相)Usa 同相位的正弦和余弦信号sin t和cos cot。基于过零检测的锁相环算法方便在DSP下实现且完全不受频率偏差的影响。3).实施abc/dqo坐标变换运算，求取与isa、isb、is。相对应的dqo坐标下的ipi,、 i。，运算方程如下式中
权利要求
1.一种基于耦合电感的有源电力滤波装置，它由信号采集模块O)、主控模块(3)、驱动模块G)、功率转换模块(5)、基于耦合电感的LCL滤波模块(6)组成，其特征在于信号采集模块( 分别与电网(1)、主控模块C3)连接，驱动模块(4)分别与主控模块(3)、功率转换模块(5)连接，基于耦合电感的LCL滤波模块(6)分别与功率转换模块(5)、电网(1)、 非线性负载(7)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于耦合电感的有源电力滤波装置，其特征在于所述的基于耦合电感的LCL滤波模块(6)为电感L1、电感L2和电容器C组成的滤波模块，基于耦合电感的LCL滤波模块(6)中的电感L1和电感L2是将其线圈绕制在一个共用的开有气隙的闭合铁芯上的耦合电感，两个线圈之间的互感增大了单个线圈的电感量。
3.根据权利要求1所述的一种基于耦合电感的有源电力滤波装置，其特征在于所述的基于耦合电感的LCL滤波模块(6)共三组(LlaCaL2a, LlbCbL2b, Llc;C。Lj，其中a相电感Lla 的同名端与功率转换模块(5)中相对应的输出端相连，电感Lla的非同名端与电感的同名端、电容器Ca相连，电感的非同名端与电网(1)之a相连，电容器Ca的另一端与其他两相中电容器Cb、C。的相同端点相连。
4.根据权利要求1所述的一种基于耦合电感的有源电力滤波装置，其特征在于所述的功率转换模块(5)的电路拓扑为由IGBT组成的三相电压型PWM整流器，PWM整流器的三个输出端分别通过三组基于耦合电感的LCL滤波模块(6)与三相电网(1)及三相非线性负载(7)相连。
5.根据权利要求1所述的一种基于耦合电感的有源电力滤波装置，其特征在于所述的主控模块( 运算和提取指令电流的步骤是a)通过数字锁相环提取与电网A相电压Ua同步的sincot和coscot；b)将经过处理后的三相电网电流isa、isb、isc与sincot和coscot进行dqo坐标变换， 求出与之相应的dqo坐标下的id、i0 ；c)对id、i,进行数字低通滤波处理，提取其直流分量 经过低通滤波后的 、 即分别代表基波有功电流分量和基波无功电流分量；d)将 、i。与sinω t和cos ω t进行dqo坐标反变换变换时令^等于零，在三相三线制下i。等于零，求取三相电网基波有功电流iaf、ibf、icf ；e)将isa、isb、isc与iaf、ibf、i。f进行减法运算，求出三相电网电流中的基波无功和谐波电流亦即所需的指令电流iah、ibh、i。h。
全文摘要
本发明公开了一种基于耦合电感的有源电力滤波装置，它由信号采集模块、主控模块、驱动模块、功率转换模块、基于耦合电感的LCL滤波模块组成。提取指令电流的步骤是首先是通过数字锁相环提取与电网A相电压ua同步的sinωt和cosωt；其次是将三相电网电流进行dqo坐标变换，求出dqo坐标系下的电流id、iq、io；第三是对id、iq进行数字低通滤波处理，提取其直流分量；第四是将io与sinωt和cosωt进行dqo坐标反变换；第五是进行减法运算，求出三相电网电流中的基波无功和谐波电流。经过滞环比较控制，产生PWM选通信号和触发脉冲，控制功率转换模块中各IGBT的有序通断，产生PWM电压，通过滤波模块滤波后向电网注入补偿电流。
文档编号H02J3/01GK102290815SQ201110241619
公开日2011年12月21日 申请日期2011年8月22日 优先权日2011年8月22日
发明者毕平劲, 王宏英, 罗运成 申请人:湖北三环发展股份有限公司