专利名称：一种用于清除电力系统电压谐波的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于清除电力系统电压谐波的装置。
背景技术：
电力系统的电压谐波存在于各电压等级的电力系统中，谐波会引起供电线路损耗增加，损坏电气设备、降低供电的可靠性。因此国家标准GB/T 14549-93《电能质量公共电网谐波》对不同电压等级电力系统的电压谐波含量都有严格要求。要使各电压等级的电力系统中电压谐波含量满足该国家标准的要求，目前对于抑制电网的谐波有两种解决办法 使负载不产生谐波，或通过适当装置进行补偿。1)使负载不产生谐波的方法的本质是通过改造负载，使其不向电力系统注入谐波，或注入的谐波含量很小，从而不会使得相关母线上电压谐波含量不超过国家标准GB/ T14549-93《电能质量公共电网谐波》的要求。这种方法是一种最直观的解决办法，但是改造负载并不适用于所有负载，而且有些负载根本无法通过改造而少产生谐波，因此不是特别通用。2)通过适当装置进行补偿是一种极具发展前途的解决方法。不间断电源(UPS)可以用来串联在供电电源与谐波源负载之间，除了在电网电压故障时保证对敏感负载的供电外，还能补偿谐波源负载产生的部分谐波，减小注入到电网电压的谐波含量。以上两种方法的清除电力系统电压谐波装置的清除电压谐波的效果还不是很好， 且响应时间还有待于提高。
发明内容本实用新型的目的是提供一种用于清除电力系统电压谐波的装置，该装置基于叠加原理通过串联谐波电压源可达到消除电源侧高次谐波电压源对负荷影响的目的，且响应速度快。为实现上述目的，本实用新型通过以下技术方案实现一种用于清除电力系统电压谐波的装置，包括谐波电压源检测装置、由电抗器一、 电抗器二、电容器串联组成的基波滤波器、高频变压器、交流电源、功率单元、整流单元、滤波单元、控制器，谐波电压源检测装置有两个，一个设置在本装置的输入端，用来检测含谐波的电压源，另一个设置在本装置的输出端，用来检测清除谐波后的电压源；两个谐波电压源检测装置均将检测的电压源信号输入控制器；谐波电压源检测装置采集得到系统的实时谐波电压，将谐波电压信号输入控制器，由控制器计算得出一个与谐波电压大小相等、方向相反的电压，由功率单元经高频变压器输入由电抗器、电容器串联构成的LC支路，该电压与谐波电压相叠加，使谐波输出电压为零，达到滤除电网谐波电压的作用；控制器分别与交流电源、整流单元、功率单元相连接。所述的由电抗器一、电抗器二、电容器串联组成的基波滤波器的输入端与输出端之间并联有起保护作用的旁路开关，在电容器与输出端之间设有设备投入运行开关。与现有技术相比，本实用新型的有益效果是基于叠加原理，通过串联谐波电压源，可达到消除电源侧高次谐波电压源对负荷影响，响应速度快。
图1是本实用新型的结构示意图；图2是单组隔离电源的结构图；图3是多组隔离电源的结构图；图4是不可控整流单元的结构图；图5是两电平PWM整流单元的结构图；图6是三电平PWM整流单元的结构图；图7是两电平PWM逆变器的结构图；图8是三电平PWM逆变器的结构图；图9是H桥单元多级串联的多电平逆变器的结构图；图10是控制器的原理框图。
具体实施方式
见图1，一种用于清除电力系统电压谐波的装置，包括谐波电压源检测装置1、谐波电压源检测装置2、由电抗器3、电抗器4、电容器5依次串联组成的基波滤波器、高频变压器6、交流电源7、功率单元8、整流单元9、滤波单元C、控制器10，谐波电压源检测装置1设置在本装置的输入端，用来检测含谐波的电压源，谐波电压源检测装置2设置在本装置的输出端，用来检测清除谐波后的电压源，两个谐波电压源检测装置均将检测的电压源信号输入控制器10 ；控制器10还分别与交流电源7、整流单元9、功率单元8相连接。谐波电压源检测装置1采集得到系统的实时谐波电压，将谐波电压信号输入控制器10，由控制器10计算得出一个与谐波电压大小相等、方向相反的电压，由功率单元8经高频变压器6输入由电抗器4、电容器5串联构成的LC支路，该电压与谐波电压相叠加，使谐波输出电压为零，达到滤除电网谐波电压的作用。交流电源7为控制单元10、整流单元、滤波单元C、功率单元8提供电源。控制器10采集整流单元9的参数，控制整流单元9的输出直流电流，以保证功率单元8的输出结果。本装置具有保护和旁路功能，由电抗器3、电抗器4、电容器5串联组成的基波滤波器的输入端与输出端之间并联有旁路开关11，并且在电容器5与输出端之间设有设备投入运行开关13。当装置有故障时通过控制旁路开关11、设备投入运行开关13将设备退出运行，对设备具有保护作用。本装置的控制器10完成以下功能1)采集分析由谐波电压源检测装置1采集得到的系统的谐波电压；2)通过综合串联电抗器3、电抗器4、电容器5、高频变压器6的参数得出功率单元 8所产生的谐波电流(或综合电流各次谐波电流之和)；3)采集和分析谐波电压源检测装置2得到的谐波电压及功率单元8的目标谐波电流并通过计算调整，使谐波电压源检测装置2的谐波电压为“0”或满足负荷要求；4)采集整流单元9的参数，并控制整流单元9的输出直流电压，保证功率单元8的输出结果；5)保护和旁路功能，检测装置的运行状态，当装置有故障时通过控制旁路开关11 和设备投入运行开关13来将设备退出运行。谐波电压源检测装置1和谐波电压源检测装置2是任何一种能够准确传递和表征电压及其谐波含量的装置，它应具有较高的响应速度和很小的误差；可采用电压传感器。电抗器3和电抗器4为工业用电抗器，其电抗不大于系统阻抗的10%且与电容器 5构成50Hz滤波器，以保证系统的稳定性。电抗器4与电容器5综合构成LC支路，谐振点低于滤除谐波的最小次数，一般选 3次以下。高频变压器6的工作频率高于逆变器的开关援建工作频率，最好是2倍以上，容量大于各次谐波的总容量之和。功率单元8的开关器件一般选择IGBT或更高开关频率的全控型器件，采用H桥或其他拓扑方式，以电流作为控制目标。本实用新型的具体实施方式
可以有多种电源类型、整流拓扑、逆变拓扑的自由组合，本实用新型主要叙述以下几种方式1 单组隔离电源+不可控整流单元+两电平PWM逆变器，见图2、图4、图7。方式2 单组隔离电源+不可控整流单元+三电平PWM逆变器，见图2、图4、图8。方式3 单组隔离电源+两电平PWM整流单元+两电平PWM逆变器，见图2、图5、 图7。方式4 单组隔离电源+两电平PWM整流单元+三电平PWM逆变器，见图2、图5、 图8。方式5 单组隔离电源+三电平PWM整流单元+两电平PWM逆变器，见图2、图6、 图7。方式6 单组隔离电源+三电平PWM整流单元+三电平PWM逆变器，见图2、图6、 图8。方式7 多组隔离电源+不可控整流单元+H桥级联多电平逆变器，见图3、图4、图 9。方式8 多组隔离电源+两电平PWM整流单元+H桥级联多电平逆变器，见图3、图
5、图9。方式9 多组隔离电源+三电平PWM整流单元+H桥级联多电平逆变器，见图3、图
6、图9。图4为三相不可控全桥整流单元的结构图，由二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6构成三
相不可控全桥整流结构，整流后将信号输入由电容器C构成的滤波单元，滤波后信号输入功率单元8。图5为两电平PWM整流单元结构图，由六个IGBT全控型器件(IGBT1、IGBT2、 IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6)分别与二极管(D1、D2、D3、D4、D5、D6)反并联组成两电平 PWM
整流，整流后信号经滤波单元C输入功率单元8。[0050]图6为三电平PWM整流单元结构图，每相由4个IGBT器件组成，两两IGBT器件串联，每个IGBT器件分别反并联一个二极管；两支串联IGBT的中点通过二极管(Dl、D2 ；D3、 D4 ；D5、D6)连接在一起，并且二极管(D1、D2 ；D3、D4 ；D5、D6)中点与直流电容C1、C2中点连接起来，使得中性点电位直接钳位，因此该整流拓扑也称为中性点钳位型三电平PWM整流器。图7是两电平PWM逆变器功率单元的结构图，由六个IGBT全控型器件(IGBT1、 IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6)分别与二极管(Dl、D2、D3、D4、D5、D6)反并联组成两电平PWM逆变，逆变后信号经高频变压器6输入由电抗器4、电容器5串联构成的LC支路。图8为三电平PWM逆变器功率单元结构图，每相由4个IGBT器件组成，两两IGBT 器件串联，每个IGBT器件分别反并联一个二极管；两支串联IGBT的中点通过二极管(D1、 D2 ；D3、D4 ；D5、D6)连接在一起，并且二极管(D1、D2 ；D3、D4 ；D5、D6)中点与直流电容C1、C2 中点连接起来，使得中性点电位直接钳位。图9为H桥多级串联的多电平逆变器功率单元的结构图，由多个全控型器件反并联二极管组成的H桥串联组成。图10是控制器原理图，控制器由FPGA芯片、CPU芯片、A/D芯片组成，电压信号或电流信号经A/D转换后进入CPU芯片，经CPU芯片处理后进入FPGA芯片，经FPGA芯片处理后输出整流单元、功率单元的控制信号。
权利要求1.一种用于清除电力系统电压谐波的装置，其特征在于，包括谐波电压源检测装置、由电抗器一、电抗器二、电容器串联组成的基波滤波器、高频变压器、交流电源、功率单元、整流单元、滤波单元、控制器，谐波电压源检测装置有两个，一个设置在本装置的输入端，用来检测含谐波的电压源，另一个设置在本装置的输出端，用来检测清除谐波后的电压源；两个谐波电压源检测装置均将检测的电压源信号输入控制器；谐波电压源检测装置采集得到系统的实时谐波电压，将谐波电压信号输入控制器，由控制器计算得出一个与谐波电压大小相等、方向相反的电压，由功率单元经高频变压器输入由电抗器、电容器串联构成的LC支路，该电压与谐波电压相叠加，使谐波输出电压为零， 达到滤除电网谐波电压的作用；控制器分别与交流电源、整流单元、功率单元相连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于清除电力系统电压谐波的装置，其特征在于，所述的由电抗器一、电抗器二、电容器串联组成的基波滤波器的输入端与输出端之间并联有起保护作用的旁路开关，在电容器与输出端之间设有设备投入运行开关。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于清除电力系统电压谐波的装置，其特征在于，所述的整流单元可为三相不可控全桥整流、两电平PWM整流、或三电平PWM整流结构。
4.根据权利要求1或2所述的一种用于清除电力系统电压谐波的装置，其特征在于，所述的功率单元可为两电平PWM逆变器、三电平PWM逆变器、或H桥多级串联的多电平逆变器结构。
5.根据权利要求1或2所述的一种用于清除电力系统电压谐波的装置，其特征在于，所述的交流电源可为单组隔离电源或多组隔离电源结构。
6.根据权利要求1或2所述的一种用于清除电力系统电压谐波的装置，其特征在于， 所述的控制器由FPGA芯片、CPU芯片、A/D芯片组成，电压信号或电流信号经A/D转换后进入CPU芯片，经CPU芯片处理后进入FPGA芯片，经FPGA芯片处理后输出整流单元、功率单元的控制信号。
专利摘要本实用新型涉及一种用于清除电力系统电压谐波的装置，包括谐波电压源检测装置、由电抗器一、电抗器二、电容器串联组成的基波滤波器、高频变压器、交流电源、功率单元、整流单元、滤波单元、控制器，谐波电压源检测装置采集得到系统的实时谐波电压，将谐波电压信号输入控制器，由控制器计算得出一个与谐波电压大小相等、方向相反的电压，由功率单元经高频变压器输入由电抗器、电容器串联构成的LC支路，该电压与谐波电压相叠加，使谐波输出电压为零，达到滤除电网谐波电压的作用；控制器分别与交流电源、整流单元、功率单元相连接。该装置基于叠加原理通过串联谐波电压源可达到消除电源侧高次谐波电压源对负荷影响的目的，且响应速度快。
文档编号H02J3/01GK201994667SQ20112008564
公开日2011年9月28日 申请日期2011年3月28日 优先权日2011年3月28日
发明者孙丹, 孟海星, 张银山, 李旷, 牟文晶, 王军, 王跃明, 董雪武, 郭自勇, 黄新明 申请人:荣信电力电子股份有限公司