一种谐波和无功补偿装置及系统的制作方法

本发明涉及电网系统中负载的谐波和无功补偿技术领域，尤其涉及一种谐波和无功补偿装置及系统。

背景技术：

电力系统中如果缺少无功功率，对于负载的正常启动会产生影响。电力系统中的大量负载，如异步电动机、感应电炉、大容量整流设备以及电力机车等，在运行中都表现为感性，需要消耗大量的无功功率，这样增加了供电线路上的电能损失，降低了电压质量，同时无功电流也降低了发、输、供电设备的有效利用率，对于电力用户而言，低功率因数会增加电费支出，增加变压器损耗，加大生产成本。对于负载来说，由于负荷容量大，如果没有大型无功电源支撑，容易造成电压偏低甚至电压崩溃。

此外，负载中非线性元件产生的谐波，影响负载正常工作，加速设备老化，缩短设备使用寿命，对周围其它设备产生干扰。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术中的电力系统中缺少无功功率、谐波影响负载正常工作的问题，提出了一种谐波和无功补偿装置及系统。

一方面，本发明提供一种谐波和无功补偿装置，包括:

电流运算模块，用于获取负载的电流瞬时值，根据所述电流瞬时值计算谐波和无功补偿电流信息，并生成补偿电流控制信号；

电流跟随控制模块，用于接收所述补偿电流控制信号，并对所述补偿电流控制信号进行处理，分别生成第一驱动信号和第二驱动信号；

补偿电流生成模块，包括并联的第一变流器和第二变流器，所述第一变流器和第二变流器分别用于接收所述第一驱动信号和第二驱动信号，分别对所述第一驱动信号和第二驱动信号进行处理，生成补偿电流，所述补偿电流用于对所述负载的谐波和无功进行补偿。

进一步地，所述电流运算模块包括随机存取存储器、第一数字信号处理器和第二数字信号处理器，所述第一数字信号处理器和第二数字信号处理器通过随机存取存储器进行数据交互。

进一步地，所述第一数字信号处理器为tms320c32芯片；所述第二数字信号处理器为tms320f240芯片。

进一步地，所述电流跟随控制模块包括信号接收电路、三角波发生器、第一比较器以及第二比较器，所述信号接收电路用于接收所述补偿电流控制信号，所述三角波发生器用于提供三角波，所述补偿电流控制信号经所述第一比较器和第二比较器处理后分别生成第一驱动信号和第二驱动信号。

进一步地，所述补偿装置还包括连接于所述电流跟随控制模块和所述补偿电流生成模块之间的驱动模块，用于控制所述第一变流器和第二变流器的工作状态。

进一步地，所述驱动模块包括电源模块，主驱动电路以及保护模块，所述电源模块用于为所述主驱动电路和所述保护模块供电，所述保护模块用于获取第一变流器和第二变流器的工作参数，所述主驱动电路用于根据所述工作参数控制所述第一变流器和第二变流器的工作状态。

进一步地，所述第一变流器和第二变流器均为三相全桥电压型pwm变流器。

进一步地，所述装置还包括继电模块，用于对所述负载和所述谐波和无功补偿装置进行继电保护。

进一步地，所述装置还包括显示模块，用于显示所述谐波和无功补偿装置的工作状态。

另一方面，本发明还提供一种谐波和无功补偿系统，包括上述的谐波和无功补偿装置，还包括供电系统和负载，所述供电系统和所述负载通过电网连接，所述谐波和无功补偿装置设置于负载端。

本发明提供的一种谐波和无功补偿装置及系统，至少包括如下有益效果：

(1)结构简单，可靠性强，模块间耦合性强，补偿电流生成模块采用两个变流器，提高了该装置的输出功率，提高了系统等效开关频率，进而提高了补偿效果，且功率器件的开关效率能够得到有效降低；

(2)电流运算模块采用两个数字信号处理器，运算能力强、成本低，使用方便，计算准确性高；

(3)驱动模块的设置，能够根据第一变流器和第二变流器的工作参数控制其工作状态，当发生过流或者温度过高时可以关断第一变流器和第二变流器，防止第一变流器和第二变流器损坏，有效提高该谐波和无功补偿装置的可靠性和安全性；

(4)继电模块的设置，进一步提高了装置的安全性和可靠性，符合安全生产的要求；

(5)显示模块的设置，能够用户更直观的了解该谐波和无功补偿装置的工作状态，提高使用的方便性。

附图说明

图1为本发明提供的谐波和无功补偿装置一种实施例的结构示意图。

图2为本发明提供的谐波和无功补偿装置中电流运算模块一种实施例的结构示意图。

图3为本发明提供的谐波和无功补偿装置中电流跟随模块一种实施例的结构示意图。

图4为本发明提供的谐波和无功补偿装置另一种实施例的结构示意图。

图5为本发明提供的谐波和无功补偿装置中驱动模块一种实施例的结构示意图。

图6为本发明提供的谐波和无功补偿装置中补偿电流生成模块一种实施例的电路图。

图7为本发明提供的谐波和无功补偿装置中继电模块一种实施例的结构示意图。

图8为本发明提供的谐波和无功补偿系统一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种谐波和无功补偿装置及系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参考图1，本实施例提供一种谐波和无功补偿装置，包括:

电流运算模块101，用于获取负载的电流瞬时值，根据所述电流瞬时值计算谐波和无功补偿电流信息，并生成补偿电流控制信号；

电流跟随控制模块102，用于接收所述补偿电流控制信号，并对所述补偿电流控制信号进行处理，分别生成第一驱动信号和第二驱动信号；

补偿电流生成模块103，包括并联的第一变流器和第二变流器，所述第一变流器和第二变流器分别用于接收所述第一驱动信号和第二驱动信号，分别对所述第一驱动信号和第二驱动信号进行处理，生成补偿电流，所述补偿电流用于对所述负载的谐波和无功进行补偿。

具体地，电流运算模块101获取负载的电流瞬时值，根据该电流瞬时值计算谐波和无功补偿电流的信息，并生成补偿电流控制信号，该补偿电流控制信号包含需要补偿的谐波和无功补偿电流信息；电流跟随控制模块102接收该补偿电流控制信号，并对该补偿电流控制信号进行相应的转换、放大处理，分别生成第一驱动信号和第二驱动信号；补偿电流生成模块103接收第一驱动信号和第二驱动信号，并通过并联的第一变流器和第二变流器对第一驱动信号和第二驱动信号进行处理，生成补偿电流，该补偿电流与负载需要补偿的谐波和无功电流大小相等且相位相反，可以相互抵消，从而完成对负载的谐波和无功功率的补偿。

本实施例提供的谐波和无功补偿装置，通过获取负载的电流瞬时值进行计算获得补偿电流，对负载的谐波和无功进行补偿，结构简单，可靠性强，模块间耦合性强，补偿电流生成模块采用两个变流器，提高了该装置的输出功率，提高了系统等效开关频率，进而提高了补偿效果，且功率器件的开关效率能够得到有效降低。

作为一种优选的实施方式，参考图2，本实施例提供的谐波和无功补偿装置中，电流运算模块101包括随机存取存储器(双口ram)1011、第一数字信号处理器1012和第二数字信号处理器1013，第一数字信号处理器1012和第二数字信号处理器1013通过随机存取存储器1011进行数据交互。

作为一种优选的实施方式，第一数字信号处理器1012为tms320c32芯片；第二数字信号处理器1013为tms320f240芯片。

其中tms320c32芯片(32位浮点型)，用于浮点计算和数据处理；tms320f240芯片，用于数据采集和大量的逻辑操作和控制。两者通过一片16k×16bit的随机存取存储器进行数交换。tms320c32芯片运算能力强，但片内资源和i/o接口较少，逻辑处理能力弱，而tms320f240芯片正好相反，片内资源丰富，成本低，i/o使用方便，但其16位的定点内核对精度和速度有一定限制，因此两者的结合可充分发挥这两种芯片的优点。

谐波和无功功率等电流分量的计算采用基于傅立叶变换的谐波电流的计算方法，该方法可以根据用户的对特定次谐波进行补偿的要求，只作相应次数的傅立叶变换，从而简化计算。根据正余弦项初始相位的不同，可得到基波无功和基波有功分量，如采样是与输入正弦信号同步，则基波余弦的傅立叶反变换项就对应于无功补偿电流。若要对谐波进行全补偿，可用电流信号减去基波分量得到谐波电流补偿指令；若要补偿谐波和无功，可用负载电流信号减去基波有功分量得到补偿电流指令。

电流运算模块101的核心是检测出负载电流中的谐波分量，谐波电流检测将直接影响到装置的补偿性能。谐波电流的常规检测方法有－基于瞬时无功功率理论的p-q算法和dft/fft算法。基于瞬时无功功率理论的p-q算法是一种间接检测算法，该算法因为将三相统一进行考虑，因此具有较快的动态响应速度，缺点是其响应速度和检测精度之间无法兼顾，坐标变换计算量大，不能对指定次谐波进行检测。dft/fft算法(离散傅立叶变换和快速傅立叶变换)具有很高的检测精度而且可以对基波和指定次谐波进行检测，但是该算法会导致一个基波周期的延时，而且采用该算法无法区分基波正序有功、基波正序无功、基波负序，所以这种方法适用于对缓慢变化的负载进行补偿。

本实施例中的电流运算模块101检测算法在dft算法基础上通过引入直流侧电流预测因子实现。首先采用传统的电流检测方法，利用上个周期的采样数据计算出基波或者是指定次谐波，再比较直流侧电流当前采样点的值与上个周期该采样点的值，就可以得出电流的变化倍数，完成当前基波或者是指定次谐波的动态检测。该算法具有dft及p-q算法的灵活性，但克服了dft需要一个工频周期的延时缺点，同时又具有物理意义明确的特点，采用该算法可以方便、快速的检测出基波、基波无功、基波有功、基波正序、基波负序、基波正序有功以及各次谐波，该算法实现简单，易于编程，且检测效果很好，为谐波和无功补偿装置满足不同的补偿目的提供了可靠保证。采用新型谐波电流dft算法后，使系统检测谐波电流的快速性、准确性大为提高，现算法可使有源电力滤波器的动态响应时间小于1ms。

作为一种优选的实施方式，参考图3，本实施例提供的谐波和无功补偿装置中的，电流跟随控制模块102包括信号接收电路1021、三角波发生器1022、第一比较器1023以及第二比较器1024，信号接收电路1021用于接收补偿电流控制信号，三角波发生器用于加载三角波，补偿电流控制信号经第一比较器1023和第二比较器1024处理后分别生成第一驱动信号和第二驱动信号。

第一驱动信号和第二驱动信号均为pwm信号。

作为一种优选的实施方式，参考图4，本实施例提供的谐波和无功补偿装置还包括连接于电流跟随控制模块102和补偿电流生成模块103之间的驱动模块104，用于控制第一变流器和第二变流器的工作状态。

作为一种优选的实施方式，参考图5，驱动模块包括电源模块1041，主驱动电路1042以及保护模块1043，电源模块1041用于为主驱动电路1042和保护模块1043供电，保护模块1043用于获取第一变流器和第二变流器的工作参数，主驱动电路1042用于根据工作参数控制第一变流器和第二变流器的工作状态。

第一变流器和第二变流器的工作参数包括但不限于工作温度、工作电流等，当相关的工作参数超过预设阈值，则主驱动电路1042控制第一变流器和第二变流器关断，停止工作。

驱动模块104的设置，能够根据第一变流器和第二变流器的工作参数控制其工作状态，当发生过流或者温度过高时可以关断第一变流器和第二变流器，防止第一变流器和第二变流器损坏，有效提高该谐波和无功补偿装置的可靠性和安全性。

参考图6，本实施例提供的谐波和无功补偿装置中的补偿电流生成模块103的电路图，包括第一变流器、第二变流器，以及外围电路，其中第一变流器和第二变流器均为三相全桥电压型pwm变流器。外围电路包括断路器km1和km2，开关qa1，电阻r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7、r8、r9、r10，电容c1c2、c3c4、c5c6、c7、c8、c9、c1’c2’、c3’c4’、c5’c6’、c7’、c8’、c9’，电感l1、l2、l3、l1’、l2’、l3’、线管sc1、sc2、sc3、sc4、sc5、sc6，防雷元件f1、f2、f3、f4等。

第一变流器和第二变流器公用一组直流滤波电容母线，通过进线电抗器直接并联在一起，采用二重化方法，第一变流器和第二变流器跟踪同一个补偿电流控制信号，并分别使用自身不同的三角载波调制pwm驱动信号，即第一驱动信号和第二驱动信号，两路信号在相位上相差180度(即载波移相控制)，这样一方面通过双变流器实现了整个输出功率的提高，同时，提高了系统等效开关频率，进而提高了补偿效果，并且使得功率器件igbt的开关频率大为降低。

作为一种优选的实施方式，参考图4，本实施例提供的谐波和无功补偿装置还包括继电模块105，用于对负载和谐波和无功补偿装置进行继电保护。

参考图7，继电模块105包括供电模块1051和继电控制模块1052，其中供电模块1051用于为模块供电，包括进线变压器、交流滤波器、开关电源、电源板、防雷元件及外围电路等，进线变压器为400v/220v，用于把电网电压降压使用，防止开关电源在高压环境下不能正常使用，另外还用于与电网进行隔离。交流滤波器用于对进线电压进行滤波，保证开关电源的稳定工作，防雷元件用于防止雷击，增加装置的安全性。继电控制模块1052用于当发生故障时，切断谐波和无功补偿装置与电网的连接，并传递故障信号。

继电模块105的设置，进一步提高了装置的安全性和可靠性，符合安全生产的要求。

参考图4，本实施例提供的谐波和无功补偿装置还包括显示模块106，用于显示所述谐波和无功补偿装置的工作状态。

具体地，显示模块采用液晶显示控制面板，可显示电网三相电压、滤波器输出三相电流(rms)、输出电流波形；通过面板操作，可设置谐波补偿次数；对设备运行和故障状态可实时监测记录。

显示模块的设置，能够用户更直观的了解该谐波和无功补偿装置的工作状态，提高使用的方便性。

参考图8，本实施例提供一种谐波和无功补偿系统，包括谐波和无功补偿装置201，还包括供电系统202和负载203，供电系统202和负载203通过电网连接，谐波和无功补偿装置202设置于负载端。

综上，本发明提供的谐波和无功补偿装置及系统，至少包括如下有益效果：

(1)结构简单，可靠性强，模块间耦合性强，补偿电流生成模块采用两个变流器，提高了该装置的输出功率，提高了系统等效开关频率，进而提高了补偿效果，且功率器件的开关效率能够得到有效降低；

(2)电流运算模块采用两个数字信号处理器，运算能力强、成本低，使用方便，计算准确性高；

(3)驱动模块的设置，能够根据第一变流器和第二变流器的工作参数控制其工作状态，当发生过流或者温度过高时可以关断第一变流器和第二变流器，防止第一变流器和第二变流器损坏，有效提高该谐波和无功补偿装置的可靠性和安全性；

(4)继电模块的设置，进一步提高了装置的安全性和可靠性，符合安全生产的要求；

(5)显示模块的设置，能够用户更直观的了解该谐波和无功补偿装置的工作状态，提高使用的方便性。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。