專利名稱：電力系統(tǒng)諧波補償裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及電力系統(tǒng)諧波抑制與補償技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種全部采用模擬器件來實現(xiàn)電力系統(tǒng)諧波補償裝置。
背景技術(shù)：
電力系統(tǒng)的諧波問題早在上個世紀(jì)20年代和30年代就引起了人們的注意。一般來說，在供用電系統(tǒng)中，總是希望交流電壓和交流電流呈現(xiàn)正弦波形。但是，電網(wǎng)中的整流器、變頻調(diào)速裝置、電弧爐以及各種電力電子裝置都是非線性負(fù)荷，正弦電壓施加在這些非線性負(fù)荷上時，電流就變?yōu)榉钦也?，非正弦電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降，會使電壓波形也產(chǎn)生畸變，變?yōu)榉钦也āＳ捎谥C波在電力系統(tǒng)中的普遍存在，諧波所造成的危害日趨嚴(yán)重，世界各國都對諧波問題予以充分的重視。
諧波對于電力系統(tǒng)來說，完全是有害的。諧波對公用電網(wǎng)的危害有大致以下幾個方面①諧波使公用電網(wǎng)中元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電和用電設(shè)備的效率。
②諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作。使電機產(chǎn)生機械振動、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴(yán)重過熱；還會使電容器、電纜等設(shè)備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以致?lián)p壞。
③諧波會引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，增加了上述危害，并可能引起嚴(yán)重事故。
利用有源濾波器(APF)，即利用可控的功率半導(dǎo)體器件，向電網(wǎng)注入與原有諧波電流幅值相等而相位相反的補償電流，使電網(wǎng)的總諧波電流為零，是抑制與補償諧波的有效措施。近年來，有源濾波器的實現(xiàn)通常采用單片機或是基于數(shù)字信號處理器。采用這些方法的優(yōu)點在于諧波檢測的精度高，但是響應(yīng)延時至少有1個周波，而且成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問題和不足，而提供一種電力系統(tǒng)諧波補償裝置，即利用模擬器件，實現(xiàn)瞬時無功功率變換，從輸電線上檢測出諧波電流，由補償裝置產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流，從而使電網(wǎng)電流只含基波分量。
本實用新型的目的是通過下述裝置實現(xiàn)的。
本裝置由信號采集電路、正余弦發(fā)生電路、運算及濾波電路、加法器、諧波補償產(chǎn)生電路所組成。
上述信號采集電路的輸出端分別與正余弦發(fā)生電路、運算及濾波電路、加法器的輸入端連接；運算及濾波電路的輸入、輸出端分別與正余弦發(fā)生電路的輸出端、加法器的輸入端連接；加法器的輸出端與諧波補償產(chǎn)生電路的輸入端連接。
上述正余弦發(fā)生電路由鎖相環(huán)電路和信號產(chǎn)生電路串聯(lián)而成。
上述運算及濾波電路由矩陣C運算電路、低通濾波器、逆矩陣C-1運算電路依次串聯(lián)而成；上述諧波補償產(chǎn)生電路由驅(qū)動電路、補償產(chǎn)生電路串聯(lián)而成；上述電路均為常用模擬器件實現(xiàn)上述矩陣C運算電路的結(jié)構(gòu)是第1乘法器、第2乘法器、第3乘法器的輸出端分別連接第1加法器的輸入端，第1加法器的輸出端連接第1放大器的輸入端，得到瞬時有功電流ip；第4乘法器、第5乘法器、第6乘法器的輸出端分別連接第2加法器的輸入端，第2加法器的輸出端連接第2放大器的輸入端，得到瞬時無功電流iq。
上述逆矩陣C-1運算電路的結(jié)構(gòu)是第7乘法器、第8乘法器的輸入端分別連接第3加法器的輸入端，第3加法器的輸出端連接第3放大器的輸入端，得到基波正序電流信號ia1f；第9乘法器、第10乘法器的輸入端分別連接第4加法器的輸入端，第4加法器的輸出端連接第4放大器的輸入端，得到基波正序電流信號ib1f；第11乘法器、第12乘法器的輸入端分別連接第5加法器的輸入端，第5加法器的輸出端連接第5放大器的輸入端，得到基波正序電流信號ic1f。
本裝置工作原理是信號采集電路采集輸電線上三相電流、電壓信號，電壓信號輸入正余弦發(fā)生電路，用于產(chǎn)生分別與各相電壓同相位的正余弦信號，再與三相電流信號，經(jīng)由運算及濾波電路實現(xiàn)該電流信號的瞬時無功功率變換，分解出其直流分量；在加法器中用三相電流信號減去其相應(yīng)的直流分量，得到三相電流中的諧波分量，即所需的諧波補償指令信號，經(jīng)驅(qū)動電路調(diào)制生成脈寬調(diào)制諧波電流補償控制信號，再送入控制補償產(chǎn)生電路，形成與該諧波分量大小相等而極性相反的諧波補償電流，注入到電力系統(tǒng)中與其諧波電流相抵消，實現(xiàn)電力系統(tǒng)諧波的抑制與補償。
本實用新型具有以下優(yōu)點和積極效果①目前還沒有采用全模擬器件制作的電力系統(tǒng)有源濾波器，本實用新型可以填補這方面的空白；②利用模擬器件來設(shè)計有助于提高響應(yīng)速度，響應(yīng)時間僅為半個周波，實時性更好；③諧波補償效果好，實現(xiàn)的方法簡單、體積小，可以完全脫離計算機，使用起來更加方便、靈活。
④采用模擬器件設(shè)計的電路更易于模塊化。
⑤本實用新型成本低，易于推廣。
由此可見，本實用新型響應(yīng)快、實時性強、可靠性高、效果好，能夠有效地抑制與補償電力系統(tǒng)諧波，具有良好的應(yīng)用前景。


圖1為本裝置的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2為矩陣C運算電路3.1的結(jié)構(gòu)框圖。
圖3為逆矩陣C-1運算電路3.3的結(jié)構(gòu)框圖。
其中1—信號采集電路；2—正余弦發(fā)生電路，2.1—鎖相環(huán)電路，2.2—信號產(chǎn)生電路；
3—運算及濾波電路，3.1—矩陣C運算電路，3.1.1—第1乘法器，3.1.2—第2乘法器，3.1.3—第3乘法器，3.1.4—第1加法器，3.1.5—第1放大器；3.2—低通濾波器；3.3—逆矩陣C-1運算電路，3.3.1—第4乘法器，3.3.2—第5乘法器，3.3.3—第6乘法器，3.3.4—第7乘法器，3.3.5—第8乘法器，3.3.6—第9乘法器，3.3.7—第2加法器，3.3.8—第3加法器，3.3.9—第4加法器，3.3.10—第2放大器，3.3.11—第3放大器，3.3.12—第4放大器；4—加法器；5—諧波補償產(chǎn)生電路，5.1—驅(qū)動電路，5.2—補償產(chǎn)生電路。
ip—瞬時有功電流；iq—瞬時無功電流； —基波正序有功電流； —基波無功電流信號；ia1f、ib1f、ic1f—基波正序電流信號。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例詳細(xì)說明如圖1所示，信號采集電路1即一種電壓、電流互感器，從電網(wǎng)上采集線路的電壓、電流的幅值和相角；正余弦發(fā)生電路2中鎖相環(huán)電路2.1和信號產(chǎn)生電路2.2可選用74HC4046、74HCT4046等，其功能是鎖定電網(wǎng)電壓的相角并輸出對應(yīng)的正、余弦信號；運算及濾波電路3由矩陣C運算電路3.1、低通濾波器3.2、逆矩陣C-1叫運算電路3.3所組成，低通濾波器3.2采用2階巴特沃斯型，可利用濾波運算放大器來實現(xiàn)，可選用CF741、CF715等；加法器4，實現(xiàn)基波正序信號與數(shù)據(jù)采集電路1所采集的輸電線電流信號的減法，從而得到輸電線電流信號中的諧波信號，即諧波補償信號；電流諧波補償產(chǎn)生電路5中驅(qū)動電路5.1可選用SG3525等，為補償電路產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號，補償產(chǎn)生電路5.2可采用半導(dǎo)體器件IGBT實現(xiàn)，產(chǎn)生補償電流。
如圖2所示，矩陣C運算電路3.1的結(jié)構(gòu)是第1乘法器3.1.1、第2乘法器3.1.2、第3乘法器3.1.3的輸出端分別連接第1加法器3.1.4的輸入端，第1加法器3.1.4的輸出端連接第1放大器3.1.5的輸入端；第4乘法器3.1.6、第5乘法器3.1.7、第6乘法器3.1.8的輸出端分別連接第2加法器3.1.9的輸入端，第2加法器3.1.9的輸出端連接第2放大器3.1.10的輸入端。
所述的加法器是利用運算放大器實現(xiàn)加法運算功能，運算放大器可選用F1456、CF747、CF748等；所述的乘法器可選用AD834、AD633、MPY634等，實現(xiàn)輸入信號的乘法運算；所述的放大器可選用F1456、CF747、CF748等，實現(xiàn)放大功能。
將正弦、余弦信號輸入矩陣C運算電路3.1，與信號采集電路1采集到的電流信號分別輸入第1乘法器3.1.1、第2乘法器3.1.2、第3乘法器3.1.3，所得的三個積輸入第1加法器3.1.4相加，所得的和輸入第1放大器3.1.5放大，得到瞬時有功電流ip；分別輸入第4乘法器3.1.6、第5乘法器3.1.7、第6乘法器3.1.8，所得的三個積輸入第2加法器3.1.9相加，所得的和輸入第2放大器3.1.10放大，得到瞬時無功電流iq；再將瞬時有功電流ip和iq輸入低通濾波器3.2，濾除交流分量，得到三相基波正序有功電流 和基波無功電流信號 如圖3所示，逆矩陣C-1運算電路3.3的結(jié)構(gòu)是第7乘法器3.3.1、第8乘法器3.3.2的輸入端分別連接第3加法器3.3.7的輸入端，第3加法器3.3.7的輸出端連接第3放大器3.3.10的輸入端；第9乘法器3.3.3、第10乘法器3.3.4的輸入端分別連接第4加法器3.3.8的輸入端，第4加法器3.3.8的輸出端連接第4放大器3.3.11的輸入端；第11乘法器3.3.5、第12乘法器3.3.6的輸入端分別連接第5加法器3.3.9的輸入端，第5加法器3.3.9的輸出端連接第5放大器3.3.12的輸入端。
所述的加法器是利用運算放大器實現(xiàn)加法運算功能，運算放大器可選用F1456、CF747、CF748等；所述的乘法器可選用AD834、AD633、MPY634等，實現(xiàn)輸入信號的乘法運算；所述的放大器可選用F1456、CF747、CF748等，實現(xiàn)放大功能。
將得到的三相基波正序有功電流 和基波無功電流信號 輸入逆矩陣C-1運算電路3.3，分別輸入第7乘法器3.3.1、第8乘法器3.3.2，所得的兩個積輸入第3加法器3.3.7相加，所得的和輸入第3放大器3.3.10放大，得到基波正序電流信號ia1f；分別輸入第9乘法器3.3.3、第10乘法器3.3.4，所得的兩個積輸入第4加法器3.3.8相加，所得的和輸入第4放大器3.3.11放大，得到基波正序電流信號ib1f；分別輸入第11乘法器3.3.5、第12乘法器3.3.6，所得的兩個積輸入第5加法器3.3.9相加，所得的和輸入第5放大器3.3.12放大，得到基波正序電流信號ic1f。
ia1f、ib1f、ic1f即輸電線電流信號中的直流分量。
將ia1f、ib1f、ic1fi減去信號采集電路1采集到的電流信號在加法器4中實現(xiàn)，得到輸電線電流信號中的諧波分量ia1f、ib1f、ic1fi，即諧波補償指令信號，再將ia1f、ib1f、ic1f輸入驅(qū)動電路5.1，采用三角載波法形成PWM諧波電流補償控制信號。
將PWM諧波電流補償控制信號輸入補償產(chǎn)生電路5.2，用以控制其生成諧波補償電流，注入電網(wǎng)抵消諧波電流，最終實現(xiàn)諧波抑制和補償目的。
權(quán)利要求1.一種電力系統(tǒng)諧波補償裝置，其特征在于它由信號采集電路(1)、正余弦發(fā)生電路(2)、運算及濾波電路(3)、加法器(4)、諧波補償產(chǎn)生電路(5)所組成；所述信號采集電路(1)的輸出端分別與正余弦發(fā)生電路(2)、運算及濾波電路(3)、加法器(4)的輸入端連接；運算及濾波電路(3)的輸入、輸出端分別與正余弦發(fā)生電路(2)的輸出端、加法器(4)的輸入端連接；加法器(4)的輸出端與諧波補償產(chǎn)生電路(5)的輸入端連接；所述正余弦發(fā)生電路(2)由鎖相環(huán)電路(2.1)和信號產(chǎn)生電路(2.2)串聯(lián)而成；所述運算及濾波電路(3)由矩陣C運算電路(3.1)、低通濾波器(3.2)、逆矩陣C-1運算電路(3.3)依次串聯(lián)而成；所述諧波補償產(chǎn)生電路(5)由驅(qū)動電路(5.1)、補償產(chǎn)生電路(5.2)串聯(lián)而成；上述電路均為常用模擬器件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力系統(tǒng)諧波補償裝置，其特征在于矩陣C運算電路(3.1)的結(jié)構(gòu)是第1乘法器(3.1.1)、第2乘法器(3.1.2)、第3乘法器(3.1.3)的輸出端分別連接第1加法器(3.1.4)的輸入端，第1加法器(3.1.4)的輸出端連接第1放大器(3.1.5)的輸入端，得到瞬時有功電流ip；第4乘法器(3.1.6)、第5乘法器(3.1.7)、第6乘法器(3.1.8)的輸出端分別連接第2加法器(3.1.9)的輸入端，第2加法器(3.1.9)的輸出端連接第2放大器(3.1.10)的輸入端，得到瞬時無功電流iq。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力系統(tǒng)諧波補償裝置裝置，其特征在于逆矩陣C-1運算電路(3.3)的結(jié)構(gòu)是第7乘法器(3.3.1)、第8乘法器(3.3.2)的輸入端分別連接第3加法器(3.3.7)的輸入端，第3加法器(3.3.7)的輸出端連接第3放大器(3.3.10)的輸入端，得到基波正序電流信號ia1f；第9乘法器(3.3.3)、第10乘法器(3.3.4)的輸入端分別連接第4加法器(3.3.8)的輸入端，第4加法器(3.3.8)的輸出端連接第4放大器(3.3.11)的輸入端，得到基波正序電流信號ib1f；第11乘法器(3.3.5)、第12乘法器(3.3.6)的輸入端分別連接第5加法器(3.3.9)的輸入端，第5加法器(3.3.9)的輸出端連接第5放大器(3.3.12)的輸入端，得到基波正序電流信號ic1f。
專利摘要本實用新型公開了一種電力系統(tǒng)諧波補償裝置，涉及電力系統(tǒng)諧波抑止與補償技術(shù)領(lǐng)域。本裝置由信號采集電路、正余弦發(fā)生電路、運算及濾波電路、加法器和諧波補償產(chǎn)生電路組成，均采用模擬器件。它將采集到的輸電線上的電流信號，經(jīng)模擬器件構(gòu)成的運算電路分解出所需的諧波補償指令信號，經(jīng)驅(qū)動電路調(diào)制生成諧波電流補償控制信號，再送入控制補償產(chǎn)生電路形成諧波補償電流，注入到電力系統(tǒng)中與其諧波電流相抵消，實現(xiàn)了電力系統(tǒng)諧波的抑制與補償。由于本實用新型響應(yīng)快、實時性強、可靠性高、效果好，能夠有效地抑制與補償電力系統(tǒng)諧波，具有良好的應(yīng)用前景。
文檔編號H02J3/01GK2850093SQ20052009892
公開日2006年12月20日 申請日期2005年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月25日
發(fā)明者舒乃秋, 裴春明, 李玲, 戚樂 申請人:武漢大學(xué)