有源電力無功補(bǔ)償濾波器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種有源電力無功補(bǔ)償濾波器，其由諧波檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、逆變主電路三個部分構(gòu)成，所述濾波器并聯(lián)在電網(wǎng)線路的非線性負(fù)載上，依次連接所述諧波檢測系統(tǒng)，控制系統(tǒng)和逆變主電路；所述諧波檢測系統(tǒng)檢測出系統(tǒng)中的諧波給出需要補(bǔ)償諧波的參考值，通過所述控制系統(tǒng)根據(jù)該參考值產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖，控制所述逆變主電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流或者電壓跟蹤該參考值，起到補(bǔ)償效果。該濾波器能夠動態(tài)有源濾波、快速的補(bǔ)充諧波和無功干擾，對不同頻率的諧波進(jìn)行快速跟蹤補(bǔ)償，實(shí)時檢測線路功率因數(shù)并進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償、徹底解決三相不平衡的問題，節(jié)能效益顯著，降低電網(wǎng)運(yùn)行損耗。
【專利說明】
有源電力無功補(bǔ)償濾波器
技術(shù)領(lǐng)域：
[0001] 本發(fā)明涉及電力電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種三相四線制并聯(lián)型有源電力無功補(bǔ) 償濾波器。
【背景技術(shù)】：
[0002] 電力電子技術(shù)的發(fā)展，使得各種非線性和時變性電子裝置的應(yīng)用日益廣泛，一是 方便了電能的應(yīng)用，二是產(chǎn)生的諧波、無功功率對電網(wǎng)造成了嚴(yán)重污染，對電力系統(tǒng)和用戶 造成了很大的危害。有源電力濾波器作為一種新型的諧波、無功綜合補(bǔ)償系統(tǒng)，受到越來越 廣泛的關(guān)注。
[0003] 在低壓配電系統(tǒng)中，在工業(yè)現(xiàn)場和民用建筑中三相四線制系統(tǒng)作為最主要的供電 方式而得到廣泛應(yīng)用。隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)，商業(yè)和民用電在城市用電中的比例越來越大， 城市建筑中存在著大量的辦公自動化設(shè)備、家用電器、照明電源及不間斷電源等。這些設(shè)備 都會在電網(wǎng)中產(chǎn)生大量的零序諧波電流，雖然它們單臺電器的諧波電流較小，但因其數(shù)量 龐大，所帶來的諧波污染是極其嚴(yán)重的。三相四線制在電力系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，其中的諧波和 三相不平衡問題越來越引起人們的重視。特別是在農(nóng)村，農(nóng)網(wǎng)建設(shè)相對薄弱，負(fù)荷性質(zhì)更不 可控，三相不平衡現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。農(nóng)網(wǎng)臺區(qū)比較分散治理困難，這也要求了我們不平衡治理 裝置必需要具備便于安裝、免維護(hù)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。因此對能補(bǔ)償零序諧波電流的三 相四線有源電力濾波器的研究具有很高的實(shí)際研究和應(yīng)用價值。本申請通過分析系統(tǒng)諧波 和三相不平衡問題，有針對性的進(jìn)行了算法的優(yōu)化，研發(fā)了適用于三相四線制系統(tǒng)的有源 電力濾波器，并通過現(xiàn)場測試，驗(yàn)證了有源電力濾波器的有效性。

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種三相四線制并聯(lián)型有源電力無功補(bǔ)償濾波器，對不同 頻率的諧波進(jìn)行快速跟蹤補(bǔ)償，實(shí)時檢測線路功率因數(shù)并進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償、徹底解決三相不 平衡的問題。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：
[0006] -種有源電力無功補(bǔ)償濾波器，由諧波檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、逆變主電路三個部分 構(gòu)成，所述濾波器并聯(lián)在電網(wǎng)線路的非線性負(fù)載上，，依次連接所述諧波檢測系統(tǒng)，控制系 統(tǒng)和逆變主電路;所述諧波檢測系統(tǒng)檢測出系統(tǒng)中的諧波給出需要補(bǔ)償諧波的參考值，通 過所述控制系統(tǒng)根據(jù)該參考值產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖，控制所述逆變主電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流或者電 壓跟蹤該參考值，起到補(bǔ)償效果。
[0007] 上述諧波檢測系統(tǒng)可準(zhǔn)確計算補(bǔ)償前與補(bǔ)償后的電流、電壓、諧波、有功無功。
[0008] 上述控制系統(tǒng)由控制算法處理模塊和觸發(fā)脈沖產(chǎn)生模塊兩個部分組成，所述控制 算法處理模塊對諧波檢測系統(tǒng)送來的數(shù)字信號進(jìn)行處理，采用諧波檢測算法，快速檢測出 需要的諧波與有源濾波器產(chǎn)生的諧波進(jìn)行比較，根據(jù)其差值采用一定的控制方法產(chǎn)生觸發(fā) 脈沖信號送給觸發(fā)脈沖產(chǎn)生模塊;所述觸發(fā)脈沖產(chǎn)生模塊根據(jù)該信號產(chǎn)生適當(dāng)?shù)尿?qū)動脈沖 去驅(qū)動有源電力濾波器的逆變主電路，使其產(chǎn)生的諧波電流或電壓與所需的諧波電流或電 壓相同，從而達(dá)到諧波補(bǔ)償?shù)男Ч?br>[0009] 上述諧波檢測算法是基于瞬時無功功率理論的檢測算法，適用于該三相四線制并 聯(lián)型有源電力無功補(bǔ)償濾波器系統(tǒng)的改進(jìn)型的ip-iq算法，即：
[0010] 當(dāng)系統(tǒng)三相電壓中不含諧波且為基波正序電壓時，運(yùn)用p-q法可以迅速、準(zhǔn)確的檢 測出被檢電流中的諧波分量和無功分量，克服了傳統(tǒng)方法延時、精度低等缺點(diǎn)。但是當(dāng)系統(tǒng) 電壓也有畸變時，就會大大影響諧波檢測的精度，并且電壓畸變越嚴(yán)重，檢測結(jié)果的精度越 低，因此p-q法快速檢測的精度受電壓質(zhì)量的影響。為了克服電壓存在諧波分量的不足，讓 電源電壓不直接參與計算，用與電源電壓同相位的正弦信號sin wt和cos wt來代替，這樣 電源有畸變也不會影響計算結(jié)果，從而提高三相電流諧波檢測的精度。這就是ip-iq算法， 其具體的做法如下：
[0011] 定義C32，C如下：
(1)
[0013] 設(shè)A相電壓為:ea =sin wf ( 2)
[0014] 設(shè)三相電流為：
[0015] 其中n=3k±l，k為整數(shù)。根據(jù)丨p=icos爐，iq^fein爐有： CO 1 T.L C〇s[(l+H)Kf+^J
[0016] : ib 二 S n:: -、」 ic 文土，" c〇s[(l - ")w卜 a ] L?=i 」 （4)
[0017] 式中n = 3k+l時取正號，n = 3k_l時取負(fù)號。
[0018]將計算得到的電流經(jīng)過低通濾波器后，得到ip，iq的直流分量為： r n p] 斤卩丨娜(-鋝）
[0019] - . U」 仍）」 （5)
[0020] 在經(jīng)過反變換即得到電流的基波分量為： (6)
[0022] 最后，三相電流減去上式所計算得到的基波分量，就得到所需要補(bǔ)償?shù)闹C波分量。 Kh h V
[0023] hh =4 - hf UJ :(7)
[0024] 上述諧波檢測算法是根據(jù)p、q算法構(gòu)成的無功電流補(bǔ)償裝置，再此基礎(chǔ)上基于瞬 時無功理論的ip、iq檢測方法解決了三相電壓非正弦、非對稱情況下三相電路高次諧波和 基波負(fù)序電流的準(zhǔn)確檢測;也準(zhǔn)確檢測了三相電壓非正弦情況下三相電路基波無功電流。
[0025] 基于單周控制(0CC)的非線性控制方法，通過控制開關(guān)占空比，在每個周期內(nèi)使開 關(guān)變量的平均值與控制參考值相等或成一定比例，從而消除穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)誤差。該控制方法 不需檢測諧波和無功電流分量，控制電路相對簡單，實(shí)時性較好。在負(fù)荷三相不平衡、電源 側(cè)不平衡或畸變的的情況下仍可保持系統(tǒng)電流三相平衡，且動態(tài)變化過程中系統(tǒng)電流實(shí)現(xiàn) 平滑過渡，且穩(wěn)定性能良好。
[0026] 本發(fā)明還提供上述有源電力無功補(bǔ)償濾波器的外部構(gòu)造，其包括殼體，殼體內(nèi)前 端設(shè)有TUC模塊，殼體內(nèi)后端設(shè)有控制器、電容器、斷路器、避雷器、電容專用機(jī)電一體化同 步開關(guān)，二次接線箱;所述TUC模塊連接于系統(tǒng)中所述的諧波檢測系統(tǒng)上;所述控制器連接 于系統(tǒng)中所述的控制系統(tǒng)上，所述控制器連接于二次接線箱上;所述電容器和電容專用機(jī) 電一體化同步開關(guān)與控制器相連接，所述電容器與電容專用機(jī)電一體化同步開關(guān)相連接， 控制器控制電容器和電容專用機(jī)電一體化同步開關(guān);所述斷路器和避雷器與電容器相連 接。
[0027] 上述控制器上設(shè)有指示燈和急停按鈕。
[0028] 本發(fā)明的有益效果在于:該有源電力無功補(bǔ)償濾波器能夠動態(tài)有源濾波、快速的 補(bǔ)充諧波和無功干擾，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)跟蹤補(bǔ)償，達(dá)到治理諧波、補(bǔ)償無功和擬制三相不平衡的 多重效果，從而把占據(jù)配電網(wǎng)絕大多數(shù)的用戶側(cè)無功阻擋在10kV線路之外，節(jié)能效益顯著， 較好實(shí)現(xiàn)了從臺區(qū)關(guān)口優(yōu)化低壓電網(wǎng)三相不平衡度，降低電網(wǎng)運(yùn)行損耗。
【附圖說明】：
[0029] 圖1是本發(fā)明有源電力無功補(bǔ)償濾波器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030] 圖2是本發(fā)明有源電力無功補(bǔ)償濾波器的外部正視圖；
[0031 ]圖3是本發(fā)明有源電力無功補(bǔ)償濾波器的外部后視圖；
[0032]圖中：1-諧波檢測系統(tǒng)，2-逆變主電路，3-非線性負(fù)載，4-控制算法處理模塊，5-觸 發(fā)脈沖產(chǎn)生模塊，6-殼體，7-TUC模塊，8-控制器，9-電容器10-斷路器，11-避雷器，12-電容 專用機(jī)電一體化同步開關(guān)，13-二次接線箱，14-指示燈，15-急停按鈕。
【具體實(shí)施方式】：
[0033] 下面結(jié)合附圖及其具體實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0034] 如圖1所示，一種有源電力無功補(bǔ)償濾波器，由諧波檢測系統(tǒng)1、控制系統(tǒng)、逆變主 電路2三個部分構(gòu)成，所述濾波器并聯(lián)在電網(wǎng)線路的非線性負(fù)載3上，依次連接所述諧波檢 測系統(tǒng)1，控制系統(tǒng)和逆變主電路2;所述諧波檢測系統(tǒng)1檢測出系統(tǒng)中的諧波給出需要補(bǔ)償 諧波的參考值，通過所述控制系統(tǒng)根據(jù)該參考值產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖，控制所述逆變主電路2產(chǎn) 生補(bǔ)償電流或者電壓跟蹤該參考值，起到補(bǔ)償效果。
[0035] 所述諧波檢測系統(tǒng)1可準(zhǔn)確計算補(bǔ)償前與補(bǔ)償后的電流、電壓、諧波、有功無功。
[0036] 所述控制系統(tǒng)由控制算法處理模塊4和觸發(fā)脈沖產(chǎn)生模塊5兩個部分組成，所述控 制算法處理模塊4對諧波檢測系統(tǒng)1送來的數(shù)字信號進(jìn)行處理，采用諧波檢測算法，快速檢 測出需要的諧波與有源濾波器產(chǎn)生的諧波進(jìn)行比較，根據(jù)其差值采用一定的控制方法產(chǎn)生 觸發(fā)脈沖信號送給觸發(fā)脈沖產(chǎn)生模塊5;所述觸發(fā)脈沖產(chǎn)生模塊5根據(jù)該信號產(chǎn)生適當(dāng)?shù)尿?qū) 動脈沖去驅(qū)動有源電力濾波器的逆變主電路2,使其產(chǎn)生的諧波電流或電壓與所需的諧波 電流或電壓相同，從而達(dá)到諧波補(bǔ)償?shù)男Ч?br>[0037] 如圖2、圖3所示，該有源電力無功補(bǔ)償濾波器的外部構(gòu)造，其包括殼體6,殼體6內(nèi) 前端設(shè)有TUC模塊7,殼體6內(nèi)后端設(shè)有控制器8、電容器9、斷路器10、避雷器11、電容專用機(jī) 電一體化同步開關(guān)12，二次接線箱13;所述TUC模塊7連接于系統(tǒng)中所述的諧波檢測系統(tǒng)1 上;所述控制器8連接于系統(tǒng)中所述的控制系統(tǒng)上，所述控制器8連接于二次接線箱13上;所 述電容器9和電容專用機(jī)電一體化同步開關(guān)12與控制器8相連接，所述電容器9與電容專用 機(jī)電一體化同步開關(guān)12相連接，控制器8控制電容器9和電容專用機(jī)電一體化同步開關(guān)12; 所述斷路器10和避雷器11與電容器9相連接。
[0038] 上述控制器8上設(shè)有指示燈14和急停按鈕15。
[0039] 該有源電力無功補(bǔ)償濾波器所述的諧波檢測算法是根據(jù)p、q算法構(gòu)成的無功電流 補(bǔ)償裝置，再此基礎(chǔ)上基于瞬時無功理論的ip、iq檢測方法解決了三相電壓非正弦、非對稱 情況下三相電路高次諧波和基波負(fù)序電流的準(zhǔn)確檢測;也準(zhǔn)確檢測了三相電壓非正弦情況 下三相電路基波無功電流。
[0040] 基于單周控制(0CC)的非線性控制方法，通過控制開關(guān)占空比，在每個周期內(nèi)使開 關(guān)變量的平均值與控制參考值相等或成一定比例，從而消除穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)誤差。該控制方法 不需檢測諧波和無功電流分量，控制電路相對簡單，實(shí)時性較好。在負(fù)荷三相不平衡、電源 側(cè)不平衡或畸變的的情況下仍可保持系統(tǒng)電流三相平衡，且動態(tài)變化過程中系統(tǒng)電流實(shí)現(xiàn) 平滑過渡，且穩(wěn)定性能良好。
[0041 ]負(fù)荷電流包含基波有功電流、基波無功電流和各次諧波電流。表示如下： CO:
[0042] hk ~^pLk sin(<：yf)+ /i(, cos(^) -h sin(?^ + ) ' M:2 . (1)
[0043] 其中k = a，b，c ; V.丨<、L k、k、Qn分別為非線性負(fù)荷電流中的基波有功分量幅 值、基波無功分量幅值、n次諧波分量幅值和n次諧波分量相角。
[0044] 補(bǔ)償后系統(tǒng)電流為：
[0045] isk=IPLksin( to t) (2)
[0046] 系統(tǒng)實(shí)際操作中，該有源電力無功補(bǔ)償濾波器裝置通過采樣計算逆變主電路2需 要提供的補(bǔ)償電流，產(chǎn)生逆變主電路各開關(guān)器件的控制算法處理模塊4經(jīng)觸發(fā)脈沖產(chǎn)生模 塊5作用于逆變主電路2開關(guān)器件的通斷，產(chǎn)生補(bǔ)償電流?？刂葡到y(tǒng)經(jīng)采集系統(tǒng)獲得系統(tǒng)補(bǔ) 償前電流大小和相位，依據(jù)上述算法原理，計算出目標(biāo)電流和補(bǔ)償電流，驅(qū)動可調(diào)電流源模 塊和無源補(bǔ)償模塊發(fā)出補(bǔ)償電流，最終得到電源側(cè)電流接近計算目標(biāo)電流。系統(tǒng)電流經(jīng)補(bǔ) 償后只含有基波有功分量，從而達(dá)到消除諧波和無功補(bǔ)償?shù)哪康?。補(bǔ)償后的系統(tǒng)電流與電 壓應(yīng)為同相位，達(dá)到負(fù)荷側(cè)基波功率因數(shù)為1同時三相平衡的目標(biāo)。
[0047] 該有源電力無功補(bǔ)償濾波有效降低配電網(wǎng)試點(diǎn)區(qū)域線損2%及以上(2%_6%)，可 靠提高供電線路電壓，創(chuàng)造明顯的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)無功電壓及三相不平衡節(jié)能控 制閉環(huán)化，降低了人員勞動強(qiáng)度，減少了電力企業(yè)人力成本。
【主權(quán)項】
1. 一種有源電力無功補(bǔ)償濾波器，其特征在于:所述濾波器由諧波檢測系統(tǒng)（1)、控制 系統(tǒng)、逆變主電路(2)三個部分構(gòu)成，所述濾波器并聯(lián)在電網(wǎng)線路的非線性負(fù)載(3)上，依次 連接所述諧波檢測系統(tǒng)（1)，控制系統(tǒng)和逆變主電路(2);所述諧波檢測系統(tǒng)（1)檢測出系統(tǒng) 中的諧波給出需要補(bǔ)償諧波的參考值，通過所述控制系統(tǒng)根據(jù)該參考值產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖， 控制所述逆變主電路(2)產(chǎn)生補(bǔ)償電流或者電壓跟蹤該參考值，起到補(bǔ)償效果。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的有源電力無功補(bǔ)償濾波器，其特征在于:所述控制系統(tǒng)由控制 算法處理模塊(4)和觸發(fā)脈沖產(chǎn)生模塊(5)兩個部分組成，所述控制算法處理模塊(4)對諧 波檢測系統(tǒng)（1)送來的數(shù)字信號進(jìn)行處理，采用諧波檢測算法，快速檢測出需要的諧波與有 源濾波器產(chǎn)生的諧波進(jìn)行比較，根據(jù)其差值采用一定的控制方法產(chǎn)生觸發(fā)脈沖信號送給觸 發(fā)脈沖產(chǎn)生模塊(5);所述觸發(fā)脈沖產(chǎn)生模塊(5)根據(jù)該信號產(chǎn)生適當(dāng)?shù)尿?qū)動脈沖去驅(qū)動逆 變主電路(2)，使其產(chǎn)生的諧波電流或電壓與所需的諧波電流或電壓相同，從而達(dá)到諧波補(bǔ) 償?shù)男Ч?. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的有源電力無功補(bǔ)償濾波器，其特征在于:所述諧波檢測算法是 基于瞬時無功功率理論的檢測算法，適用于該三相四線制并聯(lián)型有源電力無功補(bǔ)償濾波器 系統(tǒng)的改進(jìn)型的ip-iq算法，其具體的做法如下： 定義C32，C如下：設(shè)A相電壓為：t =、/^'i .sin u7 ( 2 ) 設(shè)三相電流為其中n=3k±l，k為整數(shù)。根據(jù)ip=icos浐，iqNsin爐有： 式中n = 3k+l時取正號，n = 3k_l時取負(fù)號。 將計算得到的電流經(jīng)過低通濾波器后，得到ip，iq的直流分量為： (5) (4) (6) 在經(jīng)過反變換即得到電流的基波分量為： 最后，三相電流減去上式所計算得到的基波分量，就得到所需要補(bǔ)償?shù)闹C波分量。(7)4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的有源電力無功補(bǔ)償濾波器，其特征在于:所述源電力無功補(bǔ)償 濾波器包括殼體(6)，殼體(6)內(nèi)前端設(shè)有TUC模塊(7)，殼體(6)內(nèi)后端設(shè)有控制器(8)、電容 器(9)、斷路器（10)、避雷器（11)、電容專用機(jī)電一體化同步開關(guān)（12)，二次接線箱（13);所 述TUC模塊(7)連接于系統(tǒng)中所述的諧波檢測系統(tǒng)（1)上;所述控制器(8)連接于系統(tǒng)中所述 的控制系統(tǒng)上，所述控制器(8)連接于二次接線箱（13)上;所述電容器(9)和電容專用機(jī)電 一體化同步開關(guān)（12)與控制器(8)相連接，所述電容器(9)與電容專用機(jī)電一體化同步開關(guān) (12)相連接，控制器(8)控制電容器(9)和電容專用機(jī)電一體化同步開關(guān)（12);所述斷路器 (10)和避雷器(11)與電容器(9)相連接。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的有源電力無功補(bǔ)償濾波器，其特征在于:所述控制器(8)上設(shè) 有指示燈(14)和急停按鈕(15)。
【文檔編號】H02J3/26GK105958492SQ201610357306
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月26日
【發(fā)明人】牛育忠, 王國功, 楊哲, 劉昌平, 劉存德, 別亞鋒, 趙榮幸
【申請人】國網(wǎng)寧夏電力公司固原供電公司, 國網(wǎng)寧夏電力公司