基于对称分量法的混合型三次谐波滤波器制造技术

一种由有源和无源构成的混合型三次谐波零序电流滤波装置，包括：ＰＷＭ控制器及与该ＰＷＭ控制器相联的单相ＰＷＭ变流器、电网电压同步锁相控制电路和过压、欠压、过流及短路故障检测与保护电路，以及与单相ＰＷＭ变流器直流侧相连的直流电源和连接３８０Ｖ配电系统及单相ＰＷＭ变流器的无源环节，和用于滤除高次谐波的高通滤波器；该装置的滤波效果不受配电变压器接线方式的影响，通过与无源环节的配合，该装置不仅能够滤除三次谐波零序电流，而且还可以滤除其它次数的谐波电流及补偿必要的无功功率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于对称分量法的混合型三次谐波滤波器，属于电气工程
技术介绍
随着电力电子技术的不断发展，各种电力电子装置在电力系统中的广泛应用，使得电力系统的电能质量受到各种各样的污染，特别是近年来，气体放电灯、金属卤素灯、可控硅调光灯、采用电子镇流器的日光灯等在工厂、居民楼、酒店商厦、写字楼中的大量采用，其在三相四线制供电系统中产生的三次谐波污染已到了非常严重的程度，它导致电源质量明显下降，电网功率损耗增加、设备寿命缩短、接地保护功能失常、遥控功能失常、电容器损坏，变压器过载，中线超基波电流，造成电器设备寿命大为减短，电网过热，甚至可能引起火灾。由于三相四线制电网的三次谐波污染日益严重，及国家对建设“绿色电网”的力度的不断加大，对三次谐波污染治理装置的需求也日益增加。现在的三次谐波治理装置主要有两大类无源三次阻波装置和无源三次谐波滤波装置。目前国内外对于三相四线制380V配电系统的中性线三次谐波电流的解决方案有1、以ABB公司为代表的三次谐波阻波器方案，它的原理是在中性线上串入一个谐振点在电源基波频率处，类似于并联谐振回路的阻波器电路，它在基波频率处的阻抗近似为零，在三次谐波频率处的阻抗约为2欧姆。在一般情况下，它要配合国内外厂家生产的无源三次谐波滤波器一起工作，才能取得比较明显的效果。由于它是串联在中性线上的，因此，如果装置出现故障，将会使中线断开，并对用电设备造成重大影响。另外，此一解决方案的产品价格昂贵、所需费用太高，很难得到实际应用。2、以NOKIA电容器为代表的无源三次谐波滤波器方案，由于三相四线制配电系统中的三次谐波回路阻抗非常低，在配电变压器为Y/Δ接法时约为0.1欧姆左右、在配电变压器为Y/Y接法时为约为2欧姆；而无源三次谐波滤波器的内阻也约为0.1欧姆左右；因此，无源三次谐波滤波器的滤波效果与配电变压器的接法有直接的关系。配电变压器为Y/Δ接法时会造成零线上的三次谐波电流变大；配电变压器为Y/Y接法时会造成零线上的三次谐波电压增大，有时中线上的电压会给人的生命财产安全造成严重威胁。在配电变压器为Y/Y接法时无源三次谐波滤波器能取得较好的滤波效果，而当配电变压器为Y/Δ接法时无源三次谐波滤波器的滤波效果相当差。必须对Y/Δ接法的配电变压器进行改造或更换为Y/Y接法的配电变压器才能使无源三次谐波滤波器取得较好的滤波效果，但这要消耗大量的人力和物力，实际上是不可行的方案。前面提到的这两种方案由于都是由电抗器、电容器、电阻器构成，通过对某些次数的谐波呈现出低阻抗或高阻抗来达到滤波的目的，因此都存在无源滤波器的一些问题(1)对谐波电流的滤波效果受电力系统阻抗的影响大；(2)对电网频率偏移和谐波状况经常变化的情况滤波效果不好；(3)连接在同一电网中的其他非线形负载所产生的谐波电流有可能流入该滤波器，从而造成过载；(4)电网的系统阻抗和无源滤波器在某些频率下可能会发生串联或并联谐振。为了克服无源滤波器的上述缺陷，许多研究人员做了非常多的工作，比如，由清华大学朱东起等提出的有源和无源构成的综合电力滤波装置，客观地解决了前面提到的问题和缺陷，对三次谐波电流也取得了较好的滤波效果，但是它的主电路是由3次单调谐无源滤波器、9次单调谐无源滤波器及高通滤波器组成，主电路结构复杂，无形中增大了三次谐波滤波装置的成本，也增加了滤波装置的体积和控制的复杂性，给滤波装置的应用和市场推广带来了困难。另外，该装置的主电路结构也容易造成滤波装置在某些频率处发生谐波放大。
技术实现思路
本专利技术的目的是要提供一种模块化设计的可并联扩容、单独控制的基于对称分量法的混合型三次谐波滤波器。本专利技术的技术方案包括PWM控制器及与该PWM控制器相联的单相PWM变流器、电网电压同步锁相控制电路和过压、欠压、过流及短路故障检测与保护电路，以及与单相PWM变流器直流侧相连的直流电源和连接在380V配电系统及单相PWM变流器之间的无源环节，和用于滤除高次谐波的高通滤波器。所述的PWM变流器(Pulse Width Modulation Converter)由单相IGBT全桥模块和与之相连的电解电容Cd组成，这里没有用到滤波电感，主要是因为无源环节里的电感已经起到了滤波和限制IGBT电流增长速率的作用。所述的与380V配电系统相连的无源环节是一组星型接法的有中性线抽头的无功补偿装置或无源滤波器，它不仅能给系统提供合适的无功，还能给三相电流中的零序性的三次电流提供通路；并且当无源环节2是无源滤波器的条件下还能进一步消除某些次数的非零序性的谐波电流，如5次、7次等，但这要看无源滤波器的结构。所述的PWM控制器由微控制器(CPU)及分别与之相连的程序存储器、数据存储器、模拟/数字信号转换电路、PWM控制输出、光电隔离与耦合电路组成。所述的高通滤波器用于滤除三相相线及中性线上的高次谐波电流分量，它包括PWM变流器的功率开关IGBT动作引起的开关纹波及直流电源所吸收的高次谐波电流分量。所述的电网电压同步锁相控制电路三相交流中的电压ea经过锁相环PLL将电网相电压相位角度由模拟信号转换成数字信号。所述的锁相环PLL由低通滤波器、锁相环、分频器电路和缓冲器电路组成，在A相电压由负变正时找出过零点作为基准，并将电网相电压相位角度由模拟信号转换成数字信号，供控制电路进行控制用。所述的过压、欠压、过流及短路故障检测与保护电路由电流传感器、电压传感器、晶体管、运算放大器、比较器、电压基准等电路组成。所述的直流电源用于给PWM变流器提供一个直流电源，以便PWM变流器能根据PWM控制器的控制指令产生一个合适的电流来抵消中线上的三次谐波零序电流。本专利技术通过对中性线上流过的总电流的检测，并通过延时的方法分别延时120电角度和240电角度，并用这三个量来构造一个虚拟的三相电流，然后利用对称分量法来提取出需要补偿的中性线上三次谐波电流的分量，控制PWM变流器提供相应的补偿量，补偿中性线上三次谐波电流的分量，并消除A、B、C三相中相线的三次谐波电流的分量，从而达到消除三次谐波电流的目的。一般来说，对于三相不平衡的三相四线制系统，中线上的电流除了三次谐波外，还包含有基波分量及其它次数的谐波分量；这种方法的好处在于它能够从中线电流中提取出三次谐波另序分量的电流信号，而不管负载是不是三相不平衡的。附图说明图1为本专利技术原理框图；图2为PWM控制器原理框图；图3为单相PWM变流器原理框图；图4为无源环节原理框图；图5为高通滤波器原理框图；图6为电网电压同步锁相电路原理框图；图7为采用滞环电流控制的定偏差带方式示意图；具体实施方式如图1，包括PWM控制器、与该PWM控制器分别相连的PWM变流器、电网电压同步锁相控制电路、过压、欠压、过流及短路故障检测与保护电路；连接配电网与PWM变流器的无源环节，为了消除高次谐波而设置的无源高通滤波器，以及给单相PWM变流器提供直流电源的直流电源。这里PWM即为脉宽调制的缩写。电网电压同步锁相控制电路给PWM控制器提供了一系列的代表电网电压相角的实时数据。电网A相电压(ea)经过低通滤波器、锁相环电路、分频器和锁存器得到电网A相电压(ea)的10位数字相位角度(Q9，Q8，Q7，Q6，Q5，Q4，Q3，Q2，Q1，Q0)，也即二进制数0000本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于对称分量法的混合型三次谐波滤波器，其特征在于，该三次谐波滤波器包括：ＰＷＭ控制器及与该ＰＷＭ控制器相联的单相ＰＷＭ变流器、电网电压同步锁相控制电路和过压、欠压、过流及短路故障检测与保护电路，以及与单相ＰＷＭ变流器直流侧相连的直流电源和连接在３８０Ｖ配电系统及单相ＰＷＭ变流器之间的无源环节，和用于滤除高次谐波的高通滤波器。

【技术特征摘要】
1.一种基于对称分量法的混合型三次谐波滤波器，其特征在于，该三次谐波滤波器包括PWM控制器及与该PWM控制器相联的单相PWM变流器、电网电压同步锁相控制电路和过压、欠压、过流及短路故障检测与保护电路，以及与单相PWM变流器直流侧相连的直流电源和连接在380V配电系统及单相PWM变流器之间的无源环节，和用于滤除高次谐波的高通滤波器。2.如权利要求1所述的基于对称分量法的混合型三次谐波滤波器，其特征是PWM控制器包括连接在主电路上的电流传感器，由幅值调整电路与阻抗隔离电路组成的信号调理电路接在电流传感器的输出端口上，它的输出端口接入到模数转换器ADC上，再通过并行接口及逻辑电路与微处理器MCU或数字信号处理器DSP连接，然后，通过微处理器MCU或数字信号处理器DSP上的PWM发生器产生PWM脉冲信号经过功率驱动电路进行信号放大后，用来驱动IGBT或MOSFET等功率开关；电流传感器将电网的电流信号转变成电压信号，由信号调理电路对信号进行调理，再经模数转换器器ADC转换为数字信号后，送入微处理器MCU和信号处理器DSP进行处理；PWM控制器首先读入电网电压同步锁相控制电路提供的数字化的电网相电压相位角度信号，然后通过模数转换器ADC采样并转换中线负荷侧上的电流信号iLo，并把这个电流信号记为该角度下的电流值；然后，不断地定时对中线负荷侧上的电流iLo进行采样转换；并把这些数据存入代表角度信息的CPU或DSP内存中；同时这些数据分别经过120电角度和240电角度延时后得到经过120电角度延时的电流信号iL120和240电角度延时的电流信号iL240，并用这三个电流信号iLo、iL120、iL240来构成虚拟的三相电流信号，用对称分量法来求出中线电流的三次谐波成分iL3，并把这个电流iL3作为控制单相PWM变流器基准电流。3.如权利要求1所述的基于对称分量法的混合型三次谐波滤波器，其特征是单相PWM变流器提供输出电流ino的检测信号给PWM控制器，并和基准电流iL3进行比较，用于对单相PWM变流器的滞环电流控制，产生的逆变器脉宽控制信号经驱动电路，经整形、放大、隔离后，驱动逆变器上相应的MOSFET或IGBT等功率器件，使单相PWM变流器对中线的三次谐波电流进行跟踪控制，使逆变器输出的电流跟随指令电流的变化，并通过无源环节使中线的三次谐波电流反馈回三相电流中，滤除中线的三次谐波电流。4.如权利要求1所述的基于对称分量法的混合型三次谐波滤波器，其特征是在电网电压同步锁相控制电路中，电网A相电压(ea)首先经过低通滤波器滤除高频干扰信号，得到干净的电网A相电压信号，经过整形后得到与A相电压(ea)相关的代表其频率和相位的方波信号(Ui)，送入锁相环中，锁相环PLL通过对方波信号(Ui)与分频器的输出方波信号进行相位比较，输出相应的脉冲信号作为分频器的输入，分频器的10位数字输出信号通过10位数据锁存器锁存后输出代表电网A相电压(ea)相...

【专利技术属性】
技术研发人员：高升宁，郑文兵，潘志新，冯远，
申请(专利权)人：江苏省电力公司无锡供电公司，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]