具有完全apf功能的靜止無功發(fā)生器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種具有完全APF功能的靜止無功發(fā)生器，其技術(shù)特點是：包括RISC處理器、FPGA模塊、六個DSP處理器、SVG逆變器及其PWM驅(qū)動電路、APF逆變器及其PWM驅(qū)動電路，所述FPGA模塊分別與RISC處理器、六個DSP處理器相連接，六個DSP處理器均通過霍爾傳感器、信號調(diào)整電路和A/D轉(zhuǎn)換模塊采集電網(wǎng)電流，并負(fù)責(zé)SVG功能、APF功能的算法運算和PWM驅(qū)動信號輸出，并分別驅(qū)動SVG逆變器和APF逆變器工作；六個DSP處理器還分別與同步檢測電路與鎖相環(huán)電路相連接。本發(fā)明為了能夠準(zhǔn)確及時補償無功電流和諧波電流，其通過多CPU控制方式快速準(zhǔn)確地獲得負(fù)載電流無功信號和諧波信號,進而產(chǎn)生相應(yīng)的補償信號以抵消電源中的無功與諧波,達到無功補償和消除諧波的目的。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無功發(fā)生器就【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是一種具有完全APF功能的靜止無功發(fā) 生器。 具有完全APF功能的靜止無功發(fā)生器

【背景技術(shù)】
[0002] 上世紀(jì)80年代，由于赤木泰文瞬時無功功率理論的提出以及大功率半導(dǎo)體器件 的成熟、脈寬調(diào)制（PWM)控制技術(shù)的進步，為靜止無功發(fā)生器（SVG)和有源電力濾波器 (APF)的實現(xiàn)與完善奠定了理論與技術(shù)基礎(chǔ)。近年來，出于節(jié)能環(huán)保的考慮，配電網(wǎng)終端供 電系統(tǒng)中的電力電子變換裝置應(yīng)用越來越廣泛，但這類非線性電能變換裝置在改善用戶端 電能質(zhì)量同時，往往誘發(fā)配電網(wǎng)側(cè)諧波及無功電流問題，迫切需要SVG與APF廣泛應(yīng)用于電 力各個領(lǐng)域。目前，SVG與APF雖然得到廣泛的應(yīng)用與發(fā)展，但是它們是作為兩種設(shè)備應(yīng)用 的，不僅占用空間，還要考慮其并聯(lián)使用的匹配問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種設(shè)計合理、性能穩(wěn)定且有效提 高用電端電能質(zhì)量的具有完全APF功能的靜止無功發(fā)生器。
[0004] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題是采取以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0005] -種具有完全APF功能的靜止無功發(fā)生器，包括RISC處理器、FPGA模塊、六個DSP 處理器、SVG逆變器及其PWM驅(qū)動電路、APF逆變器及其PWM驅(qū)動電路，所述FPGA模塊分別 與RISC處理器、六個DSP處理器相連接，該FPGA模塊還通過隔離驅(qū)動電路與數(shù)字信號相連 接，所述的RISC處理器還與人機界面設(shè)備相連接完成人機交互功能，該RISC處理器還通過 通訊接口與遠(yuǎn)程設(shè)備相連接；六個DSP處理器均通過霍爾傳感器、信號調(diào)整電路和A/D轉(zhuǎn) 換模塊采集電網(wǎng)電流，其中三個DSP處理器負(fù)責(zé)SVG功能的算法運算和PWM驅(qū)動信號輸出， 該PWM驅(qū)動信號經(jīng)PWM驅(qū)動電路驅(qū)動SVG逆變器工作，另外三個DSP處理器負(fù)責(zé)APF功能 的算法運算和PWM驅(qū)動信號輸出，該PWM驅(qū)動信號經(jīng)PWM驅(qū)動電路驅(qū)動APF逆變器工作；六 個DSP處理器還分別與同步檢測電路與鎖相環(huán)電路相連接，所述的同步檢測電路與鎖相環(huán) 電路相連接。
[0006] 而且，所述FPGA模塊還連接JTAG電路實現(xiàn)調(diào)試功能。
[0007] 而且，所述SVG逆變器和APF逆變器均采用多電平逆變器結(jié)構(gòu)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008] 圖1為本發(fā)明的電路方框圖；
[0009] 圖2為本發(fā)明的工作原理及處理流程圖；
[0010] 圖3為直流控制電流算法原理圖；
[0011] 圖4為無功補償算法原理圖；
[0012] 圖5為諧波補償算法原理圖；
[0013] 圖6為三相不平衡補償算法原理圖；
[0014]圖7為將計算得到的諧波電流瞬時值轉(zhuǎn)換為實際諧波補償控制電流的原理圖； [0015] 圖8為將計算得到無功電流瞬時值轉(zhuǎn)換為實際無功補償控制電流的原理圖。

【具體實施方式】
[0016] 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳述。
[0017] 一種具有完全APF功能的靜止無功發(fā)生器，如圖1所示，包括RISC處理器、FPGA 模塊、六個DSP處理器、SVG逆變器及其PWM驅(qū)動電路、APF逆變器及其PWM驅(qū)動電路，其中 FPGA模塊為主處理器，RISC處理器為從處理器，六個DSP處理器為協(xié)處理器。FPGA模塊分 別與RISC處理器、六個DSP處理器相連接，F(xiàn)PGA模塊與RISC處理器相連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互 功能，F(xiàn)PGA模塊與六個DSP處理器相連接，為控制DSP處理器同時同時啟動數(shù)據(jù)采樣、同步 處理數(shù)據(jù)、控制逆變電流、產(chǎn)生PWM時序等任務(wù)，保證補償性能準(zhǔn)確無誤，該FPGA模塊還通 過隔離驅(qū)動電路與數(shù)字信號相連接，該FPGA模塊還連接JTAG電路進行設(shè)備調(diào)試。所述的 RISC處理器還與人機界面設(shè)備相連接完成人機交互功能，該RISC處理器還通過通訊接口 與遠(yuǎn)程設(shè)備相連接，實現(xiàn)四遙功能（遙控功能：開/關(guān)機、緊急停機等；遙信功能：工作狀態(tài) 等；遙測功能：補償電流值、補償無功值等；遙調(diào)：設(shè)定補償諧波次數(shù)等）。六個DSP處理器 分別通過霍爾傳感器采集電網(wǎng)電流信號，該霍爾傳感器安裝在電網(wǎng)中，其輸出端與信號調(diào) 整電路相連接，電網(wǎng)信號通過信號調(diào)整電路調(diào)整后送入A/D轉(zhuǎn)換模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn) 換模塊將轉(zhuǎn)換的數(shù)字量分別送入六個DSP處理器進行運算，其中，上面三個DSP處理器負(fù)責(zé) 靜止無功發(fā)生器（SVG)功能的算法運算和SVG的PWM驅(qū)動信號輸出，該PWM驅(qū)動信號經(jīng)PWM 驅(qū)動電路驅(qū)動SVG逆變器工作，每個DSP承擔(dān)一相無功功率的檢測任務(wù)，并將檢測結(jié)果發(fā)送 給FPGA模塊。下面三個DSP處理器負(fù)責(zé)有源電力濾波器（APF)功能的算法運算和APF的 PWM驅(qū)動信號輸出，該PWM驅(qū)動信號經(jīng)PWM驅(qū)動電路驅(qū)動APF逆變器工作，每一顆DSP承擔(dān) 一相諧波電流的檢測任務(wù)，并將檢測結(jié)果發(fā)送給FPGA模塊。本發(fā)明采用SVG的IGBT逆變 器和APF的IGBT逆變器分別由不同的DSP處理器控制，保證了 APF逆變器和SVG逆變器互 不干擾。六個DSP處理器還分別與同步檢測電路與鎖相環(huán)電路相連接，所述的同步檢測電 路與鎖相環(huán)電路相連接，從而保證了六個DSP處理器采集的數(shù)字信號完全同步，實現(xiàn)SVG功 能和APF功能完美結(jié)合。
[0018] 本發(fā)明基本工作原理與流程如圖2所示，該圖上部是實現(xiàn)靜止無功發(fā)生器（SVG) 功能的描述：負(fù)載電流的電流瞬時值經(jīng)d_q坐標(biāo)變換變?yōu)镮 d，I,，它們與有功電流、無功電 流參考值（W作比較后，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器所得值，再經(jīng)d_q變換，得到三相電流信號，進行三 角波比較電流跟蹤型PWM控制，驅(qū)動IGBT逆變器輸出相應(yīng)的補償無功電流。其中，有功電 流參考值由直流側(cè)電壓參考值（U dMf)與直流側(cè)電容電壓反饋值（UdJ比較后經(jīng)PI調(diào)節(jié)器 得到。該圖中部為輸出逆變電路示意，有源濾波與靜止無功補償分別使用兩套IGBT逆變電 路。該圖下部是實現(xiàn)有源電力濾波器（APF)功能的描述：負(fù)載電流的電流瞬時值經(jīng)過模數(shù) 轉(zhuǎn)換之后，對其數(shù)字量進行快速傅里葉變換，在頻域內(nèi)取得各次諧波分量并根據(jù)設(shè)定諧波 次數(shù)（如用戶設(shè)定了消除某次諧波）確定需要濾除的諧波，然后再進行傅里葉逆變換，在時 域內(nèi)與控制電流（1_)相比較，再經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后得到三相電流信號，進行三角波比較電流 跟蹤型PWM控制，驅(qū)動IGBT逆變器輸出相應(yīng)的補償諧波電流。控制電流（1_)由直流側(cè)電 容電壓反饋值（UdJ與直流側(cè)電容電壓參考值（UdMJ相比較，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器與電網(wǎng)頻率相位 信號一起經(jīng)坐標(biāo)變換后的所得值。
[0019] DSP處理器內(nèi)采用的算法如圖3至圖8所示，下面分別進行說明：
[0020] 圖3給出了直流控制電流生成的算法原理，其具體處理過程為：直流側(cè)電容電壓 反饋值（U d。）與直流側(cè)電容電壓參考值（UdJ相比較，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器生成直流電流id d。，由于 該值為直流所以在q軸投影為零，然后進行park逆變換，在α、β軸上分別得到ia dc;、ie d。，最后將其進行Clarke逆變換得到控制三相的直流電流ia d。、ib d。、?ε (1。。
[0021] 圖4給出了無功補償算法原理圖，其具體處理過程為：三相負(fù)載電流1、^、1通 過Clarke變換得到i α、i e,而后i α、i e再經(jīng)過park變換得到id、iq，由于無功電流在d軸 的投影為零，所以僅需要將i,通過低通濾波器（LPF)即可得到i q Mac;t，然后進行park逆變 換，在α、β軸上分別得到i a q、i0 q，最后將其進行Clarke逆變換得到三相無功電流ia q、lb-q、lc-q〇
[0022] 圖5給出了諧波補償算法原理圖，其具體處理過程為：三相負(fù)載電流 過Clarke變換得到ia、ie,而后ia、ie再經(jīng)過park變換得到i d、iq,由再將id、iq減去其基 波分量id、Tq (通過低通濾波器（LPF)取得）得到，然后進行park逆變換，在α、 β軸上分別得到iah、ieh，最后將其進行Clarke逆變換得到三相諧波電流ia h、ib h、ic h。
[0023] 圖6給出了三相不平衡補償算法原理圖，其具體處理過程為：三相負(fù)載電流ka、 L、L通過Clarke變換得到i α、i e,而后i α、i e再經(jīng)過park變換得到id、iq，將id、i q通 過低通濾波器（LPF)即可得到id、iq,然后進行park逆變換，在α、β軸上分別得到iaf、 ief，最后將其進行Clarke逆變換得到三相不平衡電流iaf、ibf、i rf。
[0024] 將圖3至圖6所計算得到的直流控制電流、無功補償電流、諧波補償電流、三相不 平衡補償電流分別應(yīng)用到圖7、圖8的算法中，分別得到實際諧波補償控制電流和實際無功 補償控制電流。
[0025] 圖7給出了將計算得到的諧波電流瞬時值轉(zhuǎn)換為實際諧波補償控制電流的原理 圖，其具體處理過程為：通過park變換將直流電流、諧波電流、三相不平衡電流分別等效到 d，q軸上，在d軸上即得到id d。，id h，id f，然后將id d。，id h，id f疊加減去其中基波部分id， 再經(jīng)過矩陣調(diào)整（Regulator_D)，得到在d軸上的補償電流d d;同樣在q軸上即得到i^， ，然后將i^，疊加減去其中基波部分i,，再經(jīng)過矩陣調(diào)整（Regulator_Q)，得到在q 軸上的補償電流dq，此時將dd、dq進行park逆變換得到d a、de，最后對da、de進行Clarke 逆變換即得到諧波補償?shù)娜嗫刂齐娏鱅apf_。、Iapf_b、I apf_。。
[0026] 圖8給出了將計算得到無功電流瞬時值轉(zhuǎn)換為實際無功補償控制電流的原理圖； 其具體處理過程為：通過park變換將直流電流、無功電流、三相不平衡電流分別等效到d，q 軸上，在d軸上即得到id d。，id f，然后將丨^。，id f疊加經(jīng)過矩陣調(diào)整（Regulat〇r_D)，得到 在d軸上的補償電流dd ;同樣在q軸上即得到^，然后將i, f疊加經(jīng)過矩陣 調(diào)整（Regulator_Q)，得到在q軸上的補償電流dq,此時將d d、dq進行park逆變換得到da、 de，最后對da、de進行Clarke逆變換即得到無功補償?shù)娜嗫刂齐娏鱅 svg_。、Isvg_b、Isvg_。。
[0027] 本發(fā)明采用RISC+6DSP+FPGA控制模式，具有以下優(yōu)點：
[0028] 本發(fā)明為了能夠準(zhǔn)確及時補償無功電流和諧波電流，其通過多CPU控制方式快速 準(zhǔn)確地獲得負(fù)載電流無功信號和諧波信號，進而產(chǎn)生相應(yīng)的補償信號以抵消電源中的無 功與諧波，達到無功補償和消除諧波的目的。
[0029] 本發(fā)明內(nèi)部集成了瞬時無功算法，該算法同步實現(xiàn)無功功率、2?50次諧波和三 相不平衡的準(zhǔn)確檢測，且精度高、實時性好、動態(tài)響應(yīng)速度快，達到了同時對無功功率和各 次諧波電流進行補償?shù)囊蟆?br> [0030] 本發(fā)明在補償電路中采用了雙路PWM驅(qū)動電路和雙路IGBT逆變輸出模式，補償無 功電流和諧波電流可以完全同步進行且互不影響，為實現(xiàn)完全APF功能（可以補償2?50 次諧波）和靜止無功發(fā)生器功能提供了硬件保證。
[0031] 本發(fā)明采用多電平逆變技術(shù)，多逆變技術(shù)是指用半導(dǎo)體開關(guān)器件的開通和關(guān)斷把 直流電壓變成一系列的電壓脈沖序列，以實現(xiàn)多電平逆變器的變壓、變頻，并控制和消除諧 波的電子技術(shù)。多電平逆變器PWM技術(shù)具有輸出電壓諧波的含量少、逆變器電平數(shù)易擴展， 電壓合成方面，開關(guān)狀態(tài)選擇具有較大的靈活性、可通過在同一個電平上不同開關(guān)組合，使 直流側(cè)電容電壓保持平衡等優(yōu)點。
[0032] 本發(fā)明采用多CPU并聯(lián)控制方式，可以同步實現(xiàn)無功補償和有源濾波；可以成倍 提高計算速度，即成倍提高無功及諧波補償速度；CPU數(shù)量增加可以同步運算無功與諧波 的軟件算法；輕松實現(xiàn)四遙功能。
[0033] 本發(fā)明采用創(chuàng)新模塊化設(shè)計，體積小，使用簡單、便于并機使用。
[〇〇34] 需要強調(diào)的是，本發(fā)明所述的實施例是說明性的，而不是限定性的，因此本發(fā)明包 括并不限于【具體實施方式】中所述的實施例，凡是由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案 得出的其他實施方式，同樣屬于本發(fā)明保護的范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種具有完全APF功能的靜止無功發(fā)生器，其特征在于：包括RISC處理器、FPGA模 塊、六個DSP處理器、SVG逆變器及其PWM驅(qū)動電路、APF逆變器及其PWM驅(qū)動電路，所述FPGA 模塊分別與RISC處理器、六個DSP處理器相連接，該FPGA模塊還通過隔離驅(qū)動電路與數(shù)字 信號相連接，所述的RISC處理器還與人機界面設(shè)備相連接完成人機交互功能，該RISC處理 器還通過通訊接口與遠(yuǎn)程設(shè)備相連接；六個DSP處理器均通過霍爾傳感器、信號調(diào)整電路 和A/D轉(zhuǎn)換模塊采集電網(wǎng)電流，其中三個DSP處理器負(fù)責(zé)SVG功能的算法運算和PWM驅(qū)動 信號輸出，該PWM驅(qū)動信號經(jīng)PWM驅(qū)動電路驅(qū)動SVG逆變器工作，另外三個DSP處理器負(fù)責(zé) APF功能的算法運算和PWM驅(qū)動信號輸出，該PWM驅(qū)動信號經(jīng)PWM驅(qū)動電路驅(qū)動APF逆變器 工作；六個DSP處理器還分別與同步檢測電路與鎖相環(huán)電路相連接，所述的同步檢測電路 與鎖相環(huán)電路相連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有完全APF功能的靜止無功發(fā)生器，其特征在于：所述 FPGA模塊還連接JTAG電路實現(xiàn)調(diào)試功能。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有完全APF功能的靜止無功發(fā)生器，其特征在于：所 述SVG逆變器和APF逆變器均采用多電平逆變器結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】H02J3/18GK104065091SQ201410311931
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月2日
【發(fā)明者】朱赫, 李景云 申請人:國家電網(wǎng)公司, 天津市三源電力設(shè)備制造有限公司