本發(fā)明屬于電氣設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種集有源動態(tài)濾波補償、功率因數(shù)調(diào)節(jié)于一體的功率因數(shù)控制器。

背景技術(shù)：

在電氣設(shè)備中，負(fù)載設(shè)備從電網(wǎng)中吸收電功率(有功)作為電源，或?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為另一種形式的能量，或?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為機械輸出。為此，感性負(fù)載通常必須從電網(wǎng)取得非實際所需的無功能量。該能量即使不能立即被轉(zhuǎn)換為其它形式的能量，也將增大在電網(wǎng)中流動的總功率。若要降低該類負(fù)效應(yīng)帶來的危害，則需在電氣設(shè)備中進行功率因數(shù)校正。通常使用電容器組進行功率因數(shù)校正，在現(xiàn)場提供無功能量以滿足傳輸有功功率的需求。

隨著社會的進步，照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、電梯、計算機、UPS系統(tǒng)、整流器、逆變器、變頻器、變頻電機等非線性負(fù)載的大量應(yīng)用，基波電流發(fā)生畸變產(chǎn)生諧波。而諧波污染嚴(yán)重時，不僅會造成經(jīng)濟損失，還會帶來很多問題，如設(shè)備故障率高、設(shè)備使用壽命下降、生產(chǎn)率低、系統(tǒng)安全性下降及一些很難查找出原因的問題。若要降低該類負(fù)效應(yīng)帶來的危害，則需在電氣設(shè)備中進行濾波。通過使用有源動態(tài)濾波器，生成與電網(wǎng)諧波電流幅值相等，極性相反的電流，對諧波進行補償或抵消，達到主動消除電力諧波的目的。

電網(wǎng)中的非線性負(fù)載(包括電動機、變壓器等)大部分屬于感性電抗，在運行過程中需要同時向這些設(shè)備提供相應(yīng)的無功功率和諧波濾波。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有電網(wǎng)運行時中需進行功率因數(shù)校正、消除諧波等問題，提供一種集有源動態(tài)濾波補償、功率因數(shù)調(diào)節(jié)于一體的功率因數(shù)控制器，該功率因數(shù)控制器可同步顯示并調(diào)節(jié)電網(wǎng)中的功率因數(shù)和諧波，其技術(shù)方案如下：

一種集有源動態(tài)濾波補償、功率因數(shù)調(diào)節(jié)于一體的功率因數(shù)控制器，包括功率因數(shù)調(diào)節(jié)部分、信號檢測及控制部分以及有源動態(tài)濾波補償部分，其特征在于：

所述功率因數(shù)調(diào)節(jié)部分包括用于接收主控制模塊發(fā)出的指令并反饋電容故障信息的電容投切模塊，與電容投切模塊相連的故障反饋模塊，與故障反饋模塊相連的動態(tài)開關(guān)模塊，與動態(tài)開關(guān)模塊和電源母線相連的電容保護模塊，與電容保護模塊、動態(tài)開關(guān)模塊以及故障反饋模塊相連的電容器組；

所述信號檢測及控制部分包括與電源母線相連用于監(jiān)測電力系統(tǒng)主線電流電壓信號的信號監(jiān)測模塊、與信號監(jiān)測模塊相連的信號處理模塊、與信號處理模塊相連的主控制模塊；

所述有源動態(tài)濾波部分包括與主控制模塊相連的諧波處理模塊，與諧波處理模塊相連用于脈寬調(diào)制的脈寬調(diào)制模塊，與脈寬調(diào)制模塊相連用于生成補償電流的電流補償發(fā)生器，與電流補償發(fā)生器以及諧波處理模塊相連的監(jiān)測反饋模塊，與監(jiān)測反饋模塊相連的預(yù)充電模塊，與預(yù)充電模塊及電源母線相連的保護模塊。

上述方案中，所述信號監(jiān)測模塊包含用于采集電壓信號的電壓互感器和用于采集電流信號的電流互感器；所述信號處理模塊包括用于將采集的模擬電流信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換器；所述主控制模塊包含處理單元、時鐘單元和記錄單元，其中處理單元用于處理數(shù)字信號并發(fā)出輸出指令，時鐘單元用于計時，記錄單元用于記錄基于時鐘單元的報警信息及電容器組的投切和投入運行總時間。

上述方案中，所述脈寬調(diào)制模塊包括基波參考單元、諧波基波對比單元，其中基波參考單元為標(biāo)準(zhǔn)基波波形，用于與諧波對比，諧波基波對比單元用于將諧波基波與基波參考單元對比得到開關(guān)信號；所述電流補償發(fā)生器包括IGBT、電容器，其中IGBT用于接收脈寬調(diào)制模塊發(fā)出的開關(guān)信號并控制對應(yīng)的電容器生成幅值相等、極性相反的補償電流，電容器用于提供生成補償電流的電能；所述監(jiān)測反饋模塊包括電流采集單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中電流采集單元包括用于采集電流信號的電流互感器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將采集的模擬電流信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并傳遞給高速處理模塊；所述預(yù)充電模塊包括預(yù)充電電阻、電壓監(jiān)測模塊、接觸器、電抗器，其中預(yù)充電電阻用于對電流補償發(fā)生器的電容器進行限流充電，電壓監(jiān)測模塊用于監(jiān)測充電后端的電壓，接觸器在充電電壓達到預(yù)定值后閉合，電抗器用于限制電流突變；所述保護模塊包括用于限制電流過大的熔斷器。

上述方案中，所述電容投切模塊包含電容投切控制繼電器，用于接受主控制模塊發(fā)出的輸出指令并控制電容器組的投切動作及接受故障反饋模塊發(fā)來的故障報警信號并傳送給主控制模塊；所述故障反饋模塊包含故障監(jiān)測器和故障報警繼電器，其中故障監(jiān)測器用于監(jiān)測電容器組的投切狀態(tài)并反饋故障和報警信號，故障報警繼電器根據(jù)故障報警命令進行開啟或關(guān)閉命令；所述動態(tài)開關(guān)模塊包含電容器組投切控制繼電器，用于接收投切指令并進行開啟關(guān)閉動作。

該集有源動態(tài)濾波補償、功率因數(shù)調(diào)節(jié)于一體的功率因數(shù)控制器還包括為主控制器提供工作電源的電源模塊、用于手動輸入指令并將指令發(fā)送給主控制模塊的手動輸入模塊、用于顯示電路參數(shù)和報警故障信息的顯示模塊、與外界進行數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)遠程顯示的通訊模塊以及用于信息存儲的數(shù)據(jù)存儲模塊。

本發(fā)明具有以下有益效果：(1)可實時監(jiān)控電源母線上的電流信號，對電網(wǎng)諧波基波進行分離分析處理，然后進行脈寬調(diào)制生成與電網(wǎng)諧波電流幅值相等、極性相反的補償電流，主動消除電力諧波；(2)能夠?qū)ρa償電流進行實時監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋至高速處理器從而對生成的補償電流進行校正；(3)可實時監(jiān)控電源母線上的電流電壓信號，計算出當(dāng)前功率因數(shù)并與目標(biāo)功率因數(shù)進行對比，計算出無功補償需量并與當(dāng)前電容組容量進行對比，最終計算出需要補償?shù)膯卧⒖刂葡鄳?yīng)的補償單元接入，實現(xiàn)根據(jù)當(dāng)前電容組按無功補償需量進行補償?shù)哪康模?4)可同步顯示諧波、功率因數(shù)等參數(shù)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明集有源動態(tài)濾波補償、功率因數(shù)調(diào)節(jié)于一體的功率因數(shù)控制器的連接及原理示意圖。

具體實施方式

為使本領(lǐng)域普通技術(shù)人員充分理解本發(fā)明的技術(shù)方案和有益效果，以下結(jié)合具體實施例及附圖進行進一步說明。

如圖1所示，一種集有源動態(tài)濾波補償、功率因數(shù)調(diào)節(jié)于一體的功率因數(shù)控制器，主要由3個功能部分組成：功率因數(shù)調(diào)節(jié)部分、信號檢測及控制部分和有源動態(tài)濾波補償部分，其中信號檢測及控制部分是核心，其能夠接受來自電網(wǎng)和其他兩功能部分反饋的信息并進行處理，發(fā)出相應(yīng)的指令進行功率因數(shù)校正和諧波補償，依據(jù)反饋的情況進行相應(yīng)的調(diào)整。

功率因數(shù)調(diào)節(jié)部分包括順次相連的電容投切模塊、故障反饋模塊、動態(tài)開關(guān)模塊、電容保護模塊以及電容器組，其中電容保護模塊與電源母線相連，電容器組與電容保護模塊、動態(tài)開關(guān)模塊和故障反饋模塊相連。

有源動態(tài)濾波補償部分包括順次相連的諧波處理模塊、脈寬調(diào)制模塊、電流補償發(fā)生器、監(jiān)測反饋模塊、預(yù)充電模塊、保護模塊，其中保護模塊與電源母線相連，監(jiān)測反饋模塊還與諧波處理模塊相連。

信號檢測及控制部分包括依次相連的信號監(jiān)測模塊、信號處理模塊和主控制模塊，其中信號監(jiān)測模塊與電源母線相連，主控制模塊與功率因數(shù)調(diào)節(jié)部分的電容投切模塊和有源動態(tài)濾波補償部分的諧波處理模塊相連。主控制模塊還與其他功能模塊相連，例如電源模塊、手動輸入模塊、顯示模塊、通訊模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊。

功率因數(shù)調(diào)節(jié)部分中，電容投切模塊包含電容投切控制繼電器，其能夠接受主控制模塊發(fā)出的輸出指令并控制電容器組的投切動作，接受故障反饋模塊發(fā)來的故障報警信號并傳送給主控制模塊。故障反饋模塊包含故障監(jiān)測器和故障報警繼電器，其中故障監(jiān)測器用于監(jiān)測電容器組的投切狀態(tài)并反饋故障和報警信號，故障報警繼電器根據(jù)故障報警命令進行開啟或關(guān)閉命令。動態(tài)開關(guān)模塊包含電容器組投切控制繼電器，該電容器組投切控制繼電器用于接收投切指令并進行開啟關(guān)閉動作。電容保護模塊用于接收電容投切模塊發(fā)出的指令同時對電容器進行保護，諧波處理模塊可以分析處理接收到的來自電網(wǎng)的諧波數(shù)據(jù)。

有源動態(tài)濾波補償部分中，脈寬調(diào)制模塊包含基波參考單元、諧波基波對比單元，其中基波參考單元是標(biāo)準(zhǔn)基波波形用于與諧波進行對比，諧波基波對比單元用于接收高速處理模塊發(fā)出的實時補償信號的基波波形并與基波參考單元進行對比，得到開關(guān)信號。電流補償發(fā)生器包含IGBT、電容器等，其中IGBT用于接收脈寬調(diào)制模塊發(fā)出的開關(guān)信號并控制對應(yīng)的電容器生成幅值相等、極性相反的補償電流，電容器用于提供生成補償電流的電能。監(jiān)測反饋模塊包含電流采集單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等，其中電流采集單元包含用于采集電流信號的電流互感器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將采集的模擬電流信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并傳遞給高速處理模塊。預(yù)充電模塊包含預(yù)充電電阻、電壓監(jiān)測模塊、接觸器、電抗器等，其中預(yù)充電電阻用于對電流補償發(fā)生器的電容器進行限流充電，電壓監(jiān)測模塊用于監(jiān)測充電后端的電壓，接觸器用于當(dāng)充電電壓達到預(yù)定值后，預(yù)充電結(jié)束接觸器閉合，電抗器用于限制電流突變對設(shè)備造成不可逆的損壞。保護模塊包含熔斷器，該熔斷器用于限制電流過大對設(shè)備造成不可逆的損壞。

信號檢測及控制部分中，信號監(jiān)測模塊包含用于采集電壓信號的電壓互感器和用于采集電流信號的電流互感器，能夠監(jiān)測電力系統(tǒng)主線電流電壓信號并自動適應(yīng)電網(wǎng)相序和電流相位。信號處理模塊包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器等，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將采集的模擬電流信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。主控制模塊包含處理單元、時鐘單元和記錄單元，其中處理單元用于處理數(shù)字信號并發(fā)出輸出指令，時鐘單元用于計時，記錄單元用于記錄基于時鐘單元的報警信息，及電容器組的投切和投入運行總時間。該集有源動態(tài)濾波補償、功率因數(shù)調(diào)節(jié)于一體的功率因數(shù)控制器還包括為主控制器提供工作電源的電源模塊、用于手動輸入指令并將指令發(fā)送給主控制模塊的手動輸入模塊、用于顯示電路參數(shù)和報警故障信息的顯示模塊、與外界進行數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)遠程顯示的通訊模塊以及用于信息存儲的數(shù)據(jù)存儲模塊。

本發(fā)明提供的集有源動態(tài)濾波補償、功率因數(shù)調(diào)節(jié)于一體的功率因數(shù)控制器工作原理如下：首先信號監(jiān)測模塊實時監(jiān)測電力系統(tǒng)主線的電流電壓信號，同時自動適應(yīng)電網(wǎng)相序和相位；電流電壓信號傳遞給信號處理模塊由其將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號輸入到主控制模塊中。主控制模塊對接收到的各種數(shù)據(jù)(手動輸入的數(shù)據(jù)、監(jiān)測到的電流電壓信號、故障反饋模塊反饋回來的電容器組故障信息等)進行處理分析得到當(dāng)前的功率因數(shù)并與手動輸入模塊輸入的指令或默認(rèn)指令的功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值進行對比，得出功率因數(shù)差值的補償信號，同時結(jié)合故障反饋模塊反饋的電容器組故障信號，對電容投切模塊發(fā)出投切指令。電源模塊用于向各模塊輸入電源并提供過壓保護、欠壓保護和諧波干擾隔離；手動輸入模塊用于輸入?yún)?shù)或指令。顯示模塊用于顯示主控制模塊輸入的指令參數(shù)值、采集的電流電壓信號、輸出的功率因數(shù)、電容器組投切需量、諧波畸變率、報警指示參數(shù)等；通訊模塊用于與外界進行數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)遠程顯示；數(shù)據(jù)存儲模塊用于接收并存儲主控制器接收和輸出的所有參數(shù)。

功率因數(shù)調(diào)節(jié)部分接收到來自主控制模塊的指令后：電容投切模塊將故障反饋模塊反饋回來的故障信息反饋至主控制模塊，并接收到主控制模塊的電容投切指令將其下發(fā)至動態(tài)開關(guān)模塊，動態(tài)開關(guān)模塊對電容器組進行投切控制，電容保護模塊對電容器組進行保護。

有源動態(tài)濾波補償部分接收到來自主控制模塊的指令后：諧波處理模塊接收信號處理模塊和監(jiān)測反饋模塊發(fā)出的數(shù)字信號進行諧波基波分離，并對比信號處理模塊的數(shù)字信號和監(jiān)測反饋模塊發(fā)出的數(shù)字信號得到差值作為實時補償信號，接著由脈寬調(diào)制模塊根據(jù)實時補償信號進行脈寬調(diào)制得到開關(guān)信號。脈寬調(diào)制模塊發(fā)出的開關(guān)信號被電流補償發(fā)生器接收后生成幅值相等、極性相反的補償電流，補償電流通過監(jiān)測反饋模塊、預(yù)充電模塊和保護模塊輸入電網(wǎng)中從而主動消除諧波。由于監(jiān)測反饋模塊同時與諧波處理模塊相連，因此其接收到補償電流后會實時反饋給諧波處理模塊，諧波處理模塊負(fù)責(zé)對比來自電網(wǎng)的諧波信號和補償后的諧波信號，根據(jù)對比得到的差值作為補償信號及時調(diào)整脈寬調(diào)制模塊和電流補償發(fā)生器。預(yù)充電模塊和保護模塊能夠?qū)﹄娏餮a償發(fā)生器進行預(yù)充電保護和限流保護，保護電流補償發(fā)生器免于不可逆的損壞。