本發(fā)明涉及一種基于多變流器組的大容量有源電力濾波器，屬于電力系統(tǒng)和綠色電網(wǎng)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，大量由電力電子開關(guān)構(gòu)成的、具有非線性特性的用電設(shè)備廣泛應(yīng)用于冶金、鋼鐵、交通、化工、通信、橡膠等工業(yè)領(lǐng)域，這些非線性負(fù)載使得電網(wǎng)中混入大量諧波，給工業(yè)生產(chǎn)帶來嚴(yán)重影響。目前諧波治理方案主要分為無源型和有源型：無源型治理裝置體積重量較大、易產(chǎn)生諧振、不能實現(xiàn)動態(tài)補償；有源型治理裝置具有高度可控以及快速響應(yīng)性能，可以實時補償電網(wǎng)中的諧波。但由于半導(dǎo)體開關(guān)技術(shù)水平的限制，有源電力濾波器難以實現(xiàn)大容量補償。

現(xiàn)有技術(shù)中，主要由以下幾種方法提高補償容量：

1）采用有源和無源混合補償?shù)男问剑簾o源濾波器用于濾除容量較大的特定次諧波，有源濾波器補償剩余諧波含量。其優(yōu)點是：安裝模塊少，占用空間少。其缺點是：無源濾波器設(shè)計要根據(jù)不同工況做不同改變，難以適應(yīng)復(fù)雜工況。

2）N臺裝置+N臺CT(電流互感器)，獨立控制形式：每臺裝置都配備一組CT，裝置間無互聯(lián)線、獨立控制。其優(yōu)點是：擴展容量簡單，允許不同補償容量模塊間的擴展，多個模塊自動實現(xiàn)冗余補償。其缺點是：靠近負(fù)載的模塊必須長期滿負(fù)荷運行，多級補償容量利用不對稱，加速硬件老化，檢測CT過多使得諧波補償精度不高。

3）N臺裝置+1組CT，集中控制形式：整機只配備一組CT，每臺有源電力濾波器都工作在全補償模式。其優(yōu)點是：動態(tài)性能好，并機系統(tǒng)諧波補償響應(yīng)速度與并機數(shù)量無關(guān)，始終等于單機諧波補償速度，不存在某一臺裝置長期滿負(fù)荷運行。其缺點是：所有裝置全時段投入且全補償運行，投入運行模塊數(shù)量最多，使得損耗相對其他方式最大，無法實現(xiàn)自動冗余補償。

綜上所述，現(xiàn)有提高補償容量的方法難以同時實現(xiàn)較高補償精度、較優(yōu)的補償容量利用率、較好的運行可靠性以及自動冗余補償，因此需要提出一種大容量的有源電力濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出了一種基于多變流器組的大容量有源電力濾波器，解決現(xiàn)有源電力濾波器補償容量不足問題。

為實現(xiàn)上訴目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案：一種基于多變流器組的大容量有源電力濾波器，包括：電壓互感器、電流互感器、數(shù)字信號處理器、投切仲裁器、若干變流器、連接電感、充電電阻、接觸器、主斷路器；其特征是：

所述的電壓互感器用于采集網(wǎng)側(cè)電壓，電流互感器用于采集負(fù)載電流；電壓互感器和電流互感器均連接至數(shù)字信號處理器（DSP）。

數(shù)字信號處理器（DSP）用于總諧波和無功信號的提取，并傳至投切仲裁器。

充電電阻和接觸器并聯(lián)，一端通過主斷路器接入電網(wǎng)，另一端接連接電感。

連接電感連接各變流器，各變流器的直流側(cè)均并聯(lián)一個直流電容。

投切仲裁器用于產(chǎn)生控制各變流器組的PWM信號，通過驅(qū)動各變流器的IGBT產(chǎn)生諧波和無功補償電流，后經(jīng)連接電感注入電網(wǎng)，實現(xiàn)諧波補償。

所述投切仲裁器為FPGA（場效可編程邏輯閘陣列，F(xiàn)ield Programmable Gate Array）。

本發(fā)明基于多變流器組的大容量有源電力濾波器，其工作過程如下：

系統(tǒng)上電后，先閉合主斷路器，電網(wǎng)經(jīng)充電電阻和變流器組給直流側(cè)電容充電，待直流電容充電完畢后閉合接觸器，短路充電電阻，系統(tǒng)開始進(jìn)行諧波和無功的檢測和補償。

DSP根據(jù)電壓互感器采集的網(wǎng)側(cè)電壓和電流互感器采集的負(fù)載電流，通過瞬時無功功率算法實現(xiàn)諧波和無功信號的提取，投切仲裁器通過產(chǎn)生PWM信號控制各變流器，實現(xiàn)算法和時序信號相分離，提高諧波補償?shù)捻憫?yīng)速度。

投切仲裁器采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)，通過將采集各變流器的直流側(cè)電容電壓和補償電流與理論補償信號相比較形成控制用PWM信號，從而減少補償誤差。投切仲裁器還會根據(jù)各變流器組的總運行時間、補償容量大小、開關(guān)損耗等從優(yōu)選擇投切變流器組，以實現(xiàn)補償容量的動態(tài)優(yōu)化分配。

諧波檢測和逆變補償相分離，逆變補償由多變流器組組成，變流器組的數(shù)量和容量根據(jù)總補償容量確定，提高了諧波補償?shù)撵`活性。

其動態(tài)控制方法根據(jù)總補償容量、各次諧波電流、各變流器組總運行時間、補償容量以及開關(guān)損耗確定系統(tǒng)運行模式：

情況①：負(fù)載中某幾次諧波電流動態(tài)范圍超過設(shè)定閾值時，采用具有分配不同優(yōu)先級的補償方式，先根據(jù)超出閾值的各次諧波補償容量將各變流器中的某幾組單獨用于補償該類諧波電流，其具有最高優(yōu)先級。再根據(jù)剩余補償容量選擇單一變流器組補償或者多變流器同時補償，其具有較低優(yōu)先級，投切仲裁器產(chǎn)生具有不同優(yōu)先級的多組PWM信號。

情況②：各次諧波電流動態(tài)范圍未超出設(shè)定閾值且總負(fù)載容量大于最大變流器補償容量，采用多變流器組同時補償方式，且多變流器組之間優(yōu)先級相同、補償容量相同，投切仲裁器產(chǎn)生多組相同PWM控制信號。

情況③：各次諧波電流動態(tài)范圍未超出設(shè)定閾值且總負(fù)載容量小于最大變流器補償容量，根據(jù)功率模塊最小化原則，采用單一變流器組補償方式，投切仲裁器產(chǎn)生一組PWM控制信號。

本發(fā)明能夠同時實現(xiàn)高補償精度、較優(yōu)的補償利用率和較好的可靠性，且能夠適應(yīng)不同工況，自動冗余補償。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于多變流器組的大容量有源電力濾波器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明基于多變流器組的大容量有源電力濾波器中數(shù)字信號處理器和投切仲裁器工作示意框圖。

圖3為本發(fā)明基于多變流器組的大容量有源電力濾波器上電后動態(tài)控制方法流程示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明提出的基于多變流器組的大容量有源電力濾波器并聯(lián)于電網(wǎng)系統(tǒng)，它包括：

電壓互感器1、電流互感器2、數(shù)字信號處理器3、投切仲裁器9、若干變流器4、連接電感5、充電電阻6、接觸器7、主斷路器8。電壓互感器采集網(wǎng)側(cè)電壓，電流互感器采集負(fù)載電流。電壓互感器和電流互感器均連接至數(shù)字信號處理器（DSP）。數(shù)字信號處理器（DSP）用于總諧波和無功信號的提取，并傳至投切仲裁器。充電電阻6和接觸器7并聯(lián)，一端通過主斷路器（8）接入電網(wǎng)，另一端接連接電感5。連接電感5連接各變流器4，各變流器的直流側(cè)均并聯(lián)一個直流電容。采用FPGA作為投切仲裁器，用于產(chǎn)生控制各變流器的PWM信號，通過驅(qū)動各變流器的IGBT產(chǎn)生諧波和無功補償電流，后經(jīng)連接電感注入電網(wǎng)，實現(xiàn)諧波補償。

系統(tǒng)上電后，先閉合主斷路器8，電網(wǎng)經(jīng)充電電阻6和各變流器4給各直流側(cè)電容充電，待直流電容充電完畢后閉合接觸器7，短路充電電阻6，系統(tǒng)開始進(jìn)行諧波和無功的檢測和補償。

電壓互感器采集網(wǎng)側(cè)電壓，電流互感器采集負(fù)載電流，經(jīng)DSP瞬時無功功率算法后獲得總諧波和無功信號，后經(jīng)投切仲裁器產(chǎn)生用于控制不同變流器組的PWM信號，通過驅(qū)動變流器組的IGBT產(chǎn)生諧波和無功補償電流，后經(jīng)連接電感注入電網(wǎng)，實現(xiàn)諧波補償。

如圖2所示，電壓互感器采集的網(wǎng)側(cè)電壓信號和電流互感器采集的負(fù)載電流信號經(jīng)模擬信號調(diào)理電路處理后轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒〥SP采集的信號，DSP采集后提取出總諧波信號、各次諧波信號和無功信號，并將這些信號傳遞給FPGA處理模塊，F(xiàn)PGA通過采集直流母線電壓和補償電流形成閉環(huán)控制，根據(jù)各次諧波電流動態(tài)范圍和總補償容量動態(tài)生成具有不同優(yōu)先級的PWM控制信號組。

如附圖3所示，為本發(fā)明有源電力濾波器上電后動態(tài)控制方法流程示意圖。其動態(tài)控制方法根據(jù)總補償容量、各次諧波電流、各變流器組總運行時間、補償容量以及開關(guān)損耗確定系統(tǒng)運行模式：

情況①：負(fù)載中某幾次諧波電流動態(tài)范圍超過設(shè)定閾值時，采用具有分配不同優(yōu)先級的補償方式，先根據(jù)超出閾值的各次諧波補償容量將變流器組中的某幾組單獨用于補償該類諧波電流，其具有最高優(yōu)先級。再根據(jù)剩余補償容量選擇單一變流器組補償或者多變流器組同時補償，其具有較低優(yōu)先級，投切仲裁器產(chǎn)生具有不同優(yōu)先級的多組PWM信號。

情況②：各次諧波電流動態(tài)范圍未超出設(shè)定閾值且總負(fù)載容量大于最大變流器組補償容量，采用多變流器組同時補償方式，且多變流器組之間優(yōu)先級相同、補償容量相同，投切仲裁器產(chǎn)生多組相同PWM控制信號。

情況③：各次諧波電流動態(tài)范圍未超出設(shè)定閾值且總負(fù)載容量小于最大變流器組補償容量，根據(jù)功率模塊最小化原則，采用單一變流器組補償方式，投切仲裁器產(chǎn)生一組PWM控制信號。

本發(fā)明有源電力濾波器將檢測控制和功率模塊相分離，采用一個檢測控制柜與多個功率模塊相通信的方式，相比于現(xiàn)有的多機并聯(lián)模式減少了硬件數(shù)量和節(jié)省了安裝空間，其動態(tài)補償控制方法又達(dá)到了均等利用設(shè)備的目的，可以實現(xiàn)整機補償容量最優(yōu)利用。