多机全补偿与分次补偿组合式完全有源型谐波治理装置

摘要

本发明公开了一种多机全补偿与分次补偿组合式完全有源型谐波治理装置，其中全补偿单元用于补偿高频段谐波，包括低频段功率单元注入电网的高频纹波电流；分次补偿单元用于补偿指定低频段谐波。相同频段补偿组功率单元多重化运行，提高了谐波补偿精度。由于功率单元开关频率与补偿容量成反比，通过该补偿方案，可以实现有限的功率单元补偿容量的最大化。本发明在网侧和负载侧都进行电流检测，主控制器负责补偿指令电流运算、分配，各从控制器负责对应功率单元补偿电流闭环控制。本发明不但能够对指定次、高次谐波进行补偿，同时还具有快速响应性能及较高的补偿精度，具有很好的可行性和实用价值。

说明书

技术领域

本发明属于电力电子应用的技术领域，具体涉及一种多机全补偿与分次补偿 组合式完全有源型谐波治理装置。

背景技术

电力电子装置的广泛应用使得电网的谐波含量在不断上升，而谐波对于电力 系统的运行存在以下危害：①增加输电线路损耗②消耗无功储备③使电能测量产 生较大误差④影响功率处理器的正常运行⑤造成自动控制和保护装置工作紊乱， 可靠性下降等。目前抑制谐波的方法主要为利用无源滤波器(PF)和有源滤波器 (APF)，以及基于这两种方法的混合型滤波方法。当需要补偿的谐波电流较大时， 无源滤波器体积和重量会很大，所以不适合单独使用。瞬时无功功率理论的发展 以及基于该理论的谐波电流瞬时检测方法的提出，大大促进了有源滤波器的发 展。有源滤波器通过向电网注入同幅值、反相位的补偿电流，从而使得电网侧电 压电流波形呈近似标准的正弦波。针对APF所应用的不同场合(如功率不同)， 需要采用不同的补偿方法。对于低功率的工业应用场合，可以采用单独的变流器 进行谐波补偿，其耐压能力和负载电流可以通过半导体开关的串联或并联实现； 对于大功率应用场合，考虑到半导体开关技术水平的限制以及串并联开关器件所 带来的一系列问题，无法用单独的变流器同时达到较高的额定功率以及较高的开 关频率。针对大功率工业应用中不能使用单独变流器进行谐波补偿的问题，目前 可以采用如下两种方案——多机全补偿、多机全补偿+无源滤波器。第一种方案 基于平均功率分割方法，即把滤波任务平均分配给N个功率单元，各个模块的结 构相同，其额定功率取决于总电流畸变的峰值，该方案的优点是：可以对谐波电 流进行全补偿，补偿电流频谱范围宽；各个模块相同，从而使得维修较为方便； 随着串并联模块的增加，总的开关损耗会逐渐降低。但是，在补偿高次谐波时， 开关频率将会很高，导致补偿容量受到限制，不适合应用于大电流场合。第二种 方案将多机全补偿与无源滤波器结合，由于低压侧电流较大，其谐波电流也相应 较大，使得无源滤波器的体积和重量都会很大，同样也不适合应用于大电流场合。

发明内容

发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种多机 全补偿与分次补偿组合式完全有源型谐波治理装置，可以有效抑制电网谐波，改 善电网质量。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种多机全补偿 与分次补偿组合式完全有源型谐波治理装置，包括主控制器、多机全补偿单元和 多机分次补偿单元、第一电流传感器、第二电流传感器和第一电压传感器，所述 多机全补偿单元包括若干多机全补偿组，所述多机分次补偿单元包括若干多机分 次补偿组，多机全补偿组和多机分次补偿组分别包括若干功率单元，所述功率单 元包括三相电压型PWM变流器和从控制器，所述第一电流传感器采集电网侧的 电流信号并输入所述主控制器，所述第二电流传感器采集负载侧的电流信号并输 入所述主控制器，所述第一电压传感器采集电网侧的电压信号并输入所述主控制 器，所述主控制器根据电网侧的电流和电压信号以及负载侧的电流信号形成补偿 指令电流和同步信号，输入所述从控制器，从控制器根据所述补偿指令电流和同 步信号形成控制所述三相电压型PWM变流器的PWM信号，所述三相电压型PWM 变流器输出谐波补偿电流到电网。

所述主控制器可包括低频段谐波分次检测模块、高频段谐波闭环分次检测模 块、补偿指令电流生成和分配模块和功率单元时基同步模块；所述低频段谐波分 次检测模块用于处理负载侧电流，生成用于补偿低频段谐波的补偿电流信号；所 述电网侧电流与负载侧电流通过高频段谐波闭环分次检测模块，通过闭环控制， 从而生成补偿高频段谐波的补偿电流以及消除低频开关器件注入电网的高频纹 波电流；所述补偿指令电流生成和分配模块用于接收第一电流传感器和第二电流 传感器的电流信号，从而生成各功率单元的补偿指令电流，分配给各个功率单元； 所述功率单元时基同步模块用于向各功率单元发送同步信号，协调各功率单元同 步运行，实现补偿单元的多重化，减小输出补偿电流的纹波。

所述第一电压传感器可采集电网侧的电压信号并输入所述从控制器，还包括 第二电压传感器和第三电流传感器，所述第二电压传感器采集所述三相电压型 PWM变流器的直流母线电压并输入所述从控制器，所述第三电流传感器采集三 相电压型PWM变流器的桥臂电流信号并输入所述从控制器。

所述从控制器可包括直流母线电压闭环控制模块、补偿电流闭环控制模块、 时基同步模块和混合PWM调制模块；所述直流母线电压闭环控制模块用于稳定直 流侧电容电压；所述补偿电流闭环控制模块用于接收主控制器的补偿指令电流， 并与桥臂电流作比较；所述时基同步模块用于接收主控制器的同步信号；所述混 合PWM调制模块用于控制三相电压型PWM变流器生成补偿电流。从控制器接收 来自主控制器的补偿指令电流和同步信号，通过采集变流器的桥臂电流、网侧电 压和直流母线电压，控制三相电压型PWM变流器发出给定补偿电流。

所述多机全补偿组可用于补偿高次谐波以及限制低频段开关器件注入电网 的高频纹波电流。

所述多机分次补偿组可用于补偿指定低频段谐波电流。

所述多机全补偿单元，由结构相同的功率单元组成，由第一电流传感器检测 得到的网侧电流信号经过主控制器处理后形成补偿指令电流及同步信号通过光 纤通讯送入从控制器，从控制器根据补偿指令电流及同步信号形成用于控制各三 相电压型PWM变流器的PWM信号，从而使各三相电压型PWM变流器输出谐波 补偿电流。

所述多机分次补偿单元，由第二电流传感器检测得到的负载侧电流信号经过 主控制器处理后形成补偿指令电流及同步信号通过光纤通讯送入从控制器，从控 制器根据该信号形成用于控制各三相电压型PWM变流器的PWM信号，从而使各 三相电压型PWM变流器输出指定低频段谐波补偿电流。

有益效果：(1)采用多机全补偿与分次补偿组合式谐波治理方法，补偿后的 网侧电流畸变比单独采用其中一种方式的电流畸变更小。

(2)多机分次补偿单元可以实现对特定频段谐波电流进行补偿，且补偿精 度和响应速度将大大提高。

(3)多机全补偿单元对于高次谐波有很好的补偿效果，并且可以有效限制 低频段开关器件注入电网的高频纹波电流。

(4)由于采用了多机全补偿单元，补偿电流频谱范围变宽，可以对各次谐 波进行补偿，减小了分次补偿单元的补偿容量。

(5)分次补偿单元中各次补偿组的开关频率与补偿电流的频段成正比例关 系，这样IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管) 的实际使用容量可以得到充分利用，不需要无源滤波器。

(6)采用多重化技术，可以有效抑制输出补偿电流的纹波。

附图说明

图1是多机全补偿与分次补偿组合式完全有源型谐波治理装置整体结构框 图；

图2是功率单元结构框图；

图3是主控制器模块框图；

图4是多机全补偿与分次补偿组合式方案仿真结果图；

图5是多机全补偿与分次补偿组合式方案FFT仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于 说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员 对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，多机全补偿组1～多机全补偿组n用于补偿高次谐波以及限制 低频段开关器件注入电网的高频纹波电流；多机分次补偿组1～多机分次补偿组 n用于补偿指定频段谐波电流。如图1所示，在网侧和负载侧都通过电流传感器 (图中未示出)进行电流检测，检测信号通过主控制器形成补偿指令电流和同步 信号，通过光纤通讯提供给多机全补偿单元和分次补偿单元，从控制器根据补偿 指令电流和同步信号形成控制各三相电压型PWM变流器的PWM信号分配给各个 三相电压型PWM变流器，从而输出谐波补偿电流到电网。

功率单元结构如图2所示。从控制器由直流母线电压闭环控制模块、补偿电 流闭环控制模块、时基同步模块和混合PWM调制模块组成。从控制器接收来自主 控制器的补偿指令电流和同步信号，通过采集三相电压型PWM变流器的桥臂电 流、网侧电压和直流母线电压，形成PWM信号，控制三相电压型PWM变流器 发出给定补偿指令电流，通过并网连接电路输送到电网。其中，时基同步模块用 于接收由主控制器发送的同步信号。

主控制器模块框图如图3所示。主控制器由低频段谐波分次检测模块、高频 段谐波闭环分次检测模块、补偿指令电流生成和分配模块、功率单元时基同步模 块组成。主控制器通过采集网侧和负载侧电流以及网侧电压，生成各功率单元补 偿指令电流，通过光纤通讯下发至各功率单元。

多机全补偿与分次补偿组合式方案仿真结果如图4、图5所示。图4中，由 上向下分别为①补偿后电流②补偿前电流③5、7次谐波补偿电流④11、13次谐 波补偿电流⑤高次谐波补偿电流。图5为图4中各个电流的FFT仿真结果。

多机全补偿与分次补偿组合式方案仿真结果如表1。i_sa表示补偿后相电流 大小，THD表示总谐波失真，表中列举了补偿后基波以及谐波含量大小。从表 中可以看出，补偿后谐波含量很小，即THD很小。

表1

  次数   i_sa(A)   次数   i_sa(A)   基波   9265.47   13   65.0736   5   143.658   17   58.8853   7   109.065   19   61.8706   11   73.4732   THD   2.4％