智能有源滤波器 |
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| 申请号 | CN201710476954.3 | 申请日 | 2017-06-21 | 公开(公告)号 | CN107240919A | 公开(公告)日 | 2017-10-10 |
| 申请人 | 上海广吉电气有限公司; | 发明人 | 李树广; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种智能有源 滤波器 ，包括并网电感 变压器 、 电网 检测装置、A/D变换器、谐波/有功变换 控制器 、无功电 力 移相器 、谐波无功补偿装置、系统保护控制器、负荷检测装置，DSP处理控制器。DSP处理控制器控制谐波/有功变换控制器将谐波电力变换为有功电力，利用无功电力移相器，把电网无功电力移相转换为有功电力，由并网电感变压器把变换的有功电力回送电网，节约大量的电力 电能 ；DSP处理控制器控制谐波无功补偿控制装置，对电网谐波与无功电力进行高速高 精度 进行补偿，节能减排，消除电网干扰与冲击，提高电网与生产负荷系统的 稳定性 与安全性，提高电网 质量 。本发明可以广泛的适用于国家电网、电车 铁 路、金属 冶炼 系统、化工炼油厂等高耗能企业。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种智能有源滤波器，其特征在于：包括：并网电感变压器(2)、电网检测装置(3)、A/D变换器(4)、谐波/有功变换控制器(5)、无功电力移相器(6)、谐波无功补偿装置(7)、系统保护控制器(8)、负荷检测装置(9)、DSP处理控制器(10)；其中： |
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| 说明书全文 | 智能有源滤波器技术领域背景技术[0002] 随着世界能源危机的发展，发明新的能源是世界科学重要命题，同时节约现有能源是科学界当前重要的研究课题。因为发明新能源尚需时日，而节约现有能源却是目前世界当务之急。目前电车与金属冶炼是世界耗电量最大与对环境污染最重，产生大量的高次谐波与无功电力对电网造成极大的干扰与危害；对电网造成极大的冲击与波动，严重的影响电网的安全性与供电质量。 [0004] 经对现有技术的文献检索发现，申请号为201220183143,该专利，公开了一种电力有源滤波器，其包括：根据实测负载电流波形的分析结果，控制补偿电路对谐波电流成分反向补偿，通过IGBT逆变器，将反向电流注入供电系统中；实现滤除谐波功能。但该方式补偿精度低，耐压低，容量小，可靠性差。 [0005] 检索中还发现，申请号为201020254744的实用新型专利，提出一种混合型有源滤波器。该滤波器包括一次系统部分和二次系统部分，所述一次系统部分包括串联的有源与无源滤波器，但不能承受电网交流电源的基波电压，装置容量小，不能适用高电压大容量电力系统。 [0006] 本申请人申请的中国专利CN201310492608.6，公开了一种有源电网高次谐波与无功电力补偿节能装置，主要针对电网普遍负荷共同特点所产生的高次谐波与无功电力进行电网谐波与无功电力节能补偿装置。 发明内容[0007] 针对现有技术中的缺陷，本发明在现有技术的基础上进行改进，提供一种智能有源滤波器，综合通信系统，电子控制系统，电网与电力系统的高速高精度智能控制，在应对各种控制方式选择与故障处理方式的选择具有高度的智能决断能力，并在提高计算处理速度与功能，增加多个专用功能的智能处理计算模块，以提高DSP处理控制器的智能决断能力与速度，提高智能有源滤波器性能与对工况环境的高度适应能力。 [0008] 为实现上述目的，本发明所述智能有源滤波器，包括：并网智能电感变压器、电网检测装置、A/D变换器、谐波/有功变换控制器、无功电力移相器、谐波无功补偿装置、系统保护变换器、负荷检测装置，DSP处理控制器；其中： [0010] 负荷检测装置，用于检测负荷生产系统的电压电流与运行状态检测，并将负载高压电压电流转换成低压模拟信号，输入到A/D变换器； [0011] A/D变换器，将电网检测装置、负荷检测装置的电网和负载的低压模拟信号变换为数字信号，输入到DSP处理控制器； [0012] DSP处理控制器，对电网信号与系统运行状态进行监控，根据上述检测的电网和负载的信号，计算出各次谐波与无功电力频率、相位与幅值，以及谐波/有功变换控制器、无功电力移相器、谐波无功补偿装置、系统保护控制器的控制指令： [0013] DSP处理控制器通过控制指令控制谐波/有功变换控制器将电网谐波电力转换为有功电力，由并网电感变压器将有功电力回送电网或供电变压器，节约大量的电力电能； [0014] DSP处理控制器通过控制指令控制无功电力移相器将电网与负载产生的无功电力移相为有功电力，由并网电感变压器回送电网，节约大量的电力电能； [0015] DSP处理控制器控制谐波无功补偿装置对电网谐波与无功电力进行高速高精度补偿，节能减排，消除电网干扰与冲击，提高电网稳定性与安全性，提高电网质量； [0016] DSP处理控制器通过控制指令控制系统保护控制器，在电网或负荷发生异常时，切断电网与负荷的连接，对电网与生产负荷系统、智能有源滤波器起到隔离与保护作用。 [0017] 本发明所述滤波器将电网谐波与无功电力转换为有功电力回送电网，节约大量的电力；同时利用高速DSP控制谐波无功补偿装置与SPWM逆变器产生谐波无功补偿电压，对电网与生产负荷系统产生的谐波与无功电力进行高速高精度补偿，消除电力系统干扰与波动，提高电网质量，提高电力系统与冶炼系统的稳定性与安全性，具有巨大的节能减排效果，补偿精度高，提高电网与生产负荷系统的稳定性与安全性。 [0018] 优选地，所述DSP处理控制器包含：DSP信号处理器、DSP-FFT处理器、DSP控制指令运算器和DSP系统保护指令运算器，其中： [0019] DSP信号处理器用于系统监控、检测，以及显示与通信控制； [0020] DSP-FFT处理器，计算出电网与生产负荷系统电压电流与各次谐波与无功电力的幅值与相位； [0021] DSP控制指令运算器用于谐波/有功变换控制器、无功电力移相器、谐波无功补偿装置与系统保护控制器的控制指令参数计算；DSP控制指令运算器控制并网电感变压器，将谐波/有功变换控制器产生的有功电力、谐波无功补偿装置产生的补偿电压送入电网； [0022] DSP系统保护指令运算器，根据电网检测装置与A/D变换器所检测电网与供电变压器的运行状态与电压电流数据，DSP系统保护指令运算器，根据系统保护控制器的驱动结构特点与操作规程，根据系统在发生过电压、过电流、超温度的容限值，计算出系统保护控制器的控制指令。 [0023] 更优选地，所述DSP-FFT处理器，计算出电网与生产负荷系统电压电流的各次谐波与无功电力的频率、幅值与相位，以此数据由DSP控制指令运算器计算出谐波无功补偿装置与系统保护控制器的控制指令参数，控制谐波/有功变换控制器把电网谐波变换为有功电力回送电网。 [0024] 更优选地，所述DSP控制指令运算器，根据DSP-FFT处理器，计算出电网与生产负荷系统电压电流的各次谐波与无功电力的频率、幅值与相位；结合谐波无功补偿装置的特性计算出谐波无功补偿装置控制参数与指令，产生谐波补偿电压。 [0025] 更优选地，所述DSP系统保护指令运算器：当系统出现过电压，过电流，过温度等故障时，系统保护控制器的控制指令参数，DSP系统保护指令运算器根据故障处理规程操作系统保护控制器，或调配负荷配置，或切断负载隔离开关，并同时进行报警与利用通信报警装置通知相关部门。 [0026] 优选地，所述并网电感变压器包括隔离开关、可调电感绕组、电感控制绕组、电能回送绕组、高压电容C1、谐振无功补偿绕组以及变压并网绕组，其中：隔离开关用于将整个智能有源滤波器并入电网或切离电网；电感控制绕组由谐波无功补偿装置进行控制，电感控制绕组调节控制可调电感绕组的电感量，使可调电感绕组电感值与高压电容C1连接构成LC谐振电路，各次谐波全部流入谐波/有功变换控制器，DSP处理控制器控制谐波/有功变换控制器将电网谐波转换为与电网同频率同相位的有功电力，经由电能回送绕组与变压并网绕组变为有功电力回送电网；谐波无功补偿装置输出的谐波补偿电压送谐振无功补偿绕组，经谐振无功补偿绕组滤波后，由变压并网绕组升压后送入电网。 [0027] 优选地，所述DSP处理控制器通过电网检测装置与负荷检测装置对电网与生产负荷系统实时检测与监控，当电网出现异常与故障时，DSP处理控制器控制系统保护控制器，切离并网电感变压器与负载系统隔离开关；当发生故障时，DSP处理控制器控制系统保护控制器切除并网电感变压器，使本发明智能有源滤波器切离电网；当生产负荷系统发生故障时，DSP处理控制器控制系统保护变换器驱动生产负载系统高压隔离开关，将生产负荷系统切离电网，同时由通信报警装置发出报警信号或控制信号。 [0028] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果： [0029] 本发明针对国家电网，电车铁路，钢铁铝等金属冶炼系统的瞬时多变特性所产生的高次谐波与无功电力，利用高速DSP处理控制器控制电力变换器，把谐波与无功电力转换为有功电力回送电网，提高功率因数，具有巨大的节能效果，同时对电力系统残余谐波与无功电力进行高速高精度补偿，消除电网干扰与波动，节能减排，提高电网质量，提高电网与生产负荷系统的稳定性与安全性，提高产品质量，降低生产成本，具有巨大经济效益与社会效益。附图说明 [0030] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显： [0031] 图1为本发明一实施例的系统结构框图； [0032] 图2为本发明一实施例的并网电感变压器结构图； [0033] 图3是本发明一实施例的系统功能结构图； [0034] 图4是谐波/有功变换控制器结构框图； [0035] 图5是DSP处理控制器的结构原理图； [0036] 图中：1为供电变压器，2为并网电感变压器，3为电网检测装置，4为A/D变换器，5为谐波/有功变换控制器，6为无功电力移相器，7为谐波无功补偿装置，8为系统保护控制器、9为负荷检测装置，10为DSP处理控制器，11为通信报警装置； [0037] 2-0为隔离开关，2-1为可调电感绕组，2-2为电感控制绕组，2-3为电能回送绕组，2-4为谐波无功补偿绕组，2-5为变压并网绕组，C1为高压电容，5-1为电感调节控制器，5-2为PWM变换器，6为无功电力移相器，7为谐波无功补偿装置；10-1为DSP信号处理器，10-2为DSP-FFT处理器，10-3为DSP控制指令运算器，10-4为DSP系统保护指令运算器。 具体实施方式[0038] 下面结合具体实施例对本发明进行说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。 [0039] 本发明提供一种智能有源滤波器，对电网与电车铁路和金属冶炼等系统产生的谐波与无功电力变换为有功电力回送电网，节约大量的电力，同时针对谐波与无功电力进行高速高精度补偿，消除电网干扰与波动，提高电网稳定性和安全性，节能减排，提高电网质量，节约大量的电能，降低变压器与电气设备损耗与增加使用寿命。 [0040] 如图1所示，为本发明一实施例中智能有源滤波器的结构框图，包括：并网电感变压器2、电网检测装置3、A/D变换器4、谐波/有功变换控制器5、无功电力移相器6、谐波无功补偿装置7、系统保护控制器8、负荷检测装置9，DSP处理控制器10；其中： [0041] 电网检测装置3，用于检测电网与供电变压器1的电压电流及电网运行状态，把电网电压电流转换成低压模拟信号输入到A/D变换器4，变换为数字信号送DSP处理控制器10； [0042] 负荷检测装置9，用于检测负荷生产系统(图1中负荷)的电压电流与运行状态检测，并将负荷电压电流转换成低压模拟信号，输入到A/D变换器4； [0043] A/D变换器4，将电网检测装置3、负荷检测装置9的电网与负荷电压电流信号变换为数字信号，输入到DSP处理控制器10； [0044] DSP处理控制器10控制功能与结构如图3所示，其中PWM变换器5-2为谐波/有功变换控制器的一部分，对电网和负荷信号与运行状态进行监控分析，根据上述检测的电网和负荷的信号，计算出各次谐波与无功电力的频率、相位与幅值，以及谐波/有功变换控制器5、无功电力移相器6、谐波无功补偿装置7、系统保护控制器8的控制指令，控制并网电感变压器2，调节控制并网电感变压器2中可调电感绕组2-1始终工作在最佳谐振状态，使各次谐波吸收电路阻抗为零，使电网与生产负荷所产生谐波全部流入谐波/有功变换控制器5的整流器。 [0045] 如图4所示，DSP处理控制器10通过控制指令控制谐波/有功变换控制器5与PWM变换器5-2将电网谐波电力转换为有功电力，由并网电感变压器2将有功电力回送电网或供电变压器1，节约大量的电力电能； [0046] DSP处理控制器10通过控制指令控制无功电力移相器6将电网与负荷产生的无功电力移相为有功电力，由并网电感变压器2回送电网，节约大量的电力电能； [0047] DSP处理控制器10通过控制指令控制谐波无功补偿装置7对电网谐波与无功电力进行高速高精度补偿，节能减排，消除电网干扰与冲击，提高电网稳定性与安全性，提高电网质量； [0048] DSP处理控制器10通过控制指令控制系统保护控制器8，在电网或负荷发生异常时，切断电网与负荷的连接。 [0049] 进一步的，在部分实施例中，本发明系统还设置通信报警装置11，用于系统监控和与相关部门的信息通讯和报警。 [0050] 在实施例中，所述DSP处理控制器10的功能结构如图5所示，包含：DSP信号处理器10-1、DSP-FFT处理器10-2、DSP控制指令运算器10-3和DSP-SP系统保护指令运算器10-4，其中： [0052] DSP-FFT处理器10-2，计算出电网与生产负荷系统电压电流与各次谐波与无功电力的频率、幅值与相位； [0053] DSP控制指令运算器10-3计算出各补偿控制器与系统保护控制器8的控制指令参数；控制谐波/有功变换控制器5把电网高次谐波变换为有功电力回送电网； [0054] DSP系统保护指令运算器10-4，根据电网检测装置3与A/D变换器4所检测电网与供电变压器1的运行状态与电压电流数据，DSP系统保护指令运算器10-4，根据系统保护控制器8的驱动结构特点与操作规程，根据系统在发生过电压、过电流、超温度的容限值，计算出系统保护控制器8的控制指令，其目的是当电网、生产系统或智能有源滤波器在发生过电压、过电流、超温度或等事故时，DSP系统保护指令运算器10-4对事故进行鉴别分类，并根据规程对系统保护控制器8发出控制指令，驱动高压隔离开关，或调节负荷匹配，或切断电网与负荷的连接，或把智能有源滤波器切离电网和变压器，同时报警通信装置进行报警和通知相关部门。 [0055] 具体的，DSP控制指令运算器10-3用于谐波/有功变换控制器5、无功电力移相器6、谐波无功补偿装置7与系统保护控制器8的控制指令参数计算；DSP控制指令运算器10-3控制并网电感变压器2，通过并网电感变压器2将谐波/有功变换控制器5电网谐波变换为有功电力，将谐波无功补偿装置7产生的补偿电压送入电网； [0056] 具体的，DSP控制指令运算器10-3，根据DSP-FFT处理器10-2计算出电网与生产负荷系统电压电流的各次谐波与无功电力的幅值与相位，结合谐波无功补偿装置7的特性计算出谐波无功补偿装置7控制参数与指令，产生各次谐波补偿电压，由并网电感变压器2回送电网。 [0057] 本发明由DSP信号处理器10对电网数字信号与电网与负荷系统运行状态进行监控分析与显示，由DSP-FFT处理器10-1计算出电网与生产负荷系统电压电流与各次谐波与无功电力的频率幅值与相位，计算出各补偿控制器的参数与控制指令，由DSP-SP控制指令运算器10-3计算出系统保护控制器8的控制指令参数。 [0058] 作为一个优选实施方式，如图2所示，所述并网电感变压器2，包括隔离开关2-0、高压谐振可调电感绕组2-1、电感控制绕组2-2、高压电容C1、电能回送电感绕组2-3、谐振无功补偿绕组2-4以及变压绕组2-5；如图4所示，谐波/有功变换控制器5的组成，其中电感调节控制器5-1、PWM变换器5-2为谐波/有功变换控制器5的组成部件； [0059] 电网数字信号输入到DSP信号处理器10-1，计算出各次谐波与无功电力频率、幅值与相位，计算出各控制器的控制指令；由DSP处理控制器10控制电感控制绕组2-2，由电感控制绕组2-2对可调电感绕组2-1的各次电感参数进行调节，使可调电感绕组2-1与高压电容C1连接构成LC谐振电路，从而使并网电感变压器2的可调电感绕组2-1的各次谐振电感L始终工作在最佳高压谐振状态，使各次谐波支路的阻抗为零，使电网与生产负荷所产生谐波全部流入谐波/有功变换控制器5，把电网高次谐波电力转换为有功电力，由并网电感变压器2的变压并网绕组2-5回送电网，节约大量的电力电能。谐波无功补偿装置7输出的谐波补偿电压送谐振无功补偿绕组2-4，经谐振无功补偿绕组2-4滤波后与由变压并网绕组2-5升压后送入电网。 [0060] 并网电感变压器2的具体工作包括： [0061] 1.隔离开关2-0将整个智能有源滤波器并入电网或切离电网； [0062] 2.高压电感绕组2-1与高压电容器C1连接构成LC谐振电路，使谐振电路对谐波的阻抗为零，使谐波全部流入谐波/有功变换控制器5转换为有功电力； [0063] 3.由电感控制绕组2-2调节控制可调电感绕组2-1的电感量，使可调电感绕组2-1与高压电容C1构成的LC谐振电路始终工作在谐振状态。 [0064] 4.由谐波/有功变换控制器5转换为有功电力，经由电能回送绕组2-3与变压并网绕组2-5变为高压有功电力回送电网。 [0065] 5.谐波无功补偿装置7产生的补偿电压，由谐振无功补偿绕组2-4送变压并网绕组2-5送入电网。 [0066] 所述隔离开关2-0，由DSP处理控制器10控制，在电网与负荷系统或智能有源滤波器出现异常时，瞬时断开高压隔离开关2-0，切离电网与负荷生产系统或本发明智能有源滤波器，起到隔离保护作用。 [0067] 在一实施例中，所述电网检测装置3包含电网电压检测装置3-1与电流变换传感器3-2，分别把电网电压电流运行状态转换成低压模拟信号输入A/D变换器4，由A/D变换器4转换成数字信号输入DSP处理控制器10。 [0068] 当电网或负载生产系统或补偿系统出现过电压、过电流、过高温和过负荷时等故障时，由DSP处理控制器10控制系统保护控制器8，根据电网和负载生产系统要求与操作规则，调整负荷与减轻负荷配置，同时由通信报警装置11向相关部门与装置发出报警信号。 [0069] 如图3所示，本发明上述的系统中，由电网检测装置3与负荷检测装置9构成系统检测装置，当电网或负荷出现短路、过电压、过电流、或出现故障，由DSP处理控制器10控制系统保护控制器8控制驱动隔离开关2-0，把智能有源滤波器切离电网；同样当智能有源滤波器出现故障时，由系统保护控制器8驱动并网电感变压器2的隔离开关2-0，把智能有源滤波器即时切离电网，同时由通信报警装置11向相关部门与装置发出报警信号，避免电网与智能有源滤波器相互影响。智能有源滤波器当故障排除或过电压过电流恢复正常范围时，DSP处理控制器10可控制系统保护控制器8根据电网回复条件与规程，驱动隔离开关2-0合闸，使智能有源滤波器自动并网运行，也可手动恢复隔离开关2-0合闸并网运行。 [0070] 本发明利用网络谐振控制原理与智能控制理论，提出一种智能有源滤波器，可以应用于电车铁路，钢铁冶炼，电解铝与氧化铝等的金属冶炼领域。本发明针对特殊工况所产生的浪涌电压与冲击电流进行抑制，对电网与金属冶炼系统所产生的高次谐波和无功电力进行高精度补偿，并把高次谐波电力与无功电力转换成有功电力回送电网，有效的抑制电力系统浪涌电压与电流对电力系统的冲击，提高变压器的绝缘强度与电力设备使用寿命，增加电网的稳定性和安全性，提高电网质量，节能减排，节约大量的电力与电能。 [0071] 本发明的系统结构合理、运行性能稳定，补偿精度高，速度快，节能效率高，输出电压高功率大，可以用于220KV以下的各类电网与各类金属冶炼系统，便于组装维护，从而克服了现有技术中的不足，并具有以下特点： [0072] 1.本发明利用DSP处理控制器10控制DSP-FFT处理器10-2控制计算出各次谐波与无功电力频率幅值与相位，计算出各控制器的控制指令； [0073] 2.本发明利用DSP处理控制器10控制谐波/有功变换控制器5，把电网高次谐波电力转换为有功电力，由并网电感变压器2回送电网，节约大量的电力电能； [0074] 3.利用DSP处理控制器10控制无功电力移相器6把电网无功电力移相为有功电力，由并网电感变压器2回送电网，节约大量的电力电能； [0075] 4.同时利用DSP处理控制器10控制谐波无功补偿装置7，对电网谐波无功电力进行高速高精度补偿，消除电网干扰与冲击，提高电网稳定性与安全性，提高电网质量。节能减排，节约大量电力电能，具有巨大经济效益与社会效益。 [0076] 5.同时利用DSP处理控制器10对电网与负荷系统进行检测与故障分析。控制驱动系统保护控制器8，对电网与生产系统负载过电压、过电流、过负载、短路雷击等故障进行瞬时切离与保护，或根据过负荷调整规程，对系统负荷进行调整与匹配。 [0077] 6.本发明与现有各种补偿装置与滤波器相比：现有各种LC滤波器与SVC与SVG对电网冲击大，易于产生共振，易爆易损坏，体积大耗电量大。 [0078] 本发明动态特性好，补偿精度高，节约大量电力电能，提高电力系统的稳定性与安全性。在同样补偿容量时，体积仅是LC滤波器与SVC与SVG体积五分之一。 |
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