技术领域
[0001] 本
发明涉及电
力电子、谐波隔离，尤其是复杂背景谐波条件下的配
电网谐波隔离技术，具体涉及一种具有
低电压穿越功能的谐波隔离电源装置及控制方法。
背景技术
[0002] 随着输配电系统中各类非线性负载的日益增多，尤其是电力电子技术的飞速发展，各种功率器件、变流装置的应用在节约
能源、提高效率和人民
生活质量的同时，由于其非线性和多样性的特点，给电网注入了大量的谐波，造成某些对谐波敏感的低压用电设备损坏、故障或运行异常，在某些领域造成很大的经济损失。
[0003] 目前，削弱谐波对负荷的影响，主要有两种方法，一种是并联技术，在
输入侧采取滤波手段消除背景谐波；另一种是
串联技术，采用直流环节进行输入输出的谐波隔离。其中，并联技术的问题在于，若背景谐波电压较大，并联技术无法完全消除背景谐波对负荷的影响。采用直流环节进行隔离的方案理论上能够完全隔离输入输出的谐波，消除背景谐波对负荷的影响。但目前采用直流环节进行谐波隔离的方案存在功率因数低、控制复杂、不具备低电压穿越功能等缺点。
发明内容
[0004] 因此，本发明要解决的技术问题在于克服
现有技术中在进行谐波隔离时功率因数低、控制复杂、不具备低电压穿越功能
缺陷，从而提供一种具有低电压穿越功能的谐波隔离电源装置及控制方法。
[0005] 为此，本发明
实施例提供了如下技术方案：
[0006] 第一方面，本发明实施例提供了一种具有低电压穿越功能的谐波隔离电源装置，包括：输入交流滤波模
块、功率因数校正模块、直流
支撑模块、逆变
电路模块、输出交流滤波模块、控制电路模块，其中，输入交流滤波模块，接入到配电网中，用于滤除电网中的背景谐波及阻隔谐波隔离电源装置产生的谐波
电流注入电网；功率因数校正模块，用于将经过输入交流滤波模块的交流电整流为直流电、给所述直流支撑模块充电以及调整谐波隔离电源装置的功率因数；直流支撑模块，用于当功率因数校正模块进入限流工作模式，无法正常为直流支撑模块充电时，直流支撑模块进入放电模式，提供电流来维持稳定输出；逆变电路模块，用于将直流支撑模块的直流电逆变成交流电输出；输出交流滤波模块，用于对逆变电路模块的输出交流电进行滤波；控制电路模块，用于实现谐波隔离电源装置的控制
算法和保护逻辑。
[0007] 在一实施例中，所述功率因数校正模块在当输入电压低于预设
阈值时进入限流工作模式。
[0008] 在一实施例中，所述功率因数校正模块采用变
开关频率单周期连续控制和低电压穿越算法结合的控制策略。
[0009] 在一实施例中，所述功率因数校正模块包括：软
启动电路、不控整流电路和功率因数校正电路，其中，软启动电路，用于为直流支撑模块软启动充电；不控整流电路，用于将交流电整流为直流电；功率因数校正电路，用于调整交流侧功率因数。
[0010] 在一实施例中，所述直流支撑模块采用电容器和
电池组并联的结构。
[0011] 在一实施例中，所述逆变电路模块在当输入电压低于预设阈值且直流
母线电压大于第一预设电压值时，输出额定电压；当输入电压低于预设阈值时且
直流母线电压在第一预设电压值与第二预设电压值区间内时，输出额定电压的90％。
[0012] 在一实施例中，所述控制电路模块，包括：主
控制器、
采样调理电路、开关量输入输出
接口电路、驱动电路、
人机交互界面模块，其中，
主控制器，用于实现谐波隔离电源装置的控制算法和保护逻辑；采样调理电路，用于采集交流电压、电流和直流电压、电流，并经过滤波、调理及
模数转换后将
数字量送至主控制器；开关量输入输出接口电路，用于输入输出的开关量的电平匹配；驱动电路，用于接收并执行主控制器下发的驱动命令，完成功率因数校正电路和逆变电路模块的驱动功能，并将功率因数校正电路和逆变电路模块的状态反馈给主控制器；人机交互界面模块，用于各模块及电网状态显示、故障事件记录及将控制参数和保护参数下发给主控制器。
[0013] 第二方面，本发明实施例提供了一种具有低电压穿越功能的谐波隔离电源装置的控制方法，包括如下步骤：主控制器启动并进行自检及电网情况状态评估；当状态评估通过后，投入谐波隔离电源装置开关，进行
锁相，当状态评估不通过时，进行告警，不投入谐波隔离电源装置开关；通过软启动电路为直流支撑模块充电，当直流支撑模块充电到第三预设电压值时，退出软启动电路控制，转为变开关频率单周期连续控制，继续为直流支撑模块充电；检测到直流支撑模块充电至第四预设电压值时，启动逆变电路模块的恒压限流模式，同时检测负载侧是否存在
短路或过流；当恒压限流模式持续预设时间无故障时，逆变电路模块进入恒压源模式，谐波隔离电源装置进入正常运行模式。
[0014] 在一实施例中，控制谐波隔离电源装置实现低电压穿越，包括如下步骤：检测电网输入电压是否发生电压暂降，当发生电压暂降时投入低电压穿越程序，当未发生电压暂降时退出低电压穿越程序；当检测到发生电压暂降时且电压低于预设阈值，执行功率因数校正模块限流算法，同时发送低电压穿越使能
信号给逆变电路模块；检测直流母线电压，直流母线电压大于第一预设电压值时，逆变器电路模块输出额定电压，当直流母线电压在第一预设电压值与第二预设电压值区间内时，逆变电路模块输出额定电压的90％，当直流母线电压小于第二预设电压值时，谐波隔离电源装置退出；检测到输入电压恢复时退出低电压穿越程序，若谐波隔离电源装置退出运行，则自动执行谐波隔离电源装置启动程序，若谐波隔离电源装置未退出运行，则直接切换到正常运行模式。
[0015] 本发明技术方案，具有如下优点：
[0016] 本发明提供的一种具有低电压穿越功能的谐波隔离电源装置及控制方法具有良好的谐波隔离性能及低电压穿越功能、机动性好、谐波隔离电源装置体积重量较小、成本低、控制方法简单。
附图说明
[0017] 为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0018] 图1为本发明实施例中具有低电压穿越功能的谐波隔离电源装置的一个具体示例的结构图；
[0019] 图2为本发明实施例中具有低电压穿越功能的谐波隔离电源装置的一个具体示例的主电路结构图；
[0020] 图3为本发明实施例中控制电路模块的一个具体示例的结构图；
[0021] 图4为本发明实施例中有低电压穿越功能的谐波隔离电源装置的控制方法的一个具体示例的
流程图；
[0022] 图5为本发明实施例中有低电压穿越功能的谐波隔离电源装置的控制方法的另一个具体示例的流程图；
[0023] 图6为本发明实施例中有低电压穿越功能的谐波隔离电源装置的控制方法的再一个具体示例的流程图；
[0024] 图7为本发明实施例中锁相及低电压穿越算法的一个原理图。
具体实施方式
[0025] 下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0026] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0027] 此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
[0028] 实施例1
[0029] 本发明实施例提供了一种具有低电压穿越功能的谐波隔离电源装置，适用于复杂背景谐波条件下的配电网谐波隔离。如图1所示，该谐波隔离电源装置包括：输入交流滤波模块1、功率因数校正模块2、直流支撑模块3、逆变电路模块4、输出交流滤波模块5、控制电路模块6，其中，输入交流滤波模块1，接入到配电网中，用于滤除电网中的背景谐波及阻隔谐波隔离电源装置产生的谐波电流注入电网。
[0030] 在本发明实施例中，谐波隔离电源装置在输入开关闭合时通过输入交流滤波模块1接入到380V配电网中。如图2所示，输入交流滤波模块1采用高效低功耗EMI滤波电路，通过与大地间的耦合网络为谐波提供泄放通道，滤除电网中的背景谐波，减小对后级电路的影响，同时也防止装置产生的谐波对电网的反作用。该EMI滤波电路具有低通特性，其运行频率为0-60Hz。
[0031] 功率因数校正模块2，用于将经过输入交流滤波模块1的交流电整流为直流电、给直流支撑模块3充电以及调整谐波隔离电源装置的功率因数。在本发明实施例中，如图2所示，功率因数校正模块2将谐波隔离电源装置的功率因数调整为0.99以上。
[0032] 直流支撑模块3，用于当功率因数校正模块2进入限流工作模式，无法正常为直流支撑模块3充电时，直流支撑模块3进入放电模式，提供电流来维持稳定输出。在本发明实施例中，如图2所示，直流支撑模块3采用的是电容器和电池组并联的结构，其中电容器优选高频特性好的膜电容，电池组优选高充放电
倍率性能的
磷酸铁锂电池组。
[0033] 逆变电路模块4，用于将直流支撑模块3的直流电逆变成交流电输出。在本发明实施例中，如图2所示，逆变电路模块4采用高速IGBT构成的三相半桥逆变器，利用前馈控制策略将直流支撑模块3的直流电逆变成交流电输出。
[0034] 输出交流滤波模块5，用于对逆变电路模块4的输出交流电进行滤波。在本发明实施例中，如图2所示，输出交流滤波模块5采用高效低功耗EMI滤波电路，对逆变器的输出进行滤波，主要滤除逆变器的特征次谐波。
[0035] 控制电路模块6，用于实现谐波隔离电源装置的控制算法和保护逻辑。在本发明实施例中，控制电路模块6是基于TMS320LF28335组成的高性能DSP系统，用于实现谐波隔离电源装置的控制算法和保护逻辑。
[0036] 在一实施例中，功率因数校正模块2在当输入电压低于预设阈值时进入限流工作模式。在本发明实施例中，预设阈值优选为额定电压的65％，仅作为举例说明，不以此为限，在其他实施例中可以根据实际需求合理设置。
[0037] 在一实施例中，功率因数校正模块2采用变开关频率单周期连续控制和低电压穿越算法结合的控制策略。在本发明实施例中，功率因数校正模块2和逆变电路模块4的控制解耦，实现功率因数校正模块2和逆变电路模块4的控制独立、互不影响。
[0038] 在一实施例中，功率因数校正模块2包括：软启动电路、不控整流电路和功率因数校正电路，其中：
[0039] 软启动电路，用于为直流支撑模块3软启动充电。在本发明实施例中，软启动电路采用的是
电阻和开关配合的结构。
[0040] 不控整流电路，用于将交流电整流为直流电。在本发明实施例中，不控整流电路采用的是
碳化
硅二极管，一方面具有很高的高温
稳定性，另一方面可以有效降低功率校正电路的损耗。
[0041] 功率因数校正电路，用于调整交流侧功率因数。在本发明实施例中，功率因数校正电路为采用Boost结构有源功率因数校正电路。Boost结构有源功率因数校正电路采用高速IGBT，利用变开关频率单周期连续控
制模式，可以使功率因数校正电路一直工作在最佳运行点附近。
[0042] 在一实施例中，直流支撑模块3采用电容器和电池组并联的结构。
[0043] 在一实施例中，逆变电路模块4在当输入电压低于预设阈值且直流母线电压大于第一预设电压值时，输出额定电压；当输入电压低于预设阈值且直流母线电压在第一预设电压值与第二预设电压值区间内时，输出额定电压的90％。在本发明实施例中，预设阈值优选为额定电压的65％，第一预设电压值优选为540V，第二预设电压值优选为490V。
[0044] 在一实施例中，如图3所示，控制电路模块6，包括：主控制器61、采样调理电路62、开关量输入输出接口电路63、驱动电路64、人机交互界面模块65，其中，
[0045] 主控制器61，用于实现谐波隔离电源装置的控制算法和保护逻辑。在本发明实施例中，主控制器61芯片采用TMS320F28335浮点型DSP，实现所有的控制算法和保护逻辑，仅以此作为举例，不以此为限。
[0046] 采样调理电路62，用于采集交流电压、电流和直流电压、电流，并经过滤波、调理及模数转换后将数字量送至主控制器61。在本发明实施例中，采样调理电路62包含CT、PT和霍尔元件，利用CT、PT和霍尔元件采集交流电压、电流和直流电压、电流等。
[0047] 开关量输入输出接口电路63，用于输入输出的开关量的电平匹配。在本发明实施例中，开关量输入输出接口电路63采用继电器和电平转换芯片等方式进行输入输出的开关量的电平匹配，开关量输入输出接口电路63与主控制器61之间的接口采用总线形式。
[0048] 驱动电路64，用于接收并执行主控制器61下发的驱动命令，完成功率因数校正电路和逆变电路模块4的驱动功能，并将功率因数校正电路和逆变电路模块4的状态反馈给主控制器61。在本发明实施例中，驱动电路64接收并执行主控制器61下发的驱动命令，完成Boost结构有源功率因数校正电路和逆变电路模块4的驱动功能，将Boost结构有源功率因数校正电路和逆变电路模块4的状态反馈给主控制器61。
[0049] 人机交互界面模块65，用于各模块及电网状态显示、故障事件记录及将控制参数和保护参数下发给主控制器61。
[0050] 本发明提供的一种具有低电压穿越功能的谐波隔离电源装置具有良好的谐波隔离性能，当背景谐波
水平大于2倍的GB/T 18039.4-2003中规定的3类兼容水平时，输出的
电能可满足GB/T 18039.4-2003中规定的1类兼容水平；效率较高，额定工况下，效率不小于95％；功率因数大于0.99；具有低电压穿越功能，满足SEMI F47曲线；本发明实施例提供的谐波隔离电源装置机动性好，单位额定功率，体积重量较小、成本低。
[0051] 实施例2
[0052] 本发明实施例提供了一种具有低电压穿越功能的谐波隔离电源装置的控制方法，如图4所示，包括如下步骤：
[0053] 步骤S11：主控制器启动并进行自检及电网情况状态评估。在本发明实施例中，状态评估包括自检、电网情况评估。
[0054] 步骤S12：当状态评估通过后，投入谐波隔离电源装置开关，进行锁相，当状态评估不通过时，进行告警，不投入谐波隔离电源装置开关。在本发明实施例中，锁相是基于dq变换的开环控制快速锁相算法进行的。
[0055] 步骤S13：通过软启动电路为直流支撑模块充电，当直流支撑模块充电到第三预设电压值时，退出软启动电路控制，转为变开关频率单周期连续控制，继续为直流支撑模块充电。在本发明实施例中，第三预设电压值优选为500V，当直流母线电容充电到500V时，退出软启动电路控制，转为变开关频率单周期连续控制，继续为直流母线电容充电。
[0056] 步骤S14：检测到直流支撑模块充电至第四预设电压值时，启动逆变电路模块的恒压限流模式，同时检测负载侧是否存在短路或过流。在本发明实施例中，第四预设电压值优选为600V，当检测到直流母线电容充电到600V时，逆变器开始工作，初始工作模式为恒压限流模式，
输出电压为50Hz/380V，限流为0.5倍额定电压以内，同时检测负载侧是否存在短路或过流。
[0057] 步骤S15：当恒压限流模式持续预设时间无故障时，逆变电路模块进入恒压源模式，谐波隔离电源装置进入正常运行模式。在本发明实施例中，预设时间优选为2秒，仅此作为举例，不以此为限。
[0058] 在一具体实施中，该谐波隔离电源装置的控制方法如图6所示：
[0059] 第一步，主控制器启动并进行状态评估。
[0060] 第二步，状态评估正常，投入开关，并进行锁相；若状态评估异常，告警，退出。
[0061] 第三步，通过软启动为直流支撑模块充电，当直流母线电容充电到500V时，退出软启动控制，转为单周期连续控制，继续为直流母线电容充电。
[0062] 第四步，检测到直流母线电容充电到600V时，逆变器开始工作，同时检测负载侧是否存在故障。
[0063] 第五步，恒压限流模式持续2秒，若负载侧正常，谐波隔离电源装置进入正常运行模式；若负载侧异常，告警，退出。
[0064] 在一实施例中，控制实谐波隔离电源装置实现低电压穿越，如图5所示，包括如下步骤：
[0065] 步骤S21：检测电网输入电压是否发生电压暂降，当发生电压暂降时投入低电压穿越程序，当未发生电压暂降时退出低电压穿越程序。
[0066] 步骤S22：当检测到发生电压暂降时且电压低于预设阈值，执行功率因数校正模块限流算法，同时发送低电压穿越使能信号给逆变电路模块。
[0067] 在本发明实施例中，预设阈值优选为额定电压的65％，在执行功率因数校正模块正比例限流算法时，电压越低，电流限值越小。其中，正比例限流算法部分，如图7所示，输入为电压暂降对直流电压的影响因子，即Δv。具体实现为：(1)经过dq变换环节，将
三相电压信号转换到
角频率为θref旋转
坐标系下的dq分量。(2)
滤波器根据输入电压中的负序和谐波的大小来切换滤波方法，当负序和谐波较小时，不用滤波器；当负序较大而谐波较小时，使用延时对消法，消去dq轴电压中的倍频分量；如果谐波较大而负序较小时，采用截至频率为100Hz的二阶巴特沃斯滤波器；当谐波和负序都都比较大时，使用延时对消法和截至频率为
100Hz的二阶巴特沃斯滤波器，滤除dq轴电压的非
直流分量。(3)将直角坐标系下的dq轴分量变换成极坐标下的幅值M和幅角P；每个采样点将三相电压的幅值因数M与参考值Vref相减，差值经过PI环节，加入直流电压经过微分环节得到的值，得到Δv。(4)在正比例限流算法中，当发生电压暂降时，功率因数和直流母线电压不再是控制目标，控制目标只有Boost电路的输出电流，Δv与功率校正电路中开关频率非线性正相关，Δv与功率校正电路输出电流非线性负相关。算法的计算周期与控制器的采样周期相同。
[0068] 步骤S23：检测直流母线电压，直流母线电压大于第一预设电压值时，逆变器电路模块输出额定电压，当直流母线电压在第一预设电压值与第二预设电压值区间内时，逆变电路模块输出额定电压的90％，当直流母线电压小于第二预设电压值时，谐波隔离电源装置退出。在本发明实施例中，第一预设电压值优选为540V，第二预设电压值优选为490V。
[0069] 步骤S24：检测到输入电压恢复，退出低电压穿越程序，若谐波隔离电源装置退出运行，则自动执行谐波隔离电源装置启动程序，若谐波隔离电源装置未退出运行，则直接切换到正常运行模式。
[0070] 本发明提供的一种具有低电压穿越功能的谐波隔离电源装置的控制方法利用控制电路模块操作隔离电源装置的
软件程序，来实现谐波隔离功能，同时具有低电压穿越功能，控制过程简单，成本低。
[0071] 显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的
基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
