一種自適應式多級諧波隔離裝置的製作方法
2023-05-29 08:00:56 1
本發明涉及一種諧波治理裝置，特別涉及一種自適應式多級諧波隔離裝置。
背景技術：
隨著輸配電系統中各類非線性負載的日益增多和電力電子技術的飛速發展，各種功率器件、變流裝置的應用在節約能源、提高效率和人民生活質量的同時，由於其非線性和多樣性的特點，給電網注入了大量的諧波和無功電流，導致系統電能質量不斷惡化，造成很大的經濟損失。
配電網系統中廣泛使用的各種電力電子裝置產生的小容量諧波在配電網中的線路電感和無功補償電容器間產生的串、並聯諧振會在傳輸線上造成嚴重的諧波電壓放大，從而引起系統電能質量問題。
傳統對諧波治理的手段主要是針對耗電量較大的大型工業如電廠、化工廠等，採用濾波裝置對這些諧波源進行集中治理，一般安裝在諧波源的周圍，目的是為了降低大型工廠產生的諧波流入電網。但傳統的諧波集中治理的手段已無法解決電網背景諧波在傳輸線上傳播中產生的電壓放大問題。
在配電網中，功率因數校正電容器的安裝改變了配電網傳輸線的阻抗特性，依據傳輸線理論，分析由線路分布電感和功率因數校正電容器、分布電容的串並聯諧振，空載或輕載時，諧波會在配電網傳輸線上發生諧波放大。這是諧波在線路上發生了全反射，入射波與反射波的疊加造成的。電力系統針對這種諧波放大現象，一般將傳輸線長度限制在主要諧波波長的1/4以內，傳輸線間加入隔離裝置，保證了電力傳輸過程中不會造成諧波增殖傳播。
未解決在配電網傳輸線上中由於諧波的放大傳播放大對電網造成的電能問題問題，本發明提供一種自適應式多級諧波隔離裝置為，對背景諧波抑制起到了良好的作用。
技術實現要素：
本發明提供一種自適應式多級諧波隔離裝置，包括電源模塊、整流模塊和逆變模塊；
所述電源模塊包括自適應選擇裝置；所述自適應選擇裝置包括：電壓採集器、變壓器、施密特觸發器和單片機；
三相交流電源由所述電源模塊濾波後經所述整流模塊由PWM整流技術整流為直流電，再經所述逆變模塊逆變為四相交流電輸出。
所述電源模塊包括三相交流電源；每相交流電源依次與電抗器、EMI電源濾波器串聯；所述EMI電源濾波器包括並聯的虛擬阻尼和EMI濾波器，所述EMI電源濾波器與所述自適應選擇裝置並聯。
所述整流模塊包括三相整流橋；所述三相整流橋包括三個橋臂，每個橋臂由一個第一IGBT和一個第二IGBT串聯組成；同一橋臂中的第一IGBT的發射極與第二IGBT的集電極連接，每個IGBT的發射極與集電極之間連接一個寄生二極體；三相整流橋中的三個第一IGBT的集電極互相連接，三相整流橋中的三個第二IGBT的發射極互相連接。
所述三相整流橋3個橋臂的中點分別與三相交流電源的一相連接。
所述逆變模塊包括三相四橋臂逆變器，每條橋臂由一個第三IGBT和一個第四IGBT串聯組成，同一橋臂中的第三IGBT的發射極與第四IGBT的集電極連接，每個IGBT的發射極與集電極之間連接一個寄生二極體；三相四橋臂逆變器中的四個第三IGBT的集電極互相連接，三相四橋臂逆變器中的四個第四IGBT的發射極互相連接；四個橋臂中任意三個橋臂的中點分別依次與EMI濾波器和負載連接後接地；第四個橋臂的中點與濾波電感連接後接地。
所述整流模塊與逆變模塊間並聯有1條支路，所述支路包括2個串聯的濾波電容。
所述EMI濾波器開環傳遞函數G(s)如下所示：
其中，UO(s)：輸出電壓，Ui(s)：輸入電壓，Cx1、Cx2：差模電容，R：虛擬並聯電阻，L：電感。
根據所述自適應選擇裝置對網測輸入電壓的檢測，判斷是否進行EMI濾波器濾波，包括如下步驟：
步驟1-1：求取網側電壓波峰、波谷採樣值；
步驟1-2：判斷網側電壓波峰、波谷採樣值是否在期望電壓範圍內。
所述的步驟1-1包括：
電壓採集器對網側電壓採樣；
對採樣得到的波形進行平滑處理；
求取採樣周期內的波峰、波谷平均值並分別作為波峰、波谷採樣值。
所述步驟1-2，若網側電壓波峰、波谷採樣值在期望電壓範圍內，則進行頻率採樣測量，否則，進入EMI電源濾波器進行濾波。
所述頻率採樣測量，包括如下步驟：
步驟2-1：變壓器對網側採樣電壓進行降壓隔離；
步驟2-2：經離散器件進行穩壓處理；
步驟2-3：利用施密特觸發器將採樣的正弦波信號轉換為的方波信號；
步驟2-4：利用單片機的定時計數功能對方波信號進行定時計數，求得網側頻率值；
步驟2-5：判斷網側頻率值是否在預定的期望頻率值範圍內。
所述步驟2-5若網側頻率值在期望頻率值範圍內，則直接進入整流模塊，否則，進入EMI電源濾波模塊進行濾波直至符合期望值。
與最接近的現有技術比，本發明的技術方案具有以下優異效果為：
本發明採用先進的自動控制技術算法進行自適應式諧波治理，智能的對配電網背景諧波進行隔離，提高供電質量和供電可靠性，降低用戶投訴率；
本發明通過三進四出結構分離出的零相電壓，有助於輸出側進行三相負荷的平衡，對後級裝置起到了更好的連接作用，同時對負載的三相不平衡治理打下了堅實的基礎。後端負載存在不平衡情況可進行不平衡調節，避免用戶斷電，提高供電質量；
本發明的整個拓撲網絡分為四級對網測諧波進行控制。運用先進的EMI濾波技術，使輸出電壓波形更加穩定。
本發明採用基於IGBT的交直交結構，避免傳統半導體器件長期運行帶來的發熱問題，將大幅提高配網運行穩定性和安全性，裝置自身損耗小，接近零損耗，對環境無電磁汙染、無噪聲汙染；
本發明可適應室內、室外、壁掛、柱上等多種安裝方式。
附圖說明
附圖1：本發明一種背景諧波治理裝置的主電路拓撲結構電路圖；
附圖2：EMI濾波器單相等效電路圖；
附圖3：虛擬阻抗並聯EMI濾波器的開環傳遞函數；
附圖4：EMI電源濾波器對網測輸入電壓進行自適應式選擇濾波的流程圖；
附圖標記：Ln：濾波電感；Q1、Q3和Q5：整流橋的第一IGBT；Q2、Q4和Q6：整流橋的第二IGBT；Q21、Q23、Q25和Q27：逆變橋的第三IGBT；Q22、Q24、Q26和Q28：逆變橋的第四IGBT；C1和C2：濾波電容；Za、Zb和Zc：負載；UO(s)：輸出電壓；Ui(s)：輸入電壓；Cx1、Cx2：差模電容；Cy1、Cy2：共模電容；R；虛擬並聯電阻；L：電感。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步詳細的說明。
本專利所提出的多級諧波隔離裝置的研究，對於解決網測諧波問題有較大的突破。多級諧波隔離裝置主要由電源側、整流側和逆變側三部分組成。電源側主要解決來自交流電源端的電壓進行濾波，保證了進入主拓撲電壓的穩定；整流側採用三相全橋PWM控制，主要解決直流電壓的波動情況。逆變側則採用三線四橋臂分離零相電壓的結構，通過採用虛擬阻尼並聯EMI電源濾波的控制策略對網測諧波進行有效抑制。
虛擬阻尼並聯EMI濾波器所構成的三級濾波器能夠更加精準的抑制交流電網中的高頻幹擾對負載的影響。相比於傳統的LC濾波器，EMI濾波器可以給予高次諧波足夠的衰減，只允許用電負載正常工作頻率信號進入設備(通常為工頻信號)。所以本設計逆變側採用EMI濾波器與四相出線網絡結構相結合的濾波裝置。EMI技術更加精準、快速。由於逆變側採用四線引出式結構，相與相之間也存在著相互幹擾的問題。EMI濾波器不僅能濾除單向幹擾，也能很好地濾除雙向幹擾技術，對保護系統穩定有著至關重要的作用。
如圖1所示，本發明提供一種自適應式多級諧波隔離裝置，其特徵在於，所述裝置包括電源模塊、整流模塊和逆變模塊；
三相交流電源由所述電源模塊濾波後經所述整流模塊由PWM整流技術整流為直流電，再經所述逆變模塊逆變為四相交流電輸出。
所述電源模塊包括自適應選擇裝置；所述自適應選擇裝置包括：電壓採集器、變壓器、施密特觸發器和單片機；
所述電源模塊包括三相交流電源；每相交流電源依次與電抗器和EMI電源濾波器串聯；所述EMI電源濾波器包括並聯的虛擬阻尼和EMI濾波器，所述EMI電源濾波器與所述自適應選擇裝置並聯。
所述整流模塊包括三相整流橋；所述三相整流橋包括三個橋臂，每個橋臂由一個第一IGBT和一個第二IGBT串聯組成；同一橋臂中的第一IGBT的發射極與第二IGBT的集電極連接，每個IGBT的發射極與集電極之間連接一個寄生二極體；三相整流橋第一IGBT的集電極互相連接，三相整流橋第二IGBT的發射極互相連接。
所述三相整流橋3個橋臂的中點分別與三相交流電源的一相連接。
所述逆變模塊包括三相四橋臂逆變器，每條橋臂由一個第三IGBT和一個第四IGBT串聯組成，同一橋臂中的第三IGBT的發射極與第四IGBT的集電極連接，每個IGBT的發射極與集電極之間連接一個寄生二極體；三相四橋臂逆變器第三IGBT的集電極互相連接，三相四橋臂逆變器第四IGBT的發射極互相連接；四個橋臂中三個橋臂的中點分別依次與EMI濾波器和負載連接後接地；第四個橋臂的中點與濾波電感連接後接地。
所述整流模塊與逆變模塊間並聯有1條支路，所述支路包括2個串聯的濾波電容。
圖2所示為EMI濾波器單相等效電路；
圖3為所述EMI電源濾波器的開環傳遞函數G(s)，化簡後如下所示：
或
其中，UO(s)：輸出電壓，Ui(s)：輸入電壓，Cx1、Cx2：差模電容，Cy1、Cy：共模電容，R：虛擬並聯電阻；L：電感。
該諧波隔離裝置採用三進線四出線方式，可以通過分離零序電壓，實現零序控制，從而對三相負荷平衡進行控制。為實現對電能更加經濟有效的傳輸，對電源側EMI濾波裝置本專利採用先進的自動控制技術來對網測輸入電壓進行自適應式選擇濾波，控制框圖如圖4所示：
所述的自適應選擇裝置對網測輸入電壓進行檢測，判斷是否進行EMI濾波器濾波，包括如下步驟：
步驟1-1：求取網側電壓波峰、波谷採樣值；
步驟1-2：判斷網側電壓波峰、波谷採樣值是否在期望電壓範圍內。
所述的步驟1-1包括：
電壓採集器對網側電壓採樣；
對採樣得到的波形進行平滑處理；
求取採樣周期內的波峰、波谷平均值並分別作為波峰、波谷採樣值。
所述步驟1-2，若網側電壓波峰、波谷採樣值在期望電壓範圍內，則進行頻率採樣測量，否則，進入EMI電源濾波器進行濾波。
所述頻率採樣測量，包括如下步驟：
步驟2-1：通過變壓器對網側採樣電壓進行降壓隔離；
步驟2-2：經離散器件進行穩壓處理；
步驟2-3：利用施密特觸發器將採樣的正弦波信號轉換為的方波信號；
步驟2-4：利用單片機對方波信號進行定時計數，求得網側頻率值；
步驟2-5：判斷網側頻率值是否在預定的期望頻率值範圍內。
所述步驟2-4採用單片機的定時計數功能，對方波信號定時計數處理。
所述步驟2-5若網側頻率值在期望頻率值範圍內，則直接進入整流模塊，否則，進入EMI電源濾波模塊進行濾波直至符合期望值。
最後應當說明的是：以上實施例僅用於說明本發明的技術方案而非對其保護範圍的限制,儘管參照上述實施例對本申請進行了詳細的說明,所屬領域的普通技術人員應當理解：本領域技術人員閱讀本申請後依然可對申請的具體實施方式進行種種變更、修改或者等同替換，但這些變更、修改或者等同替換，均在申請待批的權利要求保護範圍之內。