一种积木热搭接式有源电力滤波装置制造方法
【专利摘要】一种积木热搭接式有源电力滤波装置，它包括控制器、IGBT功率模块、电抗器、接触器、电解电容器、电阻器、隔离变压器、直流电源、高频滤波器、通风散热装置、熔断器、避雷器、子断路器和连接器，该积木热搭接式有源电力滤波装置可采用热搭接方式与其它积木热搭接式有源电力滤波装置进行多个并联连接，且所有的积木热搭接式有源电力滤波装置之间通过RS485线缆相互连接。本实用新型设置在负载的三相交流电源线路中，通过总断路器与负载的三相交流电网连接，通过接入电网的电流互感器采集负载侧三相电流信号，能够对负载的供电电源进行有效滤除谐波，而且具有补偿无功功率和校正三相不平衡的功能。
【专利说明】一种积木热搭接式有源电力滤波装置
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种滤除谐波装置，具体地说是一种用于低压配电系统的积木热 搭接式有源电力滤波装置。
【背景技术】
[0002] 电能是现代社会的主要能源，在各行各业中有着广泛的应用，电能质量的优劣直 接关系到国民经济总体效益。随着电力电子装置及非线性、冲击性设备的广泛应用，它们 从电网取用非正弦电流，即使电源给这些负荷供给的是正弦波形的电压，但由于它们具有 其电流不随着电压同步变化的非线性的电压-电流特性，使得流过电网的电流是非正弦波 形的，这种电流波形是由基波与谐波组成，导致电网电压严重失真。谐波使电能的生产，传 输和利用的效率降低，同时影响各种电气设备的正常工作：谐波使电机产生附加损耗，引起 机械振动、噪声，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热，绝缘老化，使用寿命 缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放 大，造成电容器等电器设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误操作，使电能计量出 现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰，电力电子装置所 产生的谐波污染己成为阻碍电力电子技术发展的重大障碍。
[0003] 现有的抑制谐波的方式主要采用无源滤波方式，它由电力电容器、电抗器和电阻 经适当组合而成，利用电路的谐振原理，对某次谐波形成低阻通路，从而达到滤除谐波的目 的。
[0004] 上述无源滤波方式抑制谐波结构简单、效率高、投资少、运行维护方便，但它的滤 波特性依赖于电网和负载参数，电感、电容参数漂移会导致滤波特性的改变，且只能抑制固 定的几次谐波，同时它的体积大，存在过载问题，易与电网发生谐振。
[0005] 现有的有源电力滤波器通过电流互感器检测负载电流，并通过内部DSP计算，提 取出负载电流中的谐波成分，通过PWM信号发送给内部IGBT模块控制逆变器产生一个和 负载谐波电流大小相等，方向相反的谐波电流注入到电网中，达到滤波的目的，但是其容量 小，只能满足补偿电流较小时的情况。 实用新型内容
[0006] 本实用新型的目的在于提供一种用于低压配电系统的积木热搭接式有源电力滤 波装置，其设置在负载的三相交流电源线路中能够对负载的供电电源进行有效滤除谐波， 而且具有补偿无功功率和校正三相不平衡的功能。
[0007] 本实用新型解决其技术问题所采取的技术方案是：一种积木热搭接式有源电力滤 波装置，其通过总断路器与负载的三相交流电网连接，通过接入电网的电流信号检测装置 来采样负载电流并进行滤除谐波，其特征是：积木热搭接式有源电力滤波装置采用热搭接 方式与其它同样的积木热搭接式有源电力滤波装置进行多个并联连接，且所有的积木热搭 接式有源电力滤波装置之间通过RS485线缆相互连接。
[0008] 所述积木热搭接式有源电力滤波装置包括控制器、IGBT功率模块、电抗器、接触 器、电解电容器、电阻器、隔离变压器、直流电源和子断路器，所述控制器的信号输入端与电 流信号检测装置的输出端连接，信号输出端与IGBT功率模块的控制端连接，所述IGBT功率 模块通过电抗器与接触器连接，所述接触器通过子断路器与接入电网的总断路器连接，所 述电解电容器与IGBT功率模块并联连接，所述电阻器并联在接触器两端；所述隔离变压器 的输入侧通过子断路器接入电网，输出侧与直流电源的输入端连接，所述直流电源的输出 端与控制器连接；所述IGBT功率模块为两个并联连接的IGBT功率模块，所述的两个并联连 接的IGBT功率模块的控制端分别与控制器连接。
[0009] 优选地，所述电流信号检测装置包括电流互感器。
[0010] 优选地，所述控制器包括主控单元、PWM驱动电路、触摸屏和RS485接口电路，所述 主控单元采用DSP处理器，DSP处理器的信号输入端与电流信号检测装置的输出端连接，信 号输出端分别通过PWM驱动电路与所述两个并联连接的IGBT功率模块的控制端连接，所述 触摸屏和RS485接口电路分别与DSP处理器连接。
[0011] 进一步地，所述积木热搭接式有源电力滤波装置还包括设置在接触器与子断路器 之间的高频滤波器，所述高频滤波器包括3个电抗器、3个电容器和3个电阻器，所述的3个 电抗器分别串联在三相电线路中，所述的3个电阻器的一端星形连接，另一端分别经过所 述的3个电容器连接在三相电线路中3个电抗器之后。
[0012] 进一步地，所述积木热搭接式有源电力滤波装置还包括设置在通风散热无阻力通 道内的通风散热装置，所述通风散热装置的电源线通过熔断器与隔离变压器输出侧连接。
[0013] 进一步地，所述积木热搭接式有源电力滤波装置还包括避雷器，所述避雷器通过 子断路器接入电网。
[0014] 进一步地，所述积木热搭接式有源电力滤波装置还包括连接器，所述控制器通过 连接器与电流信号检测装置连接。
[0015] 本实用新型的有益效果是：
[0016] 1、本实用新型实现了对电网谐波的主动滤除，可同时滤除50次以下谐波，还可以 通过参数设置滤除固定次数的谐波。同时本实用新型集成了动态无功补偿和校正三相不平 衡功能，实现了低压电网的综合治理。
[0017] 2、本实用新型实现了有源电力滤波装置的积木式热搭接，可根据现场环境和运行 工况，灵活定制专属积木组合，并实现带电直接变更接入方式和组件扩容，维护、更换、调试 更加安全、简单、便捷。
[0018] 3、本实用新型采用积木式通风散热无阻力通道，完美解决了传统封装有源滤波装 置的散热问题，更便于装置的检修、维护和容量调配，安全性能显著提高。
[0019] 4、本实用新型采用双IGBT功率模块结构，控制器采用纹波对消技术，可有效滤除 逆变桥本身产生的高频纹波，电流跟踪速度快，纹波少，损耗低。
[0020] 5、本实用新型通过多个积木热搭接式有源电力滤波装置的并联运行，满足了各种 补偿容量的需求。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1为本实用新型的结构示意图；
[0022] 图2为本实用新型所述积木热搭接式有源电力滤波装置的结构示意图；
[0023] 图中：1负载、2电流互感器、3积木热搭接式有源电力滤波装置、301控制器、3011 主控单元、3012 PWM驱动电路、3013触摸屏、3014 RS485接口电路、302 IGBT功率模块、303 电抗器、304接触器、305电解电容器、306电阻器、307隔离变压器、308直流电源、309高频 滤波器、310通风散热装置、311熔断器、312避雷器、313子断路器、314连接器、4总断路器、 5 RS485 线缆。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。
[0025] 如图1所示，本实用新型的一种积木热搭接式有源电力滤波装置3,其通过总断路 器4与负载1的三相交流电网连接，通过接入电网的电流互感器2来采样负载电流并进行 滤除谐波；积木热搭接式有源电力滤波装置3可采用热搭接方式，与其它同样的积木热搭 接式有源电力滤波装置3进行多个并联连接，且所有的积木热搭接式有源电力滤波装置3 之间通过RS485线缆5相互连接。
[0026] 如图2所示，本实用新型所述的积木热搭接式有源电力滤波装置3包括控制器 301、IGBT功率模块302、电抗器303、接触器304、电解电容器305、电阻器306、隔离变压器 307、直流电源308、高频滤波器309、通风散热装置310、熔断器311、避雷器312、子断路器 313和连接器314,所述控制器301包括主控单元3011、PWM驱动电路3012、触摸屏3013和 RS485接口电路3014,所述主控单元3011采用DSP处理器，DSP处理器的信号输入端通过 连接器314与电流互感器2的输出端连接，信号输出端分别通过PWM驱动电路3012与所 述两个并联连接的IGBT功率模块302的控制端连接，所述触摸屏3013和RS485接口电路 3014分别与DSP处理器连接，触摸屏3013用以显示电网及装置的各类参数，如电压、电流、 谐波电流畸变率、谐波电流含量、电网电压、电流波形等等，同时用以根据配电网现状设置 相应的参数；所述两个并联连接的IGBT功率模块302分别通过电抗器303与接触器304连 接，电抗器303用以将IGBT功率模块32逆变产生的电压波形转换为电流波形；所述接触器 304通过子断路器313与接入电网的总断路器4连接，所述电解电容器305分别与两个并联 连接的IGBT功率模块302并联连接，用以储存IGBT功率模块32逆变所需的直流电能；所 述电阻器306并联在接触器304两端，用以抑制积木热搭接式有源电力滤波装置3初次送 电对电解电容器305充电时产生的冲击电流；所述隔离变压器307的输入侧通过子断路器 313接入电网，输出侧与直流电源308的输入端连接，用以为控制回路提供电源，并且起到 隔离控制回路与主电路的作用；所述直流电源308的输出端与控制器301连接用以为控制 回路提供24V直流电源；所述IGBT功率模块302为两个并联连接的IGBT功率模块，所述的 两个并联连接的IGBT功率模块302的控制端分别与控制器301连接；所述高频滤波器309 设置在接触器304与子断路器313之间，用以滤除IGBT功率模块32逆变时产生的高频纹 波；所述通风散热装置310设置在通风散热无阻力通道内，通风散热装置310的电源线通过 熔断器311与隔离变压器307输出侧连接，用以对积木热搭接式有源电力滤波装置3进行 高效散热；所述避雷器312通过子断路器313接入电网，用以对积木热搭接式有源电力滤波 装置301进行过电压保护。
[0027] 优选地，图2中的高频滤波器309包括3个电抗器、3个电容器和3个电阻器，所述 的3个电抗器分别串联在三相电线路中，所述的3个电阻器的一端星形连接，另一端分别经 过所述的3个电容器连接在三相电线路中3个电抗器之后。
[0028] 本实用新型的工作流程如下：电流互感器采集负载侧三相电流信号，并将模拟电 流信号转换为数字信号，送入DSP处理器，DSP处理器根据采集到的电流信号，产生脉宽调 制（PWM)信号，向PWM驱动电路发出驱动脉冲，PWM驱动电路驱动IGBT功率模块，生成与谐 波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，对谐波电流进行补偿和抵消，主动消除电 力谐波。
[0029] 本实用新型在滤除谐波的同时，DSP处理器可根据检测到的电流信号，确定无功补 偿需求，控制PWM驱动电路，使IGBT功率模块输出容性和感性的基波电流，实时进行无功补 偿，无功补偿的目标值可以通过触摸屏设定。积木热搭接式有源电力滤波装置有四种工作 模式可以设定，"滤波优先"、"无功优先"、"只滤谐波"、"只补无功"，根据低压配电系统的具 体情况可选择相应的工作模式。
[0030] 本实用新型还可以对配电网中的有功功率进行相间调节，从而对三相不平衡负载 进行平衡校正，该功能的投入可通过触摸屏来设定。
[0031] 本实用新型采用纹波对消技术,有两组相同的IGBT功率模块，两组相同的输出电 抗器和公共直流母线及直流电解电容器构成补偿电流发生器。两组IGBT功率模块有共同 的电流指令信号控制，且补偿电流输出段相互并联，因此两组IGBT功率模块输出的补偿 电流中对应指令信号的有效补偿电流分量相同，并联后相互叠加，输出总补偿电流为单组 IGBT功率模块输出电流的两倍；同时，通过控制两组IGBT功率模块的调制脉冲的相位，使 两组IGBT功率模块输出电流中的高频纹波分量相位交叉180°，叠加后相互抵消，总输出 电流的纹波显著降低。本实用新型使积木热搭接式有源电力滤波装置摆脱了纹波电流的制 约，可以采用更优化的输出电抗器获得更高的补偿电流跟踪速度，采用更为优化的开关频 率有效降低半导体功率器的开关损耗，提高了设备的工作效率。同时本实用新型还能显著 降低直流储能回路中的纹波电流，降低直流储能电容器的损耗和温升，提高了电解电容器 的可靠性和使用寿命。
[0032] 本实用新型可采用多个积木热搭接式有源电力滤波装置并联运行，可壁挂安装， 也可放置于配电柜内，负载电流检测信号在各个积木热搭接式有源电力滤波装置中相互串 联，使所有积木热搭接式有源电力滤波装置共享同一个负载电流检测信号。各个积木热搭 接式有源电力滤波装置之间通过485通信接口相互通信，实现了多机并联。当多机并联运 行时，积木热搭接式有源电力滤波装置采用主从控制方式，并联工作中首先启动的一个积 木热搭接式有源电力滤波装置作为主控积木热搭接式有源电力滤波装置，负责完成并联控 制功能，其它积木热搭接式有源电力滤波装置做从机。在运行过程中，主机控制各从机采用 循环运行的方式，避免某个积木热搭接式有源电力滤波装置长时间运行，提高整体的实用 寿命。当其中一个积木热搭接式有源电力滤波装置出现故障时，只要其它积木热搭接式有 源电力滤波装置正常，切换另外一个积木热搭接式有源电力滤波装置作为主机，系统即可 继续并联运行，系统的可靠性大大提高。
[0033] 当积木热搭接式有源电力滤波装置与电网连接时，连接器行程先闭合仅一半时， 限位器动作，首先完成积木热搭接式有源电力滤波装置主电路与电网的连接，再允许投入 电流互感器信号和启动机器；反之，当积木热搭接式有源电力滤波装置脱离电网时，连接器 还有仅一半闭合行程时，限位器释放，首先完成先自动切除电流互感器信号和闭锁机器启 动，再使积木热搭接式有源电力滤波装置主电路脱离电网。
[0034] 以上所述只是本实用新型的优选实施方式，对于本【技术领域】的普通技术人员来 说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被 视为本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1. 一种积木热搭接式有源电力滤波装置，其通过总断路器与负载的三相交流电网连 接，通过接入电网的电流信号检测装置来采样负载电流并进行滤除谐波，其特征是：积木热 搭接式有源电力滤波装置采用热搭接方式与其它同样的积木热搭接式有源电力滤波装置 进行多个并联连接，且所有的积木热搭接式有源电力滤波装置之间通过RS485线缆相互连 接； 所述积木热搭接式有源电力滤波装置包括控制器、IGBT功率模块、电抗器、接触器、电 解电容器、电阻器、隔离变压器、直流电源和子断路器，所述控制器的信号输入端与电流信 号检测装置的输出端连接，信号输出端与IGBT功率模块的控制端连接，所述IGBT功率模块 通过电抗器与接触器连接，所述接触器通过子断路器与接入电网的总断路器连接，所述电 解电容器与IGBT功率模块并联连接，所述电阻器并联在接触器两端；所述隔离变压器的输 入侧通过子断路器接入电网，输出侧与直流电源的输入端连接，所述直流电源的输出端与 控制器连接；所述IGBT功率模块为两个并联连接的IGBT功率模块，所述的两个并联连接的 IGBT功率模块的控制端分别与控制器连接。
2. 根据权利要求1所述的一种积木热搭接式有源电力滤波装置，其特征是：所述电流 信号检测装置包括电流互感器。
3. 根据权利要求1所述的一种积木热搭接式有源电力滤波装置，其特征是：所述控制 器包括主控单元、PWM驱动电路、触摸屏和RS485接口电路，所述主控单元采用DSP处理器， DSP处理器的信号输入端与电流信号检测装置的输出端连接，信号输出端分别通过PWM驱 动电路与所述两个并联连接的IGBT功率模块的控制端连接，所述触摸屏和RS485接口电路 分别与DSP处理器连接。
4. 根据权利要求1-3任一项所述的一种积木热搭接式有源电力滤波装置，其特征是： 所述积木热搭接式有源电力滤波装置还包括设置在接触器与子断路器之间的高频滤波器， 所述高频滤波器包括3个电抗器、3个电容器和3个电阻器，所述的3个电抗器分别串联在 三相电线路中，所述的3个电阻器的一端星形连接，另一端分别经过所述的3个电容器连接 在三相电线路中3个电抗器之后。
5. 根据权利要求1-3任一项所述的一种积木热搭接式有源电力滤波装置，其特征是： 所述积木热搭接式有源电力滤波装置还包括通风散热装置，所述通风散热装置的电源线通 过熔断器与隔离变压器输出侧连接。
6. 根据权利要求1-3任一项所述的一种积木热搭接式有源电力滤波装置，其特征是： 所述积木热搭接式有源电力滤波装置还包括避雷器，所述避雷器通过子断路器接入电网。
7. 根据权利要求1-3任一项所述的一种积木热搭接式有源电力滤波装置，其特征是： 所述积木热搭接式有源电力滤波装置还包括连接器，所述控制器通过连接器与电流信号检 测装置连接。
【文档编号】H02J3/01GK203911481SQ201420314084
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年6月13日 优先权日:2014年6月13日
【发明者】刘悦, 程新德, 杨建武 申请人:山东鲁冶瑞宝电气自动化有限公司