一种三电平逆变器谐波补偿装置制造方法
【专利摘要】本实用新型的三电平逆变器谐波补偿装置，包括主控模块，中点钳位三电平拓扑模块；主控模块包括第一处理器，第二处理器，第三处理器，可编程逻辑器件，输出电流iS检测电路，负载电流iL检测电路，IGBT驱动电路，电源变换电路。主控模块实时监测母线电容电压，输出电压，输出电流和负载电流，根据监测的数据进行主动式无级补偿，补偿了系统负序分量，改善了三相不平衡，避免零序谐波在中线上的电流迭加。
【专利说明】一种三电平逆变器谐波补偿装置
【【技术领域】】
[0001 ] 本专利涉及电力设备领域，具体涉及输配电【技术领域】中，用中点钳位三电平的拓扑结构构成的逆变器谐波补偿装置。
【【背景技术】】
[0002]电力电子技术带来方便，高效的巨大利益的同时，它的非线性、冲击性和不平衡用电特性，也给公用电网的供电质量造成严重污染，对公用电网注入大量的谐波和无功功率。另一方面，随着以计算机为代表的大量敏感设备的普及应用，人们对公用电网的供电质量要求越来越高，对电网中的谐波含量及用电设备的功率因数提出了更严格的要求。
[0003]电能质量问题会产生诸多危害，诸如导致设备工作异常、产生废品、计算机复位，数据丢失，设备能效降低，寿命缩短、过热，烧毁，电容器击穿损坏、功率因数下降、设备容量下降，电力损耗增加，付出更多电费等。
【
【发明内容】
】
[0004]有鉴于此，本专利提供一种三电平逆变器谐波补偿装置。
[0005]本专利采用如下技术方案，构造三电平逆变器谐波补偿装置，包括主控模块，中点钳位三电平拓扑模块；主控模块包括第一处理器，第二处理器，第三处理器，可编程逻辑器件，输出电流iS检测电路，负载电流iL检测电路，IGBT驱动电路，电源变换电路；输出电流iS检测电路用来检测提供给负载的电流iS，并将该检测值输出给第一处理器，第二处理器，第三处理器，其输出端分别连接第一处理器、第二处理器、第三处理器的I/O管脚；负载电流iL检测电路用来检测流经负载电流iL，并将该检测值输出给第一处理器，第二处理器，第三处理器，其输出端分别连接第一处理器、第二处理器、第三处理器的I/O管脚；IGBT驱动电路提供给中点钳位三电平拓扑模块的各IGBT栅极PWM驱动信号，其输出端连接中点钳位三电平拓扑模块中各IGBT栅极，其输入端连接可编程逻辑器件；第一处理器分别和第二处理器，第三处理器和可编程逻辑器件连接；可编程逻辑器件，接收第一处理器的控制指令并将控制指令输出给相应的电路，或者依据自身的逻辑输出指令给相应的电路，并将第三处理器的变换结果输入给第二处理器；电源转换电路，用于将外部电源的转换，其输出连接主控模块其他电路的电源输入端。中点钳位三电平拓扑模块将根据主控模块的控制输出与负载电流中谐波幅值相同，但相位相反的补偿电流。
[0006]优选的，三电平逆变器谐波补偿装置还包括输入端连接负载电流iL检测电路，输出端连接可编程逻辑器件的负载电流过流检测电路。
[0007]优选的，三电平逆变器谐波补偿装置还包括输出端连接第一处理器的母线电容电压检测电路。
[0008]优选的，三电平逆变器谐波补偿装置还包括输入端和母线电容电压检测电路连接，输出端和可编程逻辑器件连接的母线电容电压过压检测电路。
[0009]优选的，三电平逆变器谐波补偿装置还包括输出端和第一处理器连接的零序电压检测电路。
[0010]本专利的有益技术效果是:
[0011]1.高速的中点钳位三电平逆变器，具有开关频率高，电压应力小等优点，从而大大减小了装置无源器件和总体体积，提高了设备的功率密度；主控模块实时监测母线电容电压，输出电压，输出电流和负载电流，根据监测的数据进行主动式无级补偿，补偿了系统负序分量，改善了三相不平衡，避免零序谐波在中线上的电流迭加。
[0012]2.该补偿装置采用逆变器补偿谐波电流和无功功率，补偿无功功率时不需要传统的电容器之类的储能元件，补偿谐波电流时仅需小容量电感即可满足要求，减少了能源的附加损耗。
[0013]3.受电网阻抗的影响不大，不会和电网阻抗发生谐振。
[0014]4.该装置体积小，可根据需求组合成其他容量，容量选择简单易行，装置与系统并联，安装快速简便，具有输入电压异常，过热，辅助电源故障，母线过压等保护功能，提供了装置运行的可靠性。
【【专利附图】
【附图说明】】
[0015]图1补偿工作原理图；
[0016]图2实施例一中的三电平逆变器谐波补偿装置电路结构框图；
[0017]图3实施例一中的主控模块电路结构框图；
[0018]图4实施例一中的输出电流iS检测电路图；
[0019]图5实施例一中的IGBT驱动电路图；
[0020]图6实施例一中的负载电压VL检测电路图；
[0021]图7实施例一中的负载电流过流检测电路图；
[0022]图8实施例一中的母线电容电压检测电路图；
[0023]图9实施例一中的母线电容电压过压检测电路图；
[0024]图10实施例一中的工作温度检测电路图；
[0025]图11实施例一中的风机驱动电路图；
[0026]图12实施例一中的风机故障检测电路图；
[0027]图13实施例一中的零序电压检测电路图；
[0028]图14实施例一中的CAN总线通讯电路图；
[0029]图15实施例一中的485通讯电路图；
[0030]图16实施例一中的电源转换电路图。
【【具体实施方式】】
[0031]先概述谐波补偿原理:将电流互感器检测到负载电流进行计算，计算出负载电流基波分量，谐波、无功、不平衡分量，然后产生一个幅值和谐波、无功、不平衡分量相同，相位和谐波、无功、不平衡分量相反的电流，该电流和谐波、无功、不平衡分量相抵消，从而得到只剩下基波分量的纯净电流。其工作原理如图1所示，其中:
[0032]is = iL+iC,其中iL为负载电流，iC未补偿电流；-----------(I)
[0033]]iL = iLf+iLh,其中iLf为负载电流的基波分量，iLh为负载电流中的谐波，无功，不平衡电流分量；-----------(2)
[0034]iC = -1Lh ；-----------(3)
[0035]由公式(I)，(2)，(3)得出:
[0036]is = iLf+iLh+iC = iLf+iLh+ (-1Lh) = iLf
[0037]为了使本实用新型的技术方案和技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本专利的【具体实施方式】进行详细描述。
[0038]实施例一:
[0039]如图2，本实施例中的三电平逆变器谐波补偿装置，包括主控模块，中点钳位三电平拓扑模块；主控模块中下述IGBT驱动电路的PWM输出端连接中点钳位三电平拓扑模块的各IGTB的栅极。中点钳位三电平拓扑模块将根据主控模块的控制输出与谐波幅值相同，但相位相反的补偿电流。
[0040]如图3，主控模块包括第一处理器，第二处理器，第三处理器，可编程逻辑器件，输出电流iS检测电路，负载电流iL检测电路，IGBT驱动电路，负载电压VL检测电路，负载电流过流检测电路,母线电容电压检测电路,母线电容电压过压检测电路,工作温度检测电路，零序电压检测电路，风机故障检测电路，风机驱动电路，第一 CAN总线通讯电路，第二CAN总线通讯电路，第三CAN总线通讯电路，第一 485通讯电路，第二 485通讯电路，第三485通讯电路，看门狗电路，电源变换电路。
[0041]输出电流iS检测电路用来检测提供给负载的电流iS，并将该检测值输出给第一处理器，第二处理器，第三处理器，其输出端分别连接第一处理器、第二处理器、第三处理器的I/o管脚。输出电流检测电路如图4，该电路只是三相电流中某一相的电路，其他相的检测电路和该电路相同。电流互感器的电流经电阻Rr2限流，第一级运算放大器U24输入阻抗匹配后，再经第二级运算放大器U25或U26或U27构成的加法器后输出给第一处理器，第二处理器，和第三处理器。
[0042]负载电流iL检测电路用来检测流经负载电流iL，并将该检测值输出给第一处理器，第二处理器，第三处理器，其输出端连接第一处理器、第二处理器、第三处理器的I/o管脚。负载电流iL检测电路和输出电流iS检测电路的电路相同，只是电流传感器接在负载各相线上。
[0043]IGBT驱动电路提供给中点钳位三电平拓扑模块的各IGBT栅极PWM驱动信号，其输出端连接中点钳位三电平拓扑模块中各IGBT栅极，其输入端连接可编程逻辑器件。中点钳位三电平拓扑模块每相有4个IGBT，三相的各个IGBT驱动电路都相同，如图5。Qql, U50, Qq2, Qq3构成推挽电路，将可编程逻辑器件输出的PWM信号放大输出给IGBT。
[0044]负载电压VL检测电路用来检测补偿的效果，检测负载两端的电压，其输出端接第一处理器和第三处理器。第三处理器将负载电压VL进行快速傅里叶变换。当电路中谐波被补偿时，体现在负载两端的电压波形将无谐波。负载电压VL检测电路的电路如图6，其工作原理和前述检测电路相同。
[0045]负载电流过流检测电路，其输入端和负载电流iL检测电路连接，其输出端和可编程逻辑器件连接。当负载电流iL绝对值超过负载电流过流检测电路的预设值时，负载电流过流检测电路输出过流保护信号给可编程逻辑器件，可编程逻辑器件根据过流保护信号控制和负载连接的继电器输出电路，控制该继电器断开，从而保护负载。负载电流过流检测电路的电路如图7，负载电流iL检测电路的第一级放大器输出与负载电流过流检测电路的输入端连接，和预设的正负电流值比较，如负载电流iL绝对值超过预设值的绝对值时，比较器LF353MX的输出电平发生翻转，即负载电流过流，可编程逻辑器件接收到过流保护信号，记控制和负载连接的继电器断开，从而保护负载。
[0046]中点钳位三电平拓扑模块的直流侧采用两个参数相同的电容Cl和C2作为储能元件，为IGBT构成的逆变器提供直流电压支撑。为了保证逆变器不被损坏，电容Cl和C2两端的电压需在安全范围内。母线电容电压检测电路用来检测Cl和C2两端的电压，将检测的电压值输出给第一处理器和母线电容电压过压检测电路。两个电容电压的检测电路如图8，电容两端电压经电阻限流，第一级运算放大器输入阻抗匹配，第二级运算放大器加法运算后输出给第一处理器，其中第一级运算放大器还输出给母线电容电压过压检测电路。
[0047]母线电容电压过压检测电路比较电容两端的电压值和预设值，如果超过，说明电容两端电压过压，将过压信号输出给可编程逻辑器件。可编程逻辑器件根据自身的逻辑将过压保护信号输出给和电容连接的继电器输出电路，控制该继电器断开。母线电容电压过压检测电路如图9，两个电容中只要有一个两端的电压超过预设值，比较器的电平将发生翻转，从而使NPN型三集管集电极的电平输出发生翻转。该三极管输出给可编程逻辑器件，可编程逻辑器件控制和电容连接的继电器断开，从而保护电容不被高电压击穿损坏。
[0048]三电平逆变器谐波补偿装置中的IGBT是大功率器件，会有热量的散发，因此增加工作温度检测电路和风机散热，工作温度检测电路的输出端连接第一处理器的I/o脚，风机驱动电路用来在不同功率驱动风机，风机驱动电路的输入端连接可编程逻辑器件的I/o脚，其输出端连接风机，可编程逻辑器件根据不同工作温度给予风机不同的转速，温度较高时，转速快；反之，转速慢，最大化的节约电能，同时风机故障检测电路，在检测到风机故障和工作温度检测电路检测到补偿装置工作温度过高时，给予过温保护。工作温度检测电路如图10，风机驱动电路如图11，风机故障检测电路如图12。
[0049]零序电压检测电路的用来检测零序电压，其输出端连接第一处理器的I/O脚，以便第一处理器计算出不平衡分量，电路如图13。三相式电压互感器二次侧测得的电压经电阻限流，第一级运算放大器阻抗匹配，第二级运算放大器加法运算后输出给第一处理器。
[0050]第一 CAN总线通讯电路和第一处理器连接，第二 CAN总线通讯电路和第二处理器连接，第三CAN总线通讯电路和第三处理器连接，各CAN总线通讯电路以便外部对象实时了解整个补偿装置的运行状态，获取实时数据。电路如图14。
[0051]以便和外部带有RS485通迅协议的通讯设备兼容，第一 485通讯电路，第二 485通讯电路，第三485通讯电路均和可编程逻辑器件连接，也可以是RS232通讯协议的通讯电路。如第一处理器、第二处理器、第三处理器的I/O管脚数量足够，第一 485通讯电路、第二485通讯电路、第三485通讯电路还可分别和第一处理器、第二处理器、第三处理器连接。第一485通讯电路、第二 485通讯电路、第三485通讯电路的电路相同，如图15。
[0052]第三处理器将输入的输出电流iS和负载电流iL进行快速离散傅里叶变换(以下简称FFT)变换，并将变换结果输出给可编程逻辑器件。第三处理器的型号是TMS320F2808PZA。
[0053]可编程逻辑器件，接收第一处理器的控制指令并将控制指令输出给相应的电路，或者依据自身的逻辑输出指令给相应的电路，并将第三处理器的变换结果输入给第二处理器。可编程逻辑器件的型号是EPM570F256C5N。
[0054]第二处理器计算出负载电流iL的基波分量，各次谐波分量，无功及复序分量，并和iS的相同采样点数据进行比较，从而判断出补偿类型和补偿大小，计算出IGBT的驱动逻辑，将IGBT的驱动逻辑输出给第一处理器。第二处理器的型号是TMS320F2808PZA。
[0055]第一处理器分别和第二处理器，第三处理器，可编程逻辑器件连接，第一处理器根据该补偿装置的运行状态，在补偿装置在正常运行状态时，将来自第二处理器的IGBT驱动逻辑输出给可编程逻辑器件；或将运算出的温度保护信号和零序不平衡补偿信号输出给可编程逻辑器件。第一处理器的型号是TMS320F2808PZA。
[0056]当第一处理器，第二处理器，第三处理器的处理数据过多，存储空间不够时，可分别增加第一存储器和第一处理器连接，第二存储器和第二处理器连接，第三存储器和第三处理器连接。
[0057]看门狗电路的输出端和第一处理器，第二处理器，第三处理器，可编程逻辑器件的复位脚相连接，以避免第一处理器，第二处理器，第三处理器，可编程逻辑器件的运行出现死机现象。看门狗电路可选取现有技术中的看门狗电路。
[0058]电源转换电路将外部电源转换成主控模块中其他电路需要的电源，和其他电路的电源输入端连接。如图16，外部15V电源经芯片U17稳压输出3.3V电压，外部15V电源经芯片U22稳压输出5V电压，3.3V电压再经芯片U16稳压输出1.8V电压。
[0059]以上所述仅为本专利的优选实施例而已，并不用于限制本专利，对于本领域的技术人员来说，本专利可以有各种更改和变化。凡在本专利的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种三电平逆变器谐波补偿装置，包括主控模块，中点钳位三电平拓扑模块； 主控模块包括第一处理器，第二处理器，第三处理器，可编程逻辑器件，输出电流13检测电路，负载电流江检测电路，1681驱动电路，电源变换电路； 输出电流13检测电路用来检测提供给负载的电流13，并将该检测值输出给第一处理器，第二处理器，第三处理器，其输出端分别连接第一处理器、第二处理器、第三处理器的1/0管脚； 负载电流1[检测电路用来检测流经负载电流1匕并将该检测值输出给第一处理器，第二处理器，第三处理器，其输出端分别连接第一处理器、第二处理器、第三处理器的1/0管脚； 1681驱动电路提供给中点钳位三电平拓扑模块的各叩81栅极驱动信号，其输出端连接中点钳位三电平拓扑模块中各叩81栅极，其输入端连接可编程逻辑器件； 第一处理器分别和第二处理器，第三处理器和可编程逻辑器件连接；可编程逻辑器件，接收第一处理器的控制指令并将控制指令输出给相应的电路，或者依据自身的逻辑输出指令给相应的电路，并将第三处理器的变换结果输入给第二处理器；电源转换电路，用于将外部电源的转换，其输出连接主控模块中其他电路的电源输入端； 中点钳位三电平拓扑模块将根据主控模块的控制输出与负载电流中谐波幅值相同，但相位相反的补偿电流。
2.如权利要求1所述的三电平逆变器谐波补偿装置，其特征是:三电平逆变器谐波补偿装置还包括输入端连接负载电流江检测电路，输出端连接可编程逻辑器件的负载电流过流检测电路。
3.如权利要求1所述的三电平逆变器谐波补偿装置，其特征是:三电平逆变器谐波补偿装置还包括输出端连接第一处理器的母线电容电压检测电路。
4.如权利要求1所述的三电平逆变器谐波补偿装置，其特征是:三电平逆变器谐波补偿装置还包括输入端和母线电容电压检测电路连接，输出端和可编程逻辑器件连接的母线电容电压过压检测电路。
5.如权利要求1所述的三电平逆变器谐波补偿装置，其特征是:三电平逆变器谐波补偿装置还包括输出端和第一处理器连接的零序电压检测电路。
【文档编号】H02M1/12GK204216776SQ201420625963
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2014年10月27日 优先权日:2014年10月27日
【发明者】谭东旭 申请人:诺比节能科技（珠海）有限公司