一种具有降温控制的有源电力滤波器的制作方法

1.本实用新型涉及有源滤波器的技术领域，具体涉及一种具有降温控制的有源电力滤波器。


背景技术：

2.随着工业技术的发展，以变频器为代表的电力电子设备被广泛用于卷烟生产。烟草生产中广泛使用的变频器、伺服控制器等非线性用电设备的存在，导致配电系统的电流和电压波形发生畸变，产生谐波污染，增加线路损耗，降低设备可靠性，影响卷烟生产。有源电力滤波器(active power system，apf)是一种广泛使用的谐波治理装置，不同于无源滤波器，是一种主动补偿谐波的装置。现有的apf装置对开关频率要求高，开关器件损耗大、逆变器输出的补偿电流纹波较大，易造成设备升温，增大开关损耗。因此，如何对apf进行降温具有重要的意义。


技术实现要素：

3.本实用新型提供一种具有降温控制的有源电力滤波器，解决现有apf工作时开关器件开关频率高造成设备升温，易造成设备能源损耗大的问题，能提高apf运行效率，降低设备的运行温度。
4.为实现上述目的，本实用新型提供以下技术方案：
5.一种具有降温控制的有源电力滤波器，包括：apf主电路、降温控制模块、散热装置和温度传感器；
6.所述降温控制模块的第一输入端与所述温度传感器的输出端相连接，所述降温控制模块的第一输出端与所述散热装置的控制端相连接；
7.所述温度传感器用于检测所述apf主电路的运行温度，所述降温控制模块在所述运行温度大于设定温度阈值时控制所述散热装置对所述apf主电路进行散热降温。
8.优选的，还包括：检测调理模块和驱动模块；
9.所述降温控制模块的第二输入端与所述检测调理模块的输出端相连接，所述降温控制模块的第二输出端与所述驱动模块的控制端相连接；
10.所述检测调理模块用于检测电网侧三相电压和负载电流，并计算得到apf输出电流；
11.所述降温控制模块在所述运行温度大于设定温度阈值且所述apf输出电流大于设定电流阈值时控制所述驱动模块输出设定波形，以降低所述apf主电路的开关器件的动作次数。
12.优选的，所述驱动模块设置有常规模式和双矢量模型预测控制模式；
13.所述双矢量模型预测控制模式在常规两电平逆变器的空间电压矢量的基础上建立12个虚拟电压矢量组合形成设定波形，以降低开关器件的动作次数。
14.优选的，所述apf主电路为三相六开关结构，包括：第一开关管v1、第二开关管v2、
第三开关管v3、第四开关管v4、第五开关管v5、第六开关管v6、第一直流分压电容c1和第二直流分压电容c2；
15.所述第一开关管v1的发射极与所述第二开关管v2的集电极连接组成a相，所述第三开关管v3的发射极与所述第四开关管v4的集电极连接组成b相，所述第五开关管v5的发射极与所述第六开关管v6的集电极连接组成c相；
16.所述第一开关管v1、所述第三开关管v3和所述第五开关管v5的集电极与所述第一直流分压电容c1相连接；
17.所述第二开关管v2、所述第四开关管v4和所述第六开关管v6的发射极与所述第二直流分压电容c2相连接；
18.所述第一直流分压电容c1和所述第二直流分压电容c2串接后与直流电源并联，所述第一直流分压电容c1与所述第二直流分压电容c2连接中点作为直流侧电容中点。
19.优选的，还包括：滤波模块；
20.所述apf主电路的输出端设有滤波模块，所述滤波模块用于对所述apf主电路输出的谐波电流进行滤波整流。
21.优选的，所述滤波模块包括：滤波电感和保护电阻；
22.在所述apf主电路中的a相输出端、b相输出端和c相输出端均串接有一个所述滤波电感和一个所述保护电阻。
23.优选的，所述检测调理模块包括：电压检测模块、电流检测模块和调理模块；
24.所述电压检测模块用于检测供电电网的三相电压，所述电流检测模块用于检测供电电网的三相电流和负载侧的三相负载电流；
25.所述调理模块根据所述三相电压和所述三相负载电流计算得到apf输出电流。
26.优选的，降温控制模块包括：微处理器，所述微处理采用dsp芯片。
27.优选的，所述驱动模块采用hcnw4502驱动芯片。
28.优选的，所述散热装置为散热风扇。
29.本实用新型提供一种具有降温控制的有源电力滤波器，通过温度传感器对apf主电路进行运行温度检测，降温控制模块根据所述运行温度控制散热装置对apf主电路进行散热降温。解决现有apf工作时开关器件开关频率高造成设备升温，易造成设备能源损耗大的问题，能提高apf运行效率，降低设备的运行温度。
附图说明
30.为了更清楚地说明本实用新型的具体实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。
31.图1是本实用新型提供一种具有降温控制的有源电力滤波器的示意图。
32.图2是本实用新型实施例提供的输出波的设定波形示意图。
具体实施方式
33.为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型实施例的方案，下面结合附图和实施方式对本实用新型实施例作进一步的详细说明。
34.针对当前apf工作时开关器件开关频率高造成设备升温，易造成设备能源损耗大
的问题，本实用新型提供一种具有降温控制的有源电力滤波器，通过温度传感器对apf主电路进行运行温度检测，降温控制模块根据所述运行温度控制散热装置对apf主电路进行散热降温。解决现有apf工作时开关器件开关频率高造成设备升温，易造成设备能源损耗大的问题，能提高apf运行效率，降低设备的运行温度。
35.如图1所示，一种具有降温控制的有源电力滤波器，包括：apf主电路、降温控制模块、散热装置和温度传感器。所述降温控制模块的第一输入端与所述温度传感器的输出端相连接，所述降温控制模块的第一输出端与所述散热装置的控制端相连接。所述温度传感器用于检测所述apf主电路的运行温度，所述降温控制模块在所述运行温度大于设定温度阈值时控制所述散热装置对所述apf主电路进行散热降温。
36.具体地，降温控制模块能够根据温度传感器实时检测开关器件的运行温度，当运行温度到达阈值时控制散热装置进行工作，使开关器件的运行温度降低，减小开关损耗，达到降温的目的，能提高apf运行效率。
37.该滤波器还包括：检测调理模块和驱动模块。所述降温控制模块的第二输入端与所述检测调理模块的输出端相连接，所述降温控制模块的第二输出端与所述驱动模块的控制端相连接。所述检测调理模块用于检测电网侧三相电压和负载电流，并计算得到apf输出电流。所述降温控制模块在所述运行温度大于设定温度阈值且所述apf输出电流大于设定电流阈值时控制所述驱动模块输出设定波形，以降低所述apf主电路的开关器件的动作次数。
38.进一步，所述驱动模块设置有常规模式和双矢量模型预测控制模式。所述双矢量模型预测控制模式在常规两电平逆变器的空间电压矢量的基础上建立12个虚拟电压矢量组合形成设定波形，以降低开关器件的动作次数。
39.具体地，apf在传感器检测到开关器件温度达到阈值后，会使降温控制模块进入双矢量模型预测控制模式，该模式是在常规两电平逆变器的空间电压矢量的基础上建立12个虚拟电压矢量组合，计算单矢量的作用时间，设计发波方案以减小开关器件的动作次数，进而达到有效降低开关损耗发热，降低apf装置温度的目的，减小了由于开关器件发热引发故障导致谐波补偿效果恶化的可能。
40.矢量作用时间的计算公式与模型预测控制的价值函数有关。目前关于价值函数的定义主要有两种：一种是两相静止坐标系αβ下的电流误差绝对值之和，另一种是将电流误差平方再求和，但是这两种价值函数不能充分表示参考电流i
ref
与预测电流i
(k 1)
在空间几何上的距离关系。为了方便结合电压矢量的空间几何关系分析所提双矢量调制模型预测控制的有效性分析。
41.将参考电流i
ref
与预测电流i
(k 1)
在空间上的距离定义为价值函数g，如式(1)：
[0042][0043]
其中i
refα
、i
refβ
分别为参考电流的αβ分量，i
α
、i
β
分别为变换器下一时刻输出电流的αβ分量。
[0044]
由式(1)可知，价值函数的定义表示参考电流i
ref
和变换器下一时刻输出电流i
αβ
之间的几何距离。为了获得最优电压矢量，应该使i
ref
和i
αβ
之间的几何距离最短，即使价值函数最小。
[0045]
采用调制模型预测控制法计算每个电压矢量的作用时间，每个电压矢量的作用时间与其价值函数值成反比。例如电压矢量u
i
的作用时间表示为：
[0046][0047]
式中，g
i
和g
j
分别为电压矢量u
i
和u
j
的价值函数值。
[0048]
至此，每个周期内选择的两个单电压矢量的作用时间就可以通过式(2)得到了。
[0049]
为减小电流纹波和提高控制精度，本专利根据变换器输出电压矢量定义12个虚拟电压矢量组合，分别为u
s1
(u0,u1)，u
s2
(u0,u2)，u
s3
(u0,u3)，u
s4
(u0,u4)，u
s5
(u0,u5)，u
s6
(u0,u6)，u
s7
(u1,u2)，u
s8
(u2,u3)，u
s9
(u3,u4)，u
s10
(u4,u5)，u
s11
(u5,u6)，u
s12
(u6,u1)，采取在每个控制周期同时使用两个电压矢量的方式来提高控制精度。
[0050]
定义g
i
为u
i
对应的代价函数，利用公式(2)可推导得到电压矢量u1和u2的作用时间分别为：
[0051][0052]
12个电压矢量组合与基本电压矢量关系如式(4)所示：
[0053][0054]
式中，t
j
和t
k
分别为u
j
和u
k
的作用时间，u
si
为合成电压矢量。
[0055]
例如，u
s7
为基本电压矢量u1、u2的组合,它们关系可以表示为：
[0056][0057]
当采用两个非零电压矢量合成时，如矢量u1和u2合成u
s7
，则电压矢量u
s7
相位可调。当使用零矢量和非零矢量合成时，如矢量u1和u0合成u
s1
，则电压矢量u
s1
幅值可调。因此，当每个控制周期采用两个电压矢量合成虚拟电压矢量组合进行控制时，由于电压矢量自由度加大，则控制精度固然会提高。
[0058]
根据式(3)，计算单个电压矢量作用时间，使用式(4)合成电压矢量。在双矢量模型预测控制时，与单矢量模型预测控制不同，多矢量模型预测控制需要使用载波比较发波。当高频载波信号高于脉宽调制信号时，控制器向并网变换器输出低电平s
i
＝0(i＝1,2,3)，反之则控制器向变换器输出高电平s
i
＝1，根据输出电平与变换器开关状态之间的关系，控制并网变换器各桥臂之间的开通与关断。
[0059]
如图2所示，在该输出波过程中，在每个周期设计7段开关状态，其中第1、5、7段均为零矢量。以0表示上桥臂断开和下桥臂导通，1表示上桥臂导通和下桥臂断开，则零矢量的开关状态为000和111。为了减小开关器件动作次数，总是选择与两端选用的零矢量相比，切换状态所需的动作次数最少的开关状态作为第第2段和第6段，另一种开关状态设置为第3段和第5段。图2以一个周期的输出波为例，说明这种设计方式对开关动作次数的影响。
[0060]
图2的(a)图为不采用上述设计方式的一种可能的输出波，图2的(b)图为采用上述设计方式输出波。由图2可知两种输出波方式在一个周期内所选择的矢量与所选矢量的作
用时间一样，但是开关器件的动作次数却不同。图2的(a)图中，第一个和第三个桥臂的开关动作次数与图2的(b)图相同均为两次，而第二个桥臂的开关动作次数与图2的(b)图相比多了四次，说明了降温控制模块设计的发波方式能够有效降低开关动作次数。
[0061]
温度传感器达到设定的阈值后，降温控制模块进入双矢量模型预测控制模式降低开关管温度。根据基尔霍夫定律与欧拉前向公式，可得到该模式的电流预测公式如下：
[0062]
i(k 1)＝(t
s
/l)[u(k)
‑
e(k)] (1
‑
rt
s
/l)i(k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0063]
式中i(k 1)为k 1时刻的变换器输出电流，u(k)、i(k)、e(k)分别为k时刻的变换器输出电压(即虚拟电压矢量组合合成的双矢量)、电流和电网侧电压，t
s
、r、l分别为采样周期、电阻和电感。
[0064]
式(6)中，电流和网侧电压是检测调理模块直接采集的，采样周期、电阻和电感都是已知的参数，变换器的双矢量输出电压为如前所述的12个虚拟电压矢量组合之一。模型预测控制在每个周期计算所有的双矢量组合对应的预测电流，并根据该电流预测值代入下一步价值函数的计算。
[0065]
通过在降温控制模块计算每个双矢量组合的预测电流，得到αβ轴下的i
α
与i
β
，根据降温控制模块计算的负载电流在αβ轴下的谐波分量作为参考电流i
αref
与i
βref
，将参考电流与预测电流的αβ分量分别作差，然后取其平方和开根，计算每个虚拟电压矢量组合u
j
对应的代价函数g
j
，选择最小的代价函数对应的开关状态输出到驱动模块控制开关器件通断。
[0066]
进一步，如图1所示，所述apf主电路为三相六开关结构，包括：第一开关管v1、第二开关管v2、第三开关管v3、第四开关管v4、第五开关管v5、第六开关管v6、第一直流分压电容c1和第二直流分压电容c2。所述第一开关管v1的发射极与所述第二开关管v2的集电极连接组成a相，所述第三开关管v3的发射极与所述第四开关管v4的集电极连接组成b相，所述第五开关管v5的发射极与所述第六开关管v6的集电极连接组成c相。所述第一开关管v1、所述第三开关管v3和所述第五开关管v5的集电极与所述第一直流分压电容c1相连接。所述第二开关管v2、所述第四开关管v4和所述第六开关管v6的发射极与所述第二直流分压电容c2相连接。所述第一直流分压电容c1和所述第二直流分压电容c2串接后与直流电源并联，所述第一直流分压电容c1与所述第二直流分压电容c2连接中点作为直流侧电容中点。
[0067]
进一步，还包括：滤波模块；所述apf主电路的输出端设有滤波模块，所述滤波模块用于对所述apf主电路输出的谐波电流进行滤波整流。
[0068]
更进一步，所述滤波模块包括：滤波电感和保护电阻。在所述apf主电路中的a相输出端、b相输出端和c相输出端均串接有一个所述滤波电感和一个所述保护电阻。
[0069]
所述检测调理模块包括：电压检测模块、电流检测模块和调理模块。所述电压检测模块用于检测供电电网的三相电压，所述电流检测模块用于检测供电电网的三相电流和负载侧的三相负载电流。所述调理模块根据所述三相电压和所述三相负载电流计算得到apf输出电流。
[0070]
进一步，降温控制模块包括：微处理器，所述微处理采用dsp芯片。
[0071]
更进一步，所述驱动模块采用hcnw4502驱动芯片。
[0072]
在实际应用中，所述散热装置为散热风扇，可采用多个散热风扇设置在apf主电路板上。
[0073]
可见，本实用新型提供一种具有降温控制的有源电力滤波器，通过温度传感器对
apf主电路进行运行温度检测，降温控制模块根据所述运行温度控制散热装置对apf主电路进行散热降温。解决现有apf工作时开关器件开关频率高造成设备升温，易造成设备能源损耗大的问题，能提高apf运行效率，降低设备的运行温度。
[0074]
以上依据图示所示的实施例详细说明了本实用新型的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，但本实用新型不以图面所示限定实施范围，凡是依照本实用新型的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本实用新型的保护范围内。