無功與諧波自動補償裝置設計的新方法

摘　要: 提出了基于雙DSP 結構的有源濾波與無源濾波相結合的無功與諧波動態補償原理和方案, 設計了無功與諧波自動補償裝置主電路結構與控制系統。采用晶閘管相控電抗器(TCR) 的無源濾波器可以增大電源系統的容量, 降低成本; 而采用基于雙DSP 結構的有源濾波器可以大大改善濾波性能, 并能抑制LC 電路與電網之間的諧振, 提高補償系統動態性能。此裝置主要解決了補償中的諧振問題, 并使電力系統的功率因數提高到0. 9 以上, 同時有效抑制了供電網的諧波。 

　　關鍵詞: 無功功率; 諧波; 補償; 有源濾波; DSP 

　　前　言 

　　隨著電力電子裝置的廣泛應用, 電網中的諧波污染也日益嚴重。許多電力電子裝置的功率因數很低, 也給電網帶來額外負擔并影響供電質量?？梢娤C波污染并提高功率因數, 已成為電力電子技術中的一個重要的研究領域。解決電力電子裝置的諧波污染和低功率因數問題的基本思路有兩條: (1) 裝設補償裝置, 以補償其諧波和無功功率; (2) 對電力電子裝置本身進行改進, 使其不產生諧波, 且不消耗無功功率, 或根據需要對其功率因數進行控制。 

　　諧波和無功功率的補償 

　　無功功率的補償 
　　用于補償無功功率的典型裝置有靜止無功補償器SVC。在SVC 裝置中, 主要有固定電容器加晶閘管控制電抗器(FC+ TCR ) 和晶閘管投切電容器(TSC) 等類型。前者應用較多。

　　而動態無功補償, 它的主要元件是靜電電容器和電抗器, 利用晶閘管在改變其導通狀態的條件下, 它可以對基波電流迅速地響應無功部分的變化, 提供領先電流, 以達到快速調節的目的。動補裝置有: 同步調相機, 自飽和電抗器, 可控飽和電抗器, 晶閘管投切電容器, 晶閘管相控電抗器,晶閘管相控高阻抗變壓器等。本裝置采用的是晶閘管相控電抗器(TCR ) , 其工作原理見圖1。 

　　諧波的補償 
　　用于補償諧波的典型裝置為電力有源濾波器, 其基本原理見圖2。

　　電力有源濾波器能對變化的諧波進行迅速的動態跟蹤補償, 且補償特性不受電網阻抗的影響,因而受到相當的重視。從與補償對象的連接方式來看, 電力有源濾波器可分為并聯型和串聯型。并聯型中有單獨使用、LC 濾波器混合使用及注入電路方式。目前并聯型占實用裝置的大多數。 

　　基于此項目合同的技術性能指標: ①適用電源電壓等級: 220 VAC, 380VAC。②有源濾波器補償容量: 50kVA (基波無功) ; 150A (最大瞬時補償電流)。③可以控制的無源補償網絡的功率等級:500kVA。④在無源補償網絡容量范圍內, 補償后的電源電流: 功率因數高于0. 9, 總諧波畸變系數(THD) < 5% , 三相負載電流的不對稱系數< 3%。 

　　此項目采用與LC 濾波器并聯使用的并聯型有源濾波器。圖4 中的LC 濾波器若被用來與有源濾波器分擔補償相同次數的諧波, 則可降低所需逆變器的容量; 若用來補償較高次的諧波, 則起到了補充有源濾波器補償性能的作用。在這種方式下, 有源濾波器也可以對無功功率進行調節。 

　　無功與諧波自動補償裝置主電路結構設計 

　　無功與諧波自動補償裝置采用了圖4 的主電路結構, 即與無源濾波器并聯的并聯混合型有源濾波器, 其主電路結構原理如圖3 所示。主要由三相隔離變壓器、三相相控整流器、L EM 傳感器、無源濾波器和并聯型有源電力濾波器組成。

　　無源濾波器采用晶閘管相控電抗器(TCR )結構原理, 可實現動態無功補償。有源濾波器由三相變流器主電路和DSP 全數字控制電路兩部分組成。PWM 變流器在結構上采用三相變流器結構, 由大功率開關器件( IGBT ) 及驅動保護電路組成, 以產生所需要的諧波補償電流。DSP 全數字控制電路部分由兩個DSP 為核心構成雙DSP 控制系統, 用以完成數據采集, 數據處理, 電流跟蹤控制, 系統保護等控制功能。 

　　無功與諧波自動補償裝置控制系統設計 

　　無源LC 濾波器控制系統設計 
　　它由四部分組成: 電抗器, 電容器組(兼作濾波器) , 晶閘管閥和調節器。圖5 說明了TCR的工作原理, 由于電容器C 為固定值, 所以超前的無功功率Q c 也為固定值, 當負載滯后而無功功率Q F 變化時, 可以連續控制滯后無功QL , 使Q C -QL 變化。例如當Q F 增大時, 則晶閘管閥控制的電抗器耗用的無功QL 減小。若Q F 減小, 則QL 增大。不管負載的無功功率Q F 如何變化, 總要使系統供給的無功功率QS = Q F + QL - QC 約為常數,以限制電壓的閃變。

　　用以控制QL 的可變電抗器, 由電抗器與各相反并聯連接的晶閘管閥組成, 利用晶閘管的相位控制, 來改變電抗器的電流大小, 以達到連續調整電抗器的基波無功功率QL , 相位控制角從90°改變到180°,QL (基波) 從100% 變化到零。

　　有源濾波器控制系統的設計 
　　控制系統的雙DSP 芯片分別采用浮點芯片TM S320C6711 和定點芯片TM S320F2407, 以下簡稱為C6711 和F2407。對C6711 來講, 其運算能力很強, 有主頻100～ 150MHz, 但片內資源和對外I/O 端口較少, 邏輯處理能力也較弱, 主要用于浮點計算和數據處理; 而F2407 正好相反, 其片外接口資源豐富, I/O 端口使用方便, 但其精度和速度有一定限制, 所以用于數據采集和過程控制。兩個DSP 芯片通過雙端口RAM 完成數據交換。通過這兩個DSP 芯片的互補結合, 可充分發圖6　有源濾波器控制系統的結構框圖揮各自的優點, 使控制系統達到最佳組合。

　　結論 

　　提出了一種新的電力系統諧波與無功功率的綜合動態補償方式, 對無功與諧波自動補償裝置主電路和控制系統工作原理進行了分析。根據裝置電源系統的諧波特點, 采用無源濾波與有源濾波相結合。由于電源系統的容量很大, 采用晶閘管相控電抗器(TCR) 無源濾波器可大大降低成本。 

　　由于電源系統的諧波對應于一個連續的頻譜, 投入有源濾波器可以大大改善濾波性能, 并能抑制LC 電路與電網之間的諧振。有源濾波器的控制系統采用了基于雙DSP 結構的全數字化控制平臺。 

　　在此項目的實踐中, 選用了已成型的有源濾波器(其構成如圖3 如示) , 并結合現有的無功功率補償器, 主要解決了補償中出現的諧振問題, 并使得電力系統的功率因數提高到0. 9 以上,完全符合此項目合同的技術性能指標。同時使供電網的諧波得到了有效抑制。通過儀器檢測5 次、7 次等諧波電流幾乎為零值。