無(wú)功與諧波自動(dòng)補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)的新方法

　　前言

　　隨著電力電子裝置的廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)中的諧波污染也日益嚴(yán)重。許多電力電子裝置的功率因數(shù)很低，也給電網(wǎng)帶來(lái)額外負(fù)擔(dān)并影響供電質(zhì)量?？梢?jiàn)消除諧波污染并提高功率因數(shù)，已成為電力電子技術(shù)中的一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。解決電力電子裝置的諧波污染和低功率因數(shù)問(wèn)題的基本思路有兩條： （1）裝設(shè)補(bǔ)償裝置，以補(bǔ)償其諧波和無(wú)功功率; （2）對(duì)電力電子裝置本身進(jìn)行改進(jìn)，使其不產(chǎn)生諧波，且不消耗無(wú)功功率，或根據(jù)需要對(duì)其功率因數(shù)進(jìn)行控制。

　　1 諧波和無(wú)功功率的補(bǔ)償

　　1.1 無(wú)功功率的補(bǔ)償

　　用于補(bǔ)償無(wú)功功率的典型裝置有靜止無(wú)功補(bǔ)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(lèi)型。前者應(yīng)用較多。

　　而動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)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(dǎo)通狀態(tài)的條件下，它可以對(duì)基波電流迅速地響應(yīng)無(wú)功部分的變化，提供領(lǐng)先電流，以達(dá)到快速調(diào)節(jié)的目的。動(dòng)補(bǔ)裝置有：同步調(diào)相機(jī)，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(jiàn)圖1。

　　1.2 諧波的補(bǔ)償

　　用于補(bǔ)償諧波的典型裝置為電力有源濾波器，其基本原理見(jiàn)圖2。

　　電力有源濾波器能對(duì)變化的諧波進(jìn)行迅速的動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，因而受到相當(dāng)?shù)闹匾?。從與補(bǔ)償對(duì)象的連接方式來(lái)看，電力有源濾波器可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型。并聯(lián)型中有單獨(dú)使用、LC 濾波器混合使用及注入電路方式。目前并聯(lián)型占實(shí)用裝置的大多數(shù)。

　　基于此項(xiàng)目合同的技術(shù)性能指標(biāo)：①適用電源電壓等級(jí)：220 VAC，380VAC。②有源濾波器補(bǔ)償容量：50kVA （基波無(wú)功） ; 150A （最大瞬時(shí)補(bǔ)償電流）。③可以控制的無(wú)源補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的功率等級(jí)：500kVA。④在無(wú)源補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)容量范圍內(nèi)， 補(bǔ)償后的電源電流：功率因數(shù)高于0. 9，總諧波畸變系數(shù)（THD） 5% ，三相負(fù)載電流的不對(duì)稱系數(shù) 3%。

　　此項(xiàng)目采用與LC 濾波器并聯(lián)使用的并聯(lián)型有源濾波器。圖4 中的LC 濾波器若被用來(lái)與有源濾波器分擔(dān)補(bǔ)償相同次數(shù)的諧波，則可降低所需逆變器的容量; 若用來(lái)補(bǔ)償較高次的諧波，則起到了補(bǔ)充有源濾波器補(bǔ)償性能的作用。在這種方式下，有源濾波器也可以對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。

　　1.3 無(wú)功與諧波自動(dòng)補(bǔ)償裝置主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　無(wú)功與諧波自動(dòng)補(bǔ)償裝置采用了圖4 的主電路結(jié)構(gòu)，即與無(wú)源濾波器并聯(lián)的并聯(lián)混合型有源濾波器， 其主電路結(jié)構(gòu)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(wú)源濾波器和并聯(lián)型有源電力濾波器組成。

　　無(wú)源濾波器采用晶閘管相控電抗器（TCR ）結(jié)構(gòu)原理，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償。有源濾波器由三相變流器主電路和DSP 全數(shù)字控制電路兩部分組成。PWM 變流器在結(jié)構(gòu)上采用三相變流器結(jié)構(gòu)，由大功率開(kāi)關(guān)器件（IGBT）及驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路組成，以產(chǎn)生所需要的諧波補(bǔ)償電流。DSP 全數(shù)字控制電路部分由兩個(gè)DSP 為核心構(gòu)成雙DSP 控制系統(tǒng)，用以完成數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，電流跟蹤控制，系統(tǒng)保護(hù)等控制功能。

　　2 無(wú)功與諧波自動(dòng)補(bǔ)償裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1 無(wú)源LC 濾波器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　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(diào)節(jié)器。圖5 說(shuō)明了TCR的工作原理，由于電容器C 為固定值，所以超前的無(wú)功功率Q c 也為固定值，當(dāng)負(fù)載滯后而無(wú)功功率Q F 變化時(shí)，可以連續(xù)控制滯后無(wú)功QL ，使Q C -QL 變化。例如當(dāng)Q F 增大時(shí)，則晶閘管閥控制的電抗器耗用的無(wú)功QL 減小。若Q F 減小，則QL 增大。不管負(fù)載的無(wú)功功率Q F 如何變化，總要使系統(tǒng)供給的無(wú)功功率QS = Q F + QL - QC 約為常數(shù)，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(lián)連接的晶閘管閥組成，利用晶閘管的相位控制，來(lái)改變電抗器的電流大小，以達(dá)到連續(xù)調(diào)整電抗器的基波無(wú)功功率QL ，相位控制角從90°改變到180°，QL （基波） 從100% 變化到零。

　　2.2 有源濾波器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　控制系統(tǒng)的雙DSP 芯片分別采用浮點(diǎn)芯片TM S320C6711 和定點(diǎn)芯片TM S320F2407， 以下簡(jiǎn)稱為C6711 和F2407。對(duì)C6711 來(lái)講，其運(yùn)算能力很強(qiáng)，有主頻100～ 150MHz，但片內(nèi)資源和對(duì)外I/O 端口較少，邏輯處理能力也較弱，主要用于浮點(diǎn)計(jì)算和數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集和過(guò)程控制。兩個(gè)DSP 芯片通過(guò)雙端口RAM 完成數(shù)據(jù)交換。通過(guò)這兩個(gè)DSP 芯片的互補(bǔ)結(jié)合，可充分發(fā)圖6　有源濾波器控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖揮各自的優(yōu)點(diǎn)，使控制系統(tǒng)達(dá)到最佳組合。

　　3 結(jié)論

　　提出了一種新的電力系統(tǒng)諧波與無(wú)功功率的綜合動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方式，對(duì)無(wú)功與諧波自動(dòng)補(bǔ)償裝置主電路和控制系統(tǒng)工作原理進(jìn)行了分析。根據(jù)裝置電源系統(tǒng)的諧波特點(diǎn)，采用無(wú)源濾波與有源濾波相結(jié)合。由于電源系統(tǒng)的容量很大，采用晶閘管相控電抗器（TCR）無(wú)源濾波器可大大降低成本。

　　由于電源系統(tǒng)的諧波對(duì)應(yīng)于一個(gè)連續(xù)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(wǎng)之間的諧振。有源濾波器的控制系統(tǒng)采用了基于雙DSP 結(jié)構(gòu)的全數(shù)字化控制平臺(tái)。

　　筆者在此項(xiàng)目的實(shí)踐中，選用了已成型的有源濾波器（其構(gòu)成如圖3 如示），并結(jié)合現(xiàn)有的無(wú)功功率補(bǔ)償器，主要解決了補(bǔ)償中出現(xiàn)的諧振問(wèn)題，并使得電力系統(tǒng)的功率因數(shù)提高到0. 9 以上，完全符合此項(xiàng)目合同的技術(shù)性能指標(biāo)。同時(shí)使供電網(wǎng)的諧波得到了有效抑制。通過(guò)儀器檢測(cè)5 次、7 次等諧波電流幾乎為零值。