基于DSP的無源LC濾波裝置的改進(jìn)

　　0　引　言

　　在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,由于生產(chǎn)和節(jié)能的需要,大量地應(yīng)用了非線性負(fù)載,尤其是電力電子裝置和變頻裝置,諧波電流大量注入電網(wǎng)。隨著科技的發(fā)展,生活用電中的非線性負(fù)載也越來越多,現(xiàn)代的空調(diào)多為變頻的,洗衣機(jī)、電冰箱也大多使用的是直流電動(dòng)機(jī)(即采用了整流裝置),彩電、計(jì)算機(jī)更是使用了整流電路。這些非線性負(fù)載,在節(jié)能的同時(shí),也在向電網(wǎng)注入諧波。

　　電網(wǎng)中的諧波使電壓與電流波形發(fā)生畸變,導(dǎo)致供、配電設(shè)備產(chǎn)生附加諧波損耗,降低供、配電設(shè)備的效率,影響電力測(cè)量和計(jì)量?jī)x表的正常工作,甚至導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)。同時(shí),諧波還會(huì)降低用電設(shè)備的效率,縮短用電設(shè)備的使用壽命,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致用電設(shè)備燒毀。諧波產(chǎn)生的輻射,會(huì)影響臨近的其它弱電設(shè)備正常工作和人體健康[1]。

　　1　常見濾波器的種類

　　抑制諧波的辦法通常有兩種:一種是改造諧波源,另一種是濾波(補(bǔ)償)。改造諧波源往往與電器的其他性能發(fā)生沖突,如節(jié)能產(chǎn)品的節(jié)能效果越好,產(chǎn)生的諧波就越多,要想減少發(fā)生的諧波,必須降低其節(jié)能效果,或大幅提高其造價(jià)。改造諧波源的辦法適用于特定的場(chǎng)合及各種電器生產(chǎn)廠家。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了有關(guān)電器產(chǎn)生諧波的限值,對(duì)諧波源的抑制起了一定的作用,但規(guī)定允許范圍內(nèi)的諧波還是要流入電網(wǎng)。因此,對(duì)于配網(wǎng)來說,主要還是靠濾波的辦法進(jìn)行諧波治理。

　　1.1　無源濾波器

　　電力無源濾波器(TSF)將L、C串聯(lián)在一起并入電網(wǎng),通過對(duì)L、C參數(shù)的適當(dāng)選擇,使LC串聯(lián)電路在某次諧波的頻率點(diǎn)發(fā)生串聯(lián)諧振,阻抗最小,從而起到濾波的作用。由于TSF存在著濾波補(bǔ)償特性依賴于電網(wǎng)和負(fù)載參數(shù),L、C參數(shù)的漂移會(huì)導(dǎo)致濾波特性的改變,具有負(fù)的電壓調(diào)整效應(yīng),同時(shí)又體積大、重量大,只能針對(duì)某次或某幾次諧波進(jìn)行濾波,容易同系統(tǒng)發(fā)生諧振等缺點(diǎn)[2]。

　　1.2　有源濾波器

　　有源濾波器(APF)是一種可動(dòng)態(tài)地補(bǔ)償諧波、無功及負(fù)序電流等的電力電子裝置。它實(shí)時(shí)地檢測(cè)需要補(bǔ)償?shù)闹C波、無功及負(fù)序電流等分量,產(chǎn)生補(bǔ)償電流與其相互抵消,使得流入電網(wǎng)的電流可按需要控制成為三相對(duì)稱的正弦波,從而彌補(bǔ)無源濾波器的缺點(diǎn),獲得比無源濾波器更好的補(bǔ)償特性。

　　APF具有可動(dòng)態(tài)跟蹤諧波源的變化進(jìn)行補(bǔ)償、體積相對(duì)較小、重量較輕等優(yōu)點(diǎn),但也有造價(jià)較高、運(yùn)行維護(hù)不太方便等缺點(diǎn),要廣泛使用,目前還有一定困難。

　　1.3　混合型濾波器

　　混合型濾波器是將APF與TSF并聯(lián)使用,其基本思想是利用TSF承擔(dān)主要的諧波補(bǔ)償任務(wù),用APF來分擔(dān)部分補(bǔ)償任務(wù),并提高整個(gè)濾波器的性能。綜合型濾波器從某種程度上結(jié)合了兩種濾波器的優(yōu)點(diǎn),是目前研究的方向,但仍然存在運(yùn)行、維護(hù)不太方便的缺點(diǎn),推廣也有一定的難度。

　2　LC濾波主回路的改進(jìn)

　　由于無源LC濾波器目前仍然是廣泛使用的諧波抑制裝置,如何利用新的技術(shù)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn),使之更好的揚(yáng)長(zhǎng)避短,是一個(gè)值得探討的課題。

　　傳統(tǒng)的LC濾波回路的電抗、電容值都是固定的,被調(diào)諧到某次諧波的頻率點(diǎn)上,利用人工手動(dòng)投切,也可利用控制器通過帶通濾波的辦法檢測(cè)該次諧波的值進(jìn)行自動(dòng)投切。這種濾波回路的缺點(diǎn)是LC調(diào)諧的頻率點(diǎn)固定,不能用于其他次諧波以及容量固定,投切都是一組,不能根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整。

　　新型LC濾波回路將L和C的值設(shè)計(jì)成可分級(jí)調(diào)整的,其單回路結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中:L1、L2為電抗器;C1、C2、C3為電容器;K1、K2、K3、K4為交流接觸器。通過控制器改變交流接觸器的導(dǎo)通狀態(tài),可以形成16種電抗、電容值的組合。實(shí)際應(yīng)用中,可根據(jù)需要,增加電抗器和電容器的臺(tái)數(shù),以形成更多電抗值和電容值搭配供選擇。如果有n臺(tái)電抗器,m臺(tái)電容器(可調(diào)的),則電抗值和電容值的組合數(shù)為2nm。這樣的設(shè)計(jì),較之傳統(tǒng)的LC濾波回路,具有如下優(yōu)點(diǎn):①一套濾波回路可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)諧成對(duì)不同次諧波進(jìn)行濾波,濾波回路對(duì)諧波的次數(shù)不是固定的;②當(dāng)需要用濾波回路對(duì)某次諧波進(jìn)行濾波時(shí),投入濾波的容量也不是固定的,可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整;③可兼顧基波無功補(bǔ)償?shù)男枰?。通過適當(dāng)選擇電容值,并固定電容值選擇電抗值,從而在保證濾波效果的同時(shí),又能兼顧基波無功補(bǔ)償?shù)男枰?④可避免與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振。當(dāng)檢測(cè)到LC回路與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振或接近發(fā)生并聯(lián)諧振時(shí),可調(diào)整L、C參數(shù),避開諧振點(diǎn)。

　　當(dāng)然,這種設(shè)計(jì)也存在結(jié)構(gòu)、器件參數(shù)選擇較為復(fù)雜的問題,此外,對(duì)控制器的諧波測(cè)量、控制策略也提出了更高的要求。

　　3　諧波的測(cè)量

　　傳統(tǒng)LC濾波裝置的自動(dòng)控制器通常采用模擬帶通濾波的方法,檢測(cè)電網(wǎng)中某次諧波的含量,以決定LC濾波器的投切。新型濾波器的自動(dòng)控制器,則分析測(cè)量出電網(wǎng)中多次諧波的含量,將LC濾波器調(diào)諧到諧波含量較高的某次諧波頻率點(diǎn)投入,并根據(jù)實(shí)際需要決定投入的容量。

　　電流和電壓信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路,將從互感器過來的信號(hào)幅值轉(zhuǎn)換為A/D可以處理的信號(hào)。再由抗混疊低通濾波電路,濾去信號(hào)中不需要的高頻部分,送DSP" target=_blank>DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和A/D轉(zhuǎn)換。DSP" target=_blank>DSP上自帶的12位ADC能夠滿足LC濾波裝置進(jìn)行諧波測(cè)量的速度和精度需要[4]。

　　DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣后,進(jìn)行FFT計(jì)算,分析各次諧波的含有量,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果,按一定的控制策略通過輸出驅(qū)動(dòng)電路操作交流接觸器的閉合和斷開。利用FFT分析諧波時(shí),存在柵欄效應(yīng),由于電網(wǎng)的頻率波動(dòng)及非整周期采樣,也存在泄漏效應(yīng),從而給諧波的測(cè)量帶來誤差。對(duì)此可采用插值、加窗等算法以減小誤差[5]。實(shí)際上由于LC濾波裝置的控制器并不是專門的諧波測(cè)量?jī)x器,不需要很高的諧波測(cè)量精度。試驗(yàn)表明,不采用插值、加窗等算法處理,也完全能夠滿足測(cè)量控制的需要。

　　4　控制策略

　　4.1　電容優(yōu)先

　　改進(jìn)型LC濾波回路的電抗器和電容器都是可變的,在調(diào)整時(shí),首先確定電容值,然后根據(jù)電容的值來決定電抗器的取值。由于濾波所需的電容值和電抗值成反比,而增加同等容量的電容器比電抗器從體積和造價(jià)上都要小得多,因此,在可能的情況下,應(yīng)盡量選用大容量的電容器[6]。這樣做還可兼顧無功功率補(bǔ)償?shù)男枰?即可根據(jù)無功補(bǔ)償?shù)男枰_定電容值,再根據(jù)電容值來調(diào)整電抗器的值以滿足濾波的需要。

　4.2　以電流諧波為判據(jù)

　　由于實(shí)際的電網(wǎng)中,諧波都是以電流源的形式存在,故決定投入或切除濾波回路及調(diào)整濾波參數(shù)時(shí),都以檢測(cè)的電流諧波含有量作為判據(jù)。

　　4.3　不過補(bǔ)償

　　計(jì)算調(diào)整L、C濾波參數(shù)時(shí),應(yīng)盡可能接近匹配補(bǔ)償,即LC串聯(lián)回路的基波等效阻抗值盡可能接近基波無功補(bǔ)償所需要的電容量,諧波等效阻抗值應(yīng)盡可能滿足濾波的要求[7]。由于電容器和電抗器都是有級(jí)調(diào)整的,實(shí)際運(yùn)行中很難恰好滿足需要,存在超過或不足的問題。因此,在控制決策時(shí),應(yīng)保持實(shí)際投入的容量盡可能接近并小于所需的容量,避免過補(bǔ)償引起系統(tǒng)發(fā)生諧振。

　　4.4　綜合平衡

　　一個(gè)基于DSP" target=_blank>DSP的控制器,可控制多個(gè)LC回路的運(yùn)行,因此,要綜合平衡多個(gè)回路共同工作形成的基波等效阻抗,按照電流諧波含量從高到低的順序,依次確定各回路所需的電容值,并相應(yīng)調(diào)整電抗值。此外,控制器還應(yīng)能夠自動(dòng)檢測(cè)故障回路,并能夠自動(dòng)將故障回路剔除。

　　5　應(yīng)　用

　　某企業(yè)的廠用電變壓器輸出側(cè)3次、7次和17次諧波電流含有量超標(biāo),10余年來1直使用固定容量的LC濾波器利用人工投切的方式進(jìn)行諧波治理。更換為改進(jìn)后的LC濾波裝置運(yùn)行近一年,主要諧波電流含有量都比原來有所降低,并且功率因數(shù)由原來的0.83提高到0.90以上。改進(jìn)后的LC濾波裝置,運(yùn)行噪音比原來小。

　　6　結(jié)　語

　　隨著科技的發(fā)展和各種電力電子器件的普及,電網(wǎng)中的諧波含量也越來越多。無源濾波器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維修方便,除濾波外還兼有無功補(bǔ)償?shù)墓δ?以及容量可設(shè)計(jì)成很大而一直被廣泛應(yīng)用。對(duì)傳統(tǒng)無源LC濾波器予以改進(jìn),設(shè)計(jì)新型配網(wǎng)無源LC濾波回路,并基于DSP" target=_blank>DSP技術(shù)研制諧波測(cè)量電路及設(shè)計(jì)控制策略,能夠有效地改進(jìn)其性能,使之更好地發(fā)揮作用。

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