基于DSP的無(wú)源LC濾波裝置的改進(jìn)

　　0　引　言

　　在現代工農業(yè)生產(chǎn)中,由于生產(chǎn)和節能的需要,大量地應用了非線(xiàn)性負載,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(zhù)科技的發(fā)展,生活用電中的非線(xiàn)性負載也越來(lái)越多,現代的空調多為變頻的,洗衣機、電冰箱也大多使用的是直流電動(dòng)機(即采用了整流裝置),彩電、計算機更是使用了整流電路。這些非線(xiàn)性負載,在節能的同時(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,導致供、配電設備產(chǎn)生附加諧波損耗,降低供、配電設備的效率,影響電力測量和計量?jì)x表的正常工作,甚至導致繼電保護裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)。同時(shí),諧波還會(huì )降低用電設備的效率,縮短用電設備的使用壽命,嚴重時(shí)會(huì )導致用電設備燒毀。諧波產(chǎn)生的輻射,會(huì )影響臨近的其它弱電設備正常工作和人體健康[1]。

　　1　常見(jiàn)濾波器的種類(lèi)

　　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(補償)。改造諧波源往往與電器的其他性能發(fā)生沖突,如節能產(chǎn)品的節能效果越好,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(chǎng)家。國家標準規定了有關(guān)電器產(chǎn)生諧波的限值,對諧波源的抑制起了一定的作用,但規定允許范圍內的諧波還是要流入電網(wǎng)。因此,對于配網(wǎng)來(lái)說(shuō),主要還是靠濾波的辦法進(jìn)行諧波治理。

　　1.1　無(wú)源濾波器

　　電力無(wú)源濾波器(TSF)將L、C串聯(lián)在一起并入電網(wǎng),通過(guò)對L、C參數的適當選擇,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(zhù)濾波補償特性依賴(lài)于電網(wǎng)和負載參數,L、C參數的漂移會(huì )導致濾波特性的改變,具有負的電壓調整效應,同時(shí)又體積大、重量大,只能針對某次或某幾次諧波進(jìn)行濾波,容易同系統發(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)地補償諧波、無(wú)功及負序電流等的電力電子裝置。它實(shí)時(shí)地檢測需要補償的諧波、無(wú)功及負序電流等分量,產(chǎn)生補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稱(chēng)的正弦波,從而彌補無(wú)源濾波器的缺點(diǎn),獲得比無(wú)源濾波器更好的補償特性。

　　APF具有可動(dòng)態(tài)跟蹤諧波源的變化進(jìn)行補償、體積相對較小、重量較輕等優(yōu)點(diǎn),但也有造價(jià)較高、運行維護不太方便等缺點(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承擔主要的諧波補償任務(wù),用APF來(lái)分擔部分補償任務(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,但仍然存在運行、維護不太方便的缺點(diǎn),推廣也有一定的難度。

　2　LC濾波主回路的改進(jìn)

　　由于無(wú)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)對其進(jìn)行改進(jìn),使之更好的揚長(cháng)避短,是一個(gè)值得探討的課題。

　　傳統的LC濾波回路的電抗、電容值都是固定的,被調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(guò)帶通濾波的辦法檢測該次諧波的值進(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,不能根據實(shí)際需要調整。

　　新型LC濾波回路將L和C的值設計成可分級調整的,其單回路結構如圖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(guò)控制器改變交流接觸器的導通狀態(tài),可以形成16種電抗、電容值的組合。實(shí)際應用中,可根據需要,增加電抗器和電容器的臺數,以形成更多電抗值和電容值搭配供選擇。如果有n臺電抗器,m臺電容器(可調的),則電抗值和電容值的組合數為2nm。這樣的設計,較之傳統的LC濾波回路,具有如下優(yōu)點(diǎn):①一套濾波回路可根據實(shí)際需要調諧成對不同次諧波進(jìn)行濾波,濾波回路對諧波的次數不是固定的;②當需要用濾波回路對某次諧波進(jìn)行濾波時(shí),投入濾波的容量也不是固定的,可根據實(shí)際需要調整;③可兼顧基波無(wú)功補償的需要。通過(guò)適當選擇電容值,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(wú)功補償的需要;④可避免與系統發(fā)生并聯(lián)諧振。當檢測到LC回路與系統發(fā)生并聯(lián)諧振或接近發(fā)生并聯(lián)諧振時(shí),可調整L、C參數,避開(kāi)諧振點(diǎn)。

　　當然,這種設計也存在結構、器件參數選擇較為復雜的問(wèn)題,此外,對控制器的諧波測量、控制策略也提出了更高的要求。

　　3　諧波的測量

　　傳統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,則分析測量出電網(wǎng)中多次諧波的含量,將LC濾波器調諧到諧波含量較高的某次諧波頻率點(diǎn)投入,并根據實(shí)際需要決定投入的容量。

　　電流和電壓信號經(jīng)信號調理電路,將從互感器過(guò)來(lái)的信號幅值轉換為A/D可以處理的信號。再由抗混疊低通濾波電路,濾去信號中不需要的高頻部分,送DSP" target=_blank>DSP進(jìn)行數據采樣和A/D轉換。DSP" target=_blank>DSP上自帶的12位ADC能夠滿(mǎn)足LC濾波裝置進(jìn)行諧波測量的速度和精度需要[4]。

　　DSP進(jìn)行數據采樣后,進(jìn)行FFT計算,分析各次諧波的含有量,并根據計算結果,按一定的控制策略通過(guò)輸出驅動(dòng)電路操作交流接觸器的閉合和斷開(kāi)。利用FFT分析諧波時(shí),存在柵欄效應,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,從而給諧波的測量帶來(lái)誤差。對此可采用插值、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(zhuān)門(mén)的諧波測量?jì)x器,不需要很高的諧波測量精度。試驗表明,不采用插值、加窗等算法處理,也完全能夠滿(mǎn)足測量控制的需要。

　　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,在調整時(shí),首先確定電容值,然后根據電容的值來(lái)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,應盡量選用大容量的電容器[6]。這樣做還可兼顧無(wú)功功率補償的需要,即可根據無(wú)功補償的需要確定電容值,再根據電容值來(lái)調整電抗器的值以滿(mǎn)足濾波的需要。

　4.2　以電流諧波為判據

　　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整濾波參數時(shí),都以檢測的電流諧波含有量作為判據。

　　4.3　不過(guò)補償

　　計算調整L、C濾波參數時(shí),應盡可能接近匹配補償,即LC串聯(lián)回路的基波等效阻抗值盡可能接近基波無(wú)功補償所需要的電容量,諧波等效阻抗值應盡可能滿(mǎn)足濾波的要求[7]。由于電容器和電抗器都是有級調整的,實(shí)際運行中很難恰好滿(mǎn)足需要,存在超過(guò)或不足的問(wèn)題。因此,在控制決策時(shí),應保持實(shí)際投入的容量盡可能接近并小于所需的容量,避免過(guò)補償引起系統發(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,并相應調整電抗值。此外,控制器還應能夠自動(dòng)檢測故障回路,并能夠自動(dòng)將故障回路剔除。

　　5　應　用

　　某企業(yè)的廠(chǎng)用電變壓器輸出側3次、7次和17次諧波電流含有量超標,10余年來(lái)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濾波裝置運行近一年,主要諧波電流含有量都比原來(lái)有所降低,并且功率因數由原來(lái)的0.83提高到0.90以上。改進(jìn)后的LC濾波裝置,運行噪音比原來(lái)小。

　　6　結　語(yǔ)

　　隨著(zhù)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(lái)越多。無(wú)源濾波器由于結構簡(jiǎn)單、運行可靠、維修方便,除濾波外還兼有無(wú)功補償的功能,以及容量可設計成很大而一直被廣泛應用。對傳統無(wú)源LC濾波器予以改進(jìn),設計新型配網(wǎng)無(wú)源LC濾波回路,并基于DSP" target=_blank>DSP技術(shù)研制諧波測量電路及設計控制策略,能夠有效地改進(jìn)其性能,使之更好地發(fā)揮作用。

　　【參考文獻】

　　[1]　瓦基萊.電力系統諧波:基本原理、分析方法和濾波器設計[M].徐政譯.北京:機械工業(yè)出版社,2003.

　　[2]　劉翼.諧波的危害及對諧波污染的治理[J].低壓電器,2007(16):48252.

　　[3]　劉飛,鄒云屏,李輝.C型混合有源電力濾波器[J].中國電機工程學(xué)報,2005,25,(6):75280.

　　[4]　蘇奎峰,呂強,耿慶鋒,等.TMS320F2812原理與開(kāi)發(fā)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.

　　[5]　胡廣書(shū).數字信號處理[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.

　　[6]　湯賜,羅安,榮飛,等.混合型并聯(lián)有源濾波器的設計及工程應用[J].電工技術(shù)學(xué)報,2007,22(6):1012106.

　　[7]　朱彬,陳眾勵.諧波與無(wú)功補償[J].低壓電器,2007(8):527.