摘 要: 提出了基于双DSP 结构的有源滤波与无源滤波相结合的无功与谐波动态补偿原理和方案, 设计了无功与谐波自动补偿装置主电路结构与控制系统。采用晶闸管相控电抗器(TCR) 的无源滤波器可以增大电源系统的容量, 降低成本; 而采用基于双DSP 结构的有源滤波器可以大大改善滤波性能, 并能抑制LC 电路与电网之间的谐振, 提高补偿系统动态性能。此装置主要解决了补偿中的谐振问题, 并使电力系统的功率因数提高到0. 9 以上, 同时有效抑制了供电网的谐波。
关键词: 无功功率; 谐波; 补偿; 有源滤波; DSP
前 言
随着电力电子装置的广泛应用, 电网中的谐波污染也日益严重。许多电力电子装置的功率因数很低, 也给电网带来额外负担并影响供电质量。可见消除谐波污染并提高功率因数, 已成为电力电子技术中的一个重要的研究领域。解决电力电子装置的谐波污染和低功率因数问题的基本思路有两条: (1) 装设补偿装置, 以补偿其谐波和无功功率; (2) 对电力电子装置本身进行改进, 使其不产生谐波, 且不消耗无功功率, 或根据需要对其功率因数进行控制。
谐波和无功功率的补偿
无功功率的补偿
用于补偿无功功率的典型装置有静止无功补偿器SVC。在SVC 装置中, 主要有固定电容器加晶闸管控制电抗器(FC+ TCR ) 和晶闸管投切电容器(TSC) 等类型。前者应用较多。
而动态无功补偿, 它的主要元件是静电电容器和电抗器, 利用晶闸管在改变其导通状态的条件下, 它可以对基波电流迅速地响应无功部分的变化, 提供领先电流, 以达到快速调节的目的。动补装置有: 同步调相机, 自饱和电抗器, 可控饱和电抗器, 晶闸管投切电容器, 晶闸管相控电抗器,晶闸管相控高阻抗变压器等。本装置采用的是晶闸管相控电抗器(TCR ) , 其工作原理见图1。
谐波的补偿
用于补偿谐波的典型装置为电力有源滤波器, 其基本原理见图2。
电力有源滤波器能对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿, 且补偿特性不受电网阻抗的影响,因而受到相当的重视。从与补偿对象的连接方式来看, 电力有源滤波器可分为并联型和串联型。并联型中有单独使用、LC 滤波器混合使用及注入电路方式。目前并联型占实用装置的大多数。
基于此项目合同的技术性能指标: ①适用电源电压等级: 220 VAC, 380VAC。②有源滤波器补偿容量: 50kVA (基波无功) ; 150A (最大瞬时补偿电流)。③可以控制的无源补偿网络的功率等级:500kVA。④在无源补偿网络容量范围内, 补偿后的电源电流: 功率因数高于0. 9, 总谐波畸变系数(THD) < 5% , 三相负载电流的不对称系数< 3%。
此项目采用与LC 滤波器并联使用的并联型有源滤波器。图4 中的LC 滤波器若被用来与有源滤波器分担补偿相同次数的谐波, 则可降低所需逆变器的容量; 若用来补偿较高次的谐波, 则起到了补充有源滤波器补偿性能的作用。在这种方式下, 有源滤波器也可以对无功功率进行调节。
无功与谐波自动补偿装置主电路结构设计
无功与谐波自动补偿装置采用了图4 的主电路结构, 即与无源滤波器并联的并联混合型有源滤波器, 其主电路结构原理如图3 所示。主要由三相隔离变压器、三相相控整流器、L EM 传感器、无源滤波器和并联型有源电力滤波器组成。
无源滤波器采用晶闸管相控电抗器(TCR )结构原理, 可实现动态无功补偿。有源滤波器由三相变流器主电路和DSP 全数字控制电路两部分组成。PWM 变流器在结构上采用三相变流器结构, 由大功率开关器件( IGBT ) 及驱动保护电路组成, 以产生所需要的谐波补偿电流。DSP 全数字控制电路部分由两个DSP 为核心构成双DSP 控制系统, 用以完成数据采集, 数据处理, 电流跟踪控制, 系统保护等控制功能。
无功与谐波自动补偿装置控制系统设计
无源LC 滤波器控制系统设计
它由四部分组成: 电抗器, 电容器组(兼作滤波器) , 晶闸管阀和调节器。图5 说明了TCR的工作原理, 由于电容器C 为固定值, 所以超前的无功功率Q c 也为固定值, 当负载滞后而无功功率Q F 变化时, 可以连续控制滞后无功QL , 使Q C -QL 变化。例如当Q F 增大时, 则晶闸管阀控制的电抗器耗用的无功QL 减小。若Q F 减小, 则QL 增大。不管负载的无功功率Q F 如何变化, 总要使系统供给的无功功率QS = Q F + QL - QC 约为常数,以限制电压的闪变。
用以控制QL 的可变电抗器, 由电抗器与各相反并联连接的晶闸管阀组成, 利用晶闸管的相位控制, 来改变电抗器的电流大小, 以达到连续调整电抗器的基波无功功率QL , 相位控制角从90°改变到180°,QL (基波) 从100% 变化到零。
有源滤波器控制系统的设计
控制系统的双DSP 芯片分别采用浮点芯片TM S320C6711 和定点芯片TM S320F2407, 以下简称为C6711 和F2407。对C6711 来讲, 其运算能力很强, 有主频100～ 150MHz, 但片内资源和对外I/O 端口较少, 逻辑处理能力也较弱, 主要用于浮点计算和数据处理; 而F2407 正好相反, 其片外接口资源丰富, I/O 端口使用方便, 但其精度和速度有一定限制, 所以用于数据采集和过程控制。两个DSP 芯片通过双端口RAM 完成数据交换。通过这两个DSP 芯片的互补结合, 可充分发图6 有源滤波器控制系统的结构框图挥各自的优点, 使控制系统达到最佳组合。
结论
提出了一种新的电力系统谐波与无功功率的综合动态补偿方式, 对无功与谐波自动补偿装置主电路和控制系统工作原理进行了分析。根据装置电源系统的谐波特点, 采用无源滤波与有源滤波相结合。由于电源系统的容量很大, 采用晶闸管相控电抗器(TCR) 无源滤波器可大大降低成本。
由于电源系统的谐波对应于一个连续的频谱, 投入有源滤波器可以大大改善滤波性能, 并能抑制LC 电路与电网之间的谐振。有源滤波器的控制系统采用了基于双DSP 结构的全数字化控制平台。
笔者在此项目的实践中, 选用了已成型的有源滤波器(其构成如图3 如示) , 并结合现有的无功功率补偿器, 主要解决了补偿中出现的谐振问题, 并使得电力系统的功率因数提高到0. 9 以上,完全符合此项目合同的技术性能指标。同时使供电网的谐波得到了有效抑制。通过仪器检测5 次、7 次等谐波电流几乎为零值。
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