基于DSP的无源LC滤波装置的改进

　　0　引　言

　　在现代工农业生产中,由于生产和节能的需要,大量地应用了非线性负载,尤其是电力电子装置和变频装置,谐波电流大量注入电网。随着科技的发展,生活用电中的非线性负载也越来越多,现代的空调多为变频的,洗衣机、电冰箱也大多使用的是直流电动机(即采用了整流装置),彩电、计算机更是使用了整流电路。这些非线性负载,在节能的同时,也在向电网注入谐波。

　　电网中的谐波使电压与电流波形发生畸变,导致供、配电设备产生附加谐波损耗,降低供、配电设备的效率,影响电力测量和计量仪表的正常工作,甚至导致继电保护装置误动或拒动。同时,谐波还会降低用电设备的效率,缩短用电设备的使用寿命,严重时会导致用电设备烧毁。谐波产生的辐射,会影响临近的其它弱电设备正常工作和人体健康[1]。

　　1　常见滤波器的种类

　　抑制谐波的办法通常有两种:一种是改造谐波源,另一种是滤波(补偿)。改造谐波源往往与电器的其他性能发生冲突,如节能产品的节能效果越好,产生的谐波就越多,要想减少发生的谐波,必须降低其节能效果,或大幅提高其造价。改造谐波源的办法适用于特定的场合及各种电器生产厂家。国家标准规定了有关电器产生谐波的限值,对谐波源的抑制起了一定的作用,但规定允许范围内的谐波还是要流入电网。因此,对于配网来说,主要还是靠滤波的办法进行谐波治理。

　　1.1　无源滤波器

　　电力无源滤波器(TSF)将L、C串联在一起并入电网,通过对L、C参数的适当选择,使LC串联电路在某次谐波的频率点发生串联谐振,阻抗最小,从而起到滤波的作用。由于TSF存在着滤波补偿特性依赖于电网和负载参数,L、C参数的漂移会导致滤波特性的改变,具有负的电压调整效应,同时又体积大、重量大,只能针对某次或某几次谐波进行滤波,容易同系统发生谐振等缺点[2]。

　　1.2　有源滤波器

　　有源滤波器(APF)是一种可动态地补偿谐波、无功及负序电流等的电力电子装置。它实时地检测需要补偿的谐波、无功及负序电流等分量,产生补偿电流与其相互抵消,使得流入电网的电流可按需要控制成为三相对称的正弦波,从而弥补无源滤波器的缺点,获得比无源滤波器更好的补偿特性。

　　APF具有可动态跟踪谐波源的变化进行补偿、体积相对较小、重量较轻等优点,但也有造价较高、运行维护不太方便等缺点,要广泛使用,目前还有一定困难。

　　1.3　混合型滤波器

　　混合型滤波器是将APF与TSF并联使用,其基本思想是利用TSF承担主要的谐波补偿任务,用APF来分担部分补偿任务,并提高整个滤波器的性能。综合型滤波器从某种程度上结合了两种滤波器的优点,是目前研究的方向,但仍然存在运行、维护不太方便的缺点,推广也有一定的难度。

　2　LC滤波主回路的改进

　　由于无源LC滤波器目前仍然是广泛使用的谐波抑制装置,如何利用新的技术对其进行改进,使之更好的扬长避短,是一个值得探讨的课题。

　　传统的LC滤波回路的电抗、电容值都是固定的,被调谐到某次谐波的频率点上,利用人工手动投切,也可利用控制器通过带通滤波的办法检测该次谐波的值进行自动投切。这种滤波回路的缺点是LC调谐的频率点固定,不能用于其他次谐波以及容量固定,投切都是一组,不能根据实际需要调整。

　　新型LC滤波回路将L和C的值设计成可分级调整的,其单回路结构如图1所示。图中:L1、L2为电抗器;C1、C2、C3为电容器;K1、K2、K3、K4为交流接触器。通过控制器改变交流接触器的导通状态,可以形成16种电抗、电容值的组合。实际应用中,可根据需要,增加电抗器和电容器的台数,以形成更多电抗值和电容值搭配供选择。如果有n台电抗器,m台电容器(可调的),则电抗值和电容值的组合数为2nm。这样的设计,较之传统的LC滤波回路,具有如下优点:①一套滤波回路可根据实际需要调谐成对不同次谐波进行滤波,滤波回路对谐波的次数不是固定的;②当需要用滤波回路对某次谐波进行滤波时,投入滤波的容量也不是固定的,可根据实际需要调整;③可兼顾基波无功补偿的需要。通过适当选择电容值,并固定电容值选择电抗值,从而在保证滤波效果的同时,又能兼顾基波无功补偿的需要;④可避免与系统发生并联谐振。当检测到LC回路与系统发生并联谐振或接近发生并联谐振时,可调整L、C参数,避开谐振点。

　　当然,这种设计也存在结构、器件参数选择较为复杂的问题,此外,对控制器的谐波测量、控制策略也提出了更高的要求。

　　3　谐波的测量

　　传统LC滤波装置的自动控制器通常采用模拟带通滤波的方法,检测电网中某次谐波的含量,以决定LC滤波器的投切。新型滤波器的自动控制器,则分析测量出电网中多次谐波的含量,将LC滤波器调谐到谐波含量较高的某次谐波频率点投入,并根据实际需要决定投入的容量。

　　电流和电压信号经信号调理电路,将从互感器过来的信号幅值转换为A/D可以处理的信号。再由抗混叠低通滤波电路,滤去信号中不需要的高频部分,送DSP" target=_blank>DSP进行数据采样和A/D转换。DSP" target=_blank>DSP上自带的12位ADC能够满足LC滤波装置进行谐波测量的速度和精度需要[4]。

　　DSP进行数据采样后,进行FFT计算,分析各次谐波的含有量,并根据计算结果,按一定的控制策略通过输出驱动电路操作交流接触器的闭合和断开。利用FFT分析谐波时,存在栅栏效应,由于电网的频率波动及非整周期采样,也存在泄漏效应,从而给谐波的测量带来误差。对此可采用插值、加窗等算法以减小误差[5]。实际上由于LC滤波装置的控制器并不是专门的谐波测量仪器,不需要很高的谐波测量精度。试验表明,不采用插值、加窗等算法处理,也完全能够满足测量控制的需要。

　　4　控制策略

　　4.1　电容优先

　　改进型LC滤波回路的电抗器和电容器都是可变的,在调整时,首先确定电容值,然后根据电容的值来决定电抗器的取值。由于滤波所需的电容值和电抗值成反比,而增加同等容量的电容器比电抗器从体积和造价上都要小得多,因此,在可能的情况下,应尽量选用大容量的电容器[6]。这样做还可兼顾无功功率补偿的需要,即可根据无功补偿的需要确定电容值,再根据电容值来调整电抗器的值以满足滤波的需要。

　4.2　以电流谐波为判据

　　由于实际的电网中,谐波都是以电流源的形式存在,故决定投入或切除滤波回路及调整滤波参数时,都以检测的电流谐波含有量作为判据。

　　4.3　不过补偿

　　计算调整L、C滤波参数时,应尽可能接近匹配补偿,即LC串联回路的基波等效阻抗值尽可能接近基波无功补偿所需要的电容量,谐波等效阻抗值应尽可能满足滤波的要求[7]。由于电容器和电抗器都是有级调整的,实际运行中很难恰好满足需要,存在超过或不足的问题。因此,在控制决策时,应保持实际投入的容量尽可能接近并小于所需的容量,避免过补偿引起系统发生谐振。

　　4.4　综合平衡

　　一个基于DSP" target=_blank>DSP的控制器,可控制多个LC回路的运行,因此,要综合平衡多个回路共同工作形成的基波等效阻抗,按照电流谐波含量从高到低的顺序,依次确定各回路所需的电容值,并相应调整电抗值。此外,控制器还应能够自动检测故障回路,并能够自动将故障回路剔除。

　　5　应　用

　　某企业的厂用电变压器输出侧3次、7次和17次谐波电流含有量超标,10余年来1直使用固定容量的LC滤波器利用人工投切的方式进行谐波治理。更换为改进后的LC滤波装置运行近一年,主要谐波电流含有量都比原来有所降低,并且功率因数由原来的0.83提高到0.90以上。改进后的LC滤波装置,运行噪音比原来小。

　　6　结　语

　　随着科技的发展和各种电力电子器件的普及,电网中的谐波含量也越来越多。无源滤波器由于结构简单、运行可靠、维修方便,除滤波外还兼有无功补偿的功能,以及容量可设计成很大而一直被广泛应用。对传统无源LC滤波器予以改进,设计新型配网无源LC滤波回路,并基于DSP" target=_blank>DSP技术研制谐波测量电路及设计控制策略,能够有效地改进其性能,使之更好地发挥作用。

　　【参考文献】

　　[1]　瓦基莱.电力系统谐波:基本原理、分析方法和滤波器设计[M].徐政译.北京:机械工业出版社,2003.

　　[2]　刘翼.谐波的危害及对谐波污染的治理[J].低压电器,2007(16):48252.

　　[3]　刘飞,邹云屏,李辉.C型混合有源电力滤波器[J].中国电机工程学报,2005,25,(6):75280.

　　[4]　苏奎峰,吕强,耿庆锋,等.TMS320F2812原理与开发[M].北京:电子工业出版社,2005.

　　[5]　胡广书.数字信号处理[M].北京:清华大学出版社,2003.

　　[6]　汤赐,罗安,荣飞,等.混合型并联有源滤波器的设计及工程应用[J].电工技术学报,2007,22(6):1012106.

　　[7]　朱彬,陈众励.谐波与无功补偿[J].低压电器,2007(8):527.