無功與諧波自動補償裝置設計的新方法

　　前言

　　隨著電力電子裝置的廣泛應用，電網中的諧波污染也日益嚴重。許多電力電子裝置的功率因數很低，也給電網帶來額外負擔并影響供電質量。可見消除諧波污染并提高功率因數，已成為電力電子技術中的一個重要的研究領域。解決電力電子裝置的諧波污染和低功率因數問題的基本思路有兩條： （1）裝設補償裝置，以補償其諧波和無功功率; （2）對電力電子裝置本身進行改進，使其不產生諧波，且不消耗無功功率，或根據需要對其功率因數進行控制。

　　1 諧波和無功功率的補償

　　1.1 無功功率的補償

　　用于補償無功功率的典型裝置有靜止無功補償器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）等類型。前者應用較多。

　　而動態無功補償，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通狀態的條件下，它可以對基波電流迅速地響應無功部分的變化，提供領先電流，以達到快速調節的目的。動補裝置有：同步調相機，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 ，其工作原理見圖1。

　　1.2 諧波的補償

　　用于補償諧波的典型裝置為電力有源濾波器，其基本原理見圖2。

　　電力有源濾波器能對變化的諧波進行迅速的動態跟蹤補償，且補償特性不受電網阻抗的影響，因而受到相當的重視。從與補償對象的連接方式來看，電力有源濾波器可分為并聯型和串聯型。并聯型中有單獨使用、LC 濾波器混合使用及注入電路方式。目前并聯型占實用裝置的大多數。

　　基于此項目合同的技術性能指標：①適用電源電壓等級：220 VAC，380VAC。②有源濾波器補償容量：50kVA （基波無功） ; 150A （最大瞬時補償電流）。③可以控制的無源補償網絡的功率等級：500kVA。④在無源補償網絡容量范圍內， 補償后的電源電流：功率因數高于0. 9，總諧波畸變系數（THD） 5% ，三相負載電流的不對稱系數 3%。

　　此項目采用與LC 濾波器并聯使用的并聯型有源濾波器。圖4 中的LC 濾波器若被用來與有源濾波器分擔補償相同次數的諧波，則可降低所需逆變器的容量; 若用來補償較高次的諧波，則起到了補充有源濾波器補償性能的作用。在這種方式下，有源濾波器也可以對無功功率進行調節。

　　1.3 無功與諧波自動補償裝置主電路結構設計

　　無功與諧波自動補償裝置采用了圖4 的主電路結構，即與無源濾波器并聯的并聯混合型有源濾波器， 其主電路結構原理如圖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、無源濾波器和并聯型有源電力濾波器組成。

　　無源濾波器采用晶閘管相控電抗器（TCR ）結構原理，可實現動態無功補償。有源濾波器由三相變流器主電路和DSP 全數字控制電路兩部分組成。PWM 變流器在結構上采用三相變流器結構，由大功率開關器件（IGBT）及驅動保護電路組成，以產生所需要的諧波補償電流。DSP 全數字控制電路部分由兩個DSP 為核心構成雙DSP 控制系統，用以完成數據采集，數據處理，電流跟蹤控制，系統保護等控制功能。

　　2 無功與諧波自動補償裝置控制系統設計

　　2.1 無源LC 濾波器控制系統設計

　　它由四部分組成：電抗器，電容器組（兼作濾波器），晶閘管閥和調節器。圖5 說明了TCR的工作原理，由于電容器C 為固定值，所以超前的無功功率Q c 也為固定值，當負載滯后而無功功率Q F 變化時，可以連續控制滯后無功QL ，使Q C -QL 變化。例如當Q F 增大時，則晶閘管閥控制的電抗器耗用的無功QL 減小。若Q F 減小，則QL 增大。不管負載的無功功率Q F 如何變化，總要使系統供給的無功功率QS = Q F + QL - QC 約為常數，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連接的晶閘管閥組成，利用晶閘管的相位控制，來改變電抗器的電流大小，以達到連續調整電抗器的基波無功功率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的設計

　　控制系統的雙DSP 芯片分別采用浮點芯片TM S320C6711 和定點芯片TM S320F2407， 以下簡稱為C6711 和F2407。對C6711 來講，其運算能力很強，有主頻100～ 150MHz，但片內資源和對外I/O 端口較少，邏輯處理能力也較弱，主要用于浮點計算和數據處理; 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，所以用于數據采集和過程控制。兩個DSP 芯片通過雙端口RAM 完成數據交換。通過這兩個DSP 芯片的互補結合，可充分發圖6　有源濾波器控制系統的結構框圖揮各自的優點，使控制系統達到最佳組合。

　　3 結論

　　提出了一種新的電力系統諧波與無功功率的綜合動態補償方式，對無功與諧波自動補償裝置主電路和控制系統工作原理進行了分析。根據裝置電源系統的諧波特點，采用無源濾波與有源濾波相結合。由于電源系統的容量很大，采用晶閘管相控電抗器（TCR）無源濾波器可大大降低成本。

　　由于電源系統的諧波對應于一個連續的頻譜，投入有源濾波器可以大大改善濾波性能，并能抑制LC 電路與電網之間的諧振。有源濾波器的控制系統采用了基于雙DSP 結構的全數字化控制平臺。

　　筆者在此項目的實踐中，選用了已成型的有源濾波器（其構成如圖3 如示），并結合現有的無功功率補償器，主要解決了補償中出現的諧振問題，并使得電力系統的功率因數提高到0. 9 以上，完全符合此項目合同的技術性能指標。同時使供電網的諧波得到了有效抑制。通過儀器檢測5 次、7 次等諧波電流幾乎為零值。