原创 基于双DSP的智能有源无功补偿器

摘要:将无源滤波器和有源滤波器组合起来的混合型滤波器综合了有源和无源滤波器的优势,对电力系统的性能的提高具有更好的作用。目前市场的混合型有源滤波器主要是针对不同工况环境条件单独进行设计的,因此其无源滤波和无功补偿部分的硬件都是针对一种谐波滤波电路进行设计的,设计单一,不能对变化的电网情况进行变化。在实际的电网系统中,同一个电网,在不同的用电情况下,电网的谐波和无功情况是不同的,所以该文提出了一种综合性的无源滤波器的设计方式。

采用可控晶闸管作为控制电容器和电抗器的开关,可以将电容器和电抗器进行不同组合。在用电单位发生变化的时候,可以根据监测的信号的特性进行分析和计算,总结出最优的滤波组合,使控制效果达到最优。通过模拟实验进行验证,输入不同的模拟信号进行采样信号分析,系统对不同的信号源做出了不同的控制策略,其结果是可靠的令人满意的。

关键词:谐波抑制;无功补偿;晶闸管投切;有源电力滤波器;DSP

1 概述

电力系统的谐波问题近几十年来得到愈来愈广泛的关注。基于无源补偿和有源滤波的优点,将LC无源滤波器和有源电力滤波器结合而形成了一种新型的有源无功补偿控制器,把无功功率补偿和谐波抑制融为一体,对电网谐波和无功进行综合补偿,既可保证无功功率的补偿,又能彻底抑制谐波,同时保证了电容器的安全运行。但这种结构并不是完美的。

目前无源进行无功补偿的方式主要有单调谐波滤波器,双调谐波滤波器和阻尼滤波器。这些滤波方式各有各的优点,适合于不同的谐波和电压环境,对不同的谐波具有不同的控制效果。根据大量谐波源的频谱分析可知,电力系统中谐波电流主要是5,7次,其次是3,11,13次,在不同的负载情况下,电网的电压和谐波情况也会发生变化,因此采用单一的无源滤波方式在有些情况下效果不是很理想,特别是在有源滤波不能提供高电压的滤波情况下。因此如果能在无源滤波的方式上进行改进可作为一种更好的方式。该文就是基于这样的思想进行改进的。

2 有源滤波与无源滤波串联混合型滤波器的结构和原理

2.1 混合型滤波器的硬件结构
图1给出了系统的主要硬件结构图。其中,TSF部分是我们研究的重点。该部分是可控晶闸管GTO或者IGBT控制的电容器和电抗器组成的滤波和无功补偿电路.通过控制晶闸管的开通和关闭,来调整TSF的结构。

图1 系统硬件结构图

图2 复合控制等效电路

从与电网和负载连接结构看,整个系统实质上是并联型的补偿装置,其中,能量较大的低次谐波和无功功率主要由TSF补偿,APF主要作用是抑制剩余谐波,并改善TSF的滤波器特性。

2.2 混合滤波器的补偿原理
采用检测负载电流和检测电网谐波电流的复合控制方法。其中,主令电流主要来自负载电流,可得到较好的谐波抑制效果;检测电网谐波电流则主要是为了防止无源器件与电网间可能发生的谐振。图2为系统的等效电路图。

假设有源电力滤波器是一个理想的受控电压源U_C(U_C=K_SI_Sh+K_LI_Lh,I_Sh和I_Lh分别为电网侧电流和负载侧电流的谐波分量),负载谐波源可以看作一个电流源I_L.图中Z_S为电源阻抗,Z_T为TSF的阻抗。

不接有源滤波器时,负载谐波电流I_Sh由TSF补偿,其补偿特性取决于Z_S和Z_T,由图2(a)可知如果电源阻抗很小(|Z_S|≈0),或无源滤波器没有调谐到负载所产生的谐波频率(|Z_T|>>|Z_S|),就达不到所要求的滤波特性.尤其是当Z_S与Z_T在特定频率处发生并联谐振时(|Z_T+Z_S|≈0),将出现谐波放大现象,流入电源电流比负载谐波电流还要大。

接入有源滤波器,并将其控制为一个电压源,即U_C=K_SI_Sh+K_LI_Lh(1),此时,有源滤波器将迫使负载中的谐波电流流入TSF,使得电源电流中不含谐波.由(1)式还可以看出,有源电力滤波器不承受基波电压,这使得有源滤波器的容量很小。

采用复合控制方法,通过适当的控制K_S和K_L,既可抑制负载谐波电流,又可抑制电网与无源器件间可能发生的谐振;并且两个控制系数K_S和K_L,是完全解耦的。因此,可以根据需要对两个系数进行完全独立的控制,从而获得满意的控制效果。

3 基于DSP的控制系统

3.1 控制系统的硬件组成和原理
为了满足控制系统的史诗性和快速性的要求,控制系统分析硬件电路设计采用两个TI公司的16位高速定点DSP芯片TMS320LF2407A作为控制和运算核心。检测电路采样被控对象的电压和电流,采样电压和电流分别被送到两个DSP中进行FFT或者小波分析,然后存储到一片公用的RAM中.再分析计算控制对象的谐波情况和无功情况。针对得出的谐波和无功情况,计算分别计算出在不同结构中的中的补偿和滤波的结果以及所需要的参数条件,然后进行比较以确定合适的结构,然后分别给控制系统输出控制信号来接通和关闭可控晶闸管,对系统进行控制。图3给出了控制系统的简图。

图3 控制系统结构图

3.2 控制系统的软件

控制控制系统的软件采用C语言和汇编语言来编程。在控制的过程中,对于控制可控晶闸管开关的信号以数组的方式存储在控制器中,而数组正是C语言所具有的特色,对于解决这一问题提供了极大的方便。图4给出了控制流程的简图。

图4 控制系统软件流程图

3.3 谐波及无功电流的检测
一般电网电流的组成可用(2)式描述:
i_s=i_spf+i_sqf+i_sh (2)
式中i_spf为瞬时基波有功电流;i_sqf为瞬时基波无功电流;i_sh为瞬时总谐波电流.除i_spf外,i_sqf和i_sh应设法消除。如能检测出i_spf和i_s,则i_sqf和i_sh可由
i_sqf+i_sh=i_s-i_spf算出。
按瞬时无功功率理论,i_p,i_q和三相电流i_a,i_b,i_c有如下关系:

经低通数字滤波后得到基波电流,i_pf,i_qf经过逆运算得出三相基波电流i_af,i_bf,i_cf,

再与i_a,i_b,i_c相减,即可得到谐波电流。

其中,
C₂₃=C^-1₃₂

与此同样的方法可以检测无功电流

4 实验结果

仿真实验是在模拟负载5MAV,电源电压380V工业条件下完成的。选择带有不同谐波的输入信号进行测试,系统都能更具输入信号的特性,计算出最优的控制策略,达到最优控制。在仿真过程中目前注重了无源滤波的效果和有源滤波发生器的电流压力。

图5是对一主要谐波成分为5次和7次谐波的信号进行补偿的仿真图。系统分析表明该信号适用于双调滤波方式(高次谐波采用2阶高通滤波器),此时的有源滤波器需要补偿的PWM波的电流最小,谐波余量最小。图中给出了在双调滤波方式所需要的有源补偿条件下采用单调和双调滤波方式的比较。(a)是输入信号;(b)为单调滤波方式下的波形;(c)是双调滤波方式下的波形;(d)是标准正弦电流波形。比较可见,要达到同样的补偿效果,单调滤波要比双调滤波提供更高的有源滤波电流,系统选择双调滤波是合理的。

图5 实验结果波形图

5 结束语

本文作者创新点:文章针对目前混合滤波器的无源滤波器部分通常采用固定的补偿拓扑结构,引入了可调节无功补偿拓扑结构。利用可控晶闸管GTO/IGBTO控制电容器和电抗器组成无功滤波拓扑结构,通过DSP分析计算电网的信号,比较计算的结果,选择最优的一种滤波结构,对变化的电网情况改变补偿的网络结构,而不是仅仅改变同一网络的滤波参数。本文在深入研究谐波和无功功率有源补偿技术的基础上,针对现存的混合型有源滤波器的无源滤波部分设计时只相对于一种谐波情况,对变化的信号不能改变滤波形式,当电网波动时增加有源滤波部分的压力的问题进行了改进。理论分析和仿真实验结果均表明:所选方案和控制方法是正确的、可行的,对电网谐波污染和无功损耗均有很好的抑制和补偿作用。