1、    基于DSP的無源LC濾波裝置的改進摘要:提出了一種基于DSP" target=_blank>DSP的無源濾波裝置的改進方案。將LC濾波主回路的L、C值設計成可分級調整,并以DSP" target=_blank>DSP為核心設計了諧波測量電路,提出新的濾波控制策略。應用結果表明,和原LC濾波器相比,改進后的無源濾波裝置進一步降低了主要諧波電流含量和運行噪聲,提高了功率因數。0引言在現代工農業生產中,由于生產和節能的需要,大量地應用了非線性負載,尤其是電力電子裝置和變頻裝置,諧波摘要:提出了一種基于DSP"

2、target=_blank>DSP的無源濾波裝置的改進方案。將LC濾波主回路的L、C值設計成可分級調整,并以DSP" target=_blank>DSP為核心設計了諧波測量電路,提出新的濾波控制策略。應用結果表明,和原LC濾波器相比,改進后的無源濾波裝置進一步降低了主要諧波電流含量和運行噪聲,提高了功率因數。0引言在現代工農業生產中,由于生產和節能的需要,大量地應用了非線性負載,尤其是電力電子裝置和變頻裝置,諧波電流大量注入電網。隨著科技的發展,生活用電中的非線性負載也越來越多,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機(即采用了整流裝置),彩電、計算機

3、更是使用了整流電路。這些非線性負載,在節能的同時,也在向電網注入諧波。電網中的諧波使電壓與電流波形發生畸變,導致供、配電設備產生附加諧波損耗,降低供、配電設備的效率,影響電力測量和計量儀表的正常工作,甚至導致繼電保護裝置誤動或拒動。同時,諧波還會降低用電設備的效率,縮短用電設備的使用壽命,嚴重時會導致用電設備燒毀。諧波產生的輻射,會影響臨近的其它弱電設備正常工作和人體健康1。1常見濾波器的種類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生沖突,如節能產品的節能效果越好,產生的諧波就越多,要想減少發生的諧波,必須降低其節能效果,或大幅提高其造

4、價。改造諧波源的辦法適用于特定的場合及各種電器生產廠家。國家標準規定了有關電器產生諧波的限值,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。因此,對于配網來說,主要還是靠濾波的辦法進行諧波治理。1.1無源濾波器電力無源濾波器(TSF)將L、C串聯在一起并入電網,通過對L、C參數的適當選擇,使LC串聯電路在某次諧波的頻率點發生串聯諧振,阻抗最小,從而起到濾波的作用。由于TSF存在著濾波補償特性依賴于電網和負載參數,L、C參數的漂移會導致濾波特性的改變,具有負的電壓調整效應,同時又體積大、重量大,只能針對某次或某幾次諧波進行濾波,容易同系統發生諧振等缺點2。1.2有源濾波器有

5、源濾波器(APF)是一種可動態地補償諧波、無功及負序電流等的電力電子裝置。它實時地檢測需要補償的諧波、無功及負序電流等分量,產生補償電流與其相互抵消,使得流入電網的電流可按需要控制成為三相對稱的正弦波,從而彌補無源濾波器的缺點,獲得比無源濾波器更好的補償特性。APF具有可動態跟蹤諧波源的變化進行補償、體積相對較小、重量較輕等優點,但也有造價較高、運行維護不太方便等缺點,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并聯使用,其基本思想是利用TSF承擔主要的諧波補償任務,用APF來分擔部分補償任務,并提高整個濾波器的性能。綜合型濾波器從某種程度上結合了兩種濾波器的

6、優點,是目前研究的方向,但仍然存在運行、維護不太方便的缺點,推廣也有一定的難度。2LC濾波主回路的改進由于無源LC濾波器目前仍然是廣泛使用的諧波抑制裝置,如何利用新的技術對其進行改進,使之更好的揚長避短,是一個值得探討的課題。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上,利用人工手動投切,也可利用控制器通過帶通濾波的辦法檢測該次諧波的值進行自動投切。這種濾波回路的缺點是LC調諧的頻率點固定,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、C

7、3為電容器;K1、K2、K3、K4為交流接觸器。通過控制器改變交流接觸器的導通狀態,可以形成16種電抗、電容值的組合。實際應用中,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,具有如下優點:一套濾波回路可根據實際需要調諧成對不同次諧波進行濾波,濾波回路對諧波的次數不是固定的;當需要用濾波回路對某次諧波進行濾波時,投入濾波的容量也不是固定的,可根據實際需要調整;可兼顧基波無功補償的需要。通過適當選擇電容值,并固定電容值選擇電抗值,從而在保證濾波效果的同時,又能

8、兼顧基波無功補償的需要;可避免與系統發生并聯諧振。當檢測到LC回路與系統發生并聯諧振或接近發生并聯諧振時,可調整L、C參數,避開諧振點。當然,這種設計也存在結構、器件參數選擇較為復雜的問題,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濾波裝置的自動控制器通常采用模擬帶通濾波的方法,檢測電網中某次諧波的含量,以決定LC濾波器的投切。新型濾波器的自動控制器,則分析測量出電網中多次諧波的含量,將LC濾波器調諧到諧波含量較高的某次諧波頻率點投入,并根據實際需要決定投入的容量。電流和電壓信號經信號調理電路,將從互感器過來的信號幅值轉換為A/D可以處理的信號。再由抗混疊低通濾

9、波電路,濾去信號中不需要的高頻部分,送DSP" target=_blank>DSP進行數據采樣和A/D轉換。DSP" target=_blank>DSP上自帶的12位ADC能夠滿足LC濾波裝置進行諧波測量的速度和精度需要4。DSP進行數據采樣后,進行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輸出驅動電路操作交流接觸器的閉合和斷開。利用FFT分析諧波時,存在柵欄效應,由于電網的頻率波動及非整周期采樣,也存在泄漏效應,從而給諧波的測量帶來誤差。對此可采用插值、加窗等算法以減小誤差5。實際上由于LC濾波裝置的控制器并不是專門的諧波測量儀器,

10、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,也完全能夠滿足測量控制的需要。4控制策略4.1電容優先改進型LC濾波回路的電抗器和電容器都是可變的,在調整時,首先確定電容值,然后根據電容的值來決定電抗器的取值。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。這樣做還可兼顧無功功率補償的需要,即可根據無功補償的需要確定電容值,再根據電容值來調整電抗器的值以滿足濾波的需要。4.2以電流諧波為判據由于實際的電網中,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,都以檢測

11、的電流諧波含有量作為判據。4.3不過補償計算調整L、C濾波參數時,應盡可能接近匹配補償,即LC串聯回路的基波等效阻抗值盡可能接近基波無功補償所需要的電容量,諧波等效阻抗值應盡可能滿足濾波的要求7。由于電容器和電抗器都是有級調整的,實際運行中很難恰好滿足需要,存在超過或不足的問題。因此,在控制決策時,應保持實際投入的容量盡可能接近并小于所需的容量,避免過補償引起系統發生諧振。4.4綜合平衡一個基于DSP" target=_blank>DSP的控制器,可控制多個LC回路的運行,因此,要綜合平衡多個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

12、容值,并相應調整電抗值。此外,控制器還應能夠自動檢測故障回路,并能夠自動將故障回路剔除。5應用6結語隨著科技的發展和各種電力電子器件的普及,電網中的諧波含量也越來越多。無源濾波器由于結構簡單、運行可靠、維修方便,除濾波外還兼有無功補償的功能,以及容量可設計成很大而一直被廣泛應用。對傳統無源LC濾波器予以改進,設計新型配網無源LC濾波回路,并基于DSP" target=_blank>DSP技術研制諧波測量電路及設計控制策略,能夠有效地改進其性能,使之更好地發揮作用。【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