无功与谐波自动补偿装置设计的新方法

　　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。

　　1 谐波和无功功率的补偿

　　1.1 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。

　　1.2 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。

　　1.3 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。

　　2 无功与谐波自动补偿装置控制系统设计

　　2.1 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。

　　2.2 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。

　　3 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。