礦用單相諧波治理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅書克

(許昌學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院， 河南 許昌　461000)

?

礦用單相諧波治理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅書克

(許昌學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院， 河南 許昌461000)

摘要：針對(duì)由于低壓?jiǎn)蜗嘤秒娫O(shè)備增多造成電力系統(tǒng)中局部電流波形發(fā)生嚴(yán)重畸變的問題，設(shè)計(jì)了一種在低壓系統(tǒng)中使用的單相諧波治理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用瞬時(shí)電流檢測(cè)控制方法檢測(cè)電流諧波含量，使變流器產(chǎn)生一個(gè)與電流諧波幅值相等、相位相反的電流分量，完全抵消系統(tǒng)中的電流諧波。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)補(bǔ)償效果良好，使得諧波畸變率從治理前的76.3%下降到10.4%。

關(guān)鍵詞：低壓系統(tǒng)； 諧波治理； 畸變率； 瞬時(shí)電流檢測(cè)控制

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20151231.1601.019.html

Design of mine-used single-phase harmonic suppression system

LUO Shuke

(College of Electrical and Information Engineering, Xuchang University, Xuchang 461000, China)

Abstract：In view of problem of severe distortion of local current wave caused by increase of low-voltage single-phase electrical equipment, a kind of single-phase harmonic suppression system used in low-voltage system was designed. The system uses instantaneous current detection control method to detect current harmonic content, so that the converter generates a current component which has the same amplitude and opposite phase with current harmonic, and can fully offset system current harmonics. Experimental results show that the system has good effect of compensation, and makes harmonic distortion rate fall from 76.3% to 10.4%.

[WTHZ]Key words[WTBZ]:low-voltage system; harmonic suppression; distortion rate; instantaneous current detection control

0引言

目前，礦山采用了很多單相智能變頻器和單相智能負(fù)荷，這些單相智能設(shè)備中有大量的電力電子開關(guān)器件，而電力電子開關(guān)器件在工作過程中處于高速開關(guān)狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生大量的諧波并注入到電網(wǎng)中，對(duì)電網(wǎng)造成了很大污染，致使電網(wǎng)波形發(fā)生嚴(yán)重畸變。畸變的波形造成電網(wǎng)中的用電設(shè)備使用壽命明顯下降，并且使輸電線路發(fā)熱嚴(yán)重，甚至可能導(dǎo)致火災(zāi)。目前國內(nèi)的相關(guān)研究主要集中在三相系統(tǒng)的諧波治理，對(duì)單相系統(tǒng)諧波治理的研究不多。對(duì)三相系統(tǒng)進(jìn)行諧波治理時(shí)要求三相基本是平衡的，否則會(huì)導(dǎo)致某一相出現(xiàn)過補(bǔ)償或欠補(bǔ)償?shù)默F(xiàn)象，使補(bǔ)償效果適得其反。參考文獻(xiàn)[1-2]僅對(duì)低壓系統(tǒng)中的無功補(bǔ)償進(jìn)行了詳細(xì)闡述，沒有涉及低壓系統(tǒng)中的單相諧波治理。因此，設(shè)計(jì)礦用單相諧波治理系統(tǒng)對(duì)于提高礦山安全生產(chǎn)水平具有重要意義。

1系統(tǒng)補(bǔ)償原理

礦用單相諧波治理系統(tǒng)補(bǔ)償原理如圖1所示。由于用電設(shè)備處于非線性工作狀態(tài)，所以會(huì)向系統(tǒng)輸送各種諧波，此時(shí)采用電流互感器實(shí)時(shí)檢測(cè)諧波電流波形，通過補(bǔ)償算法分離出各次諧波分量和基波分量，并通過控制系統(tǒng)運(yùn)算來實(shí)時(shí)調(diào)整有源濾波裝置中MOS管的觸發(fā)角，保證由MOS管組成的變流器注入系統(tǒng)中的補(bǔ)償電流與用電設(shè)備產(chǎn)生的各次諧波電流大小相等、方向相反，二者相互抵消[3-5]，最終保證流入系統(tǒng)的電流為純正弦波電流。

圖1　礦用單相諧波治理系統(tǒng)補(bǔ)償原理

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

礦用單相諧波治理系統(tǒng)由主電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和電流電壓采集電路組成，如圖2所示。首先檢測(cè)用電負(fù)荷側(cè)電網(wǎng)中的諧波分量，根據(jù)檢測(cè)到的諧波分量大小，在相應(yīng)的控制策略下，由控制電路發(fā)出指令，使主電路產(chǎn)生相應(yīng)諧波分量，抵消掉電網(wǎng)中的諧波分量，達(dá)到諧波治理的目的。

圖2　礦用單相諧波治理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2主電路設(shè)計(jì)

低壓用電設(shè)備中的諧波主要以3,5,7,9,11次諧波為主，如果對(duì)各次諧波分別治理的話，會(huì)增大諧波治理系統(tǒng)的體積，使用很不方便。因此，本文采用單相有源濾波的諧波治理系統(tǒng)，其硬件相對(duì)比較簡(jiǎn)單，主電路如圖3所示。

圖3　主電路

主電路中，L，N并接在需要諧波治理的任意插座上即可。K1為工作繼電器，其有3幅接點(diǎn)，當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，2幅常開接點(diǎn)閉合，常閉接點(diǎn)斷開；當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常停止工作時(shí)，常開接點(diǎn)斷開，使系統(tǒng)脫離電網(wǎng)，常閉接點(diǎn)閉合，使儲(chǔ)存在電容C1—C6中的電能釋放出去，保證整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部不儲(chǔ)存電能。R1為放電電阻；L1，L2為進(jìn)線電感，其作用主要是當(dāng)電網(wǎng)電壓與后級(jí)PWM電壓存在差值時(shí)產(chǎn)生補(bǔ)償電流；Q1—Q4組成PWM變流器，是系統(tǒng)的核心，與其并接的4只二極管為MOS管的體二極管，它保證了MOS關(guān)斷時(shí)管子的安全，同時(shí)也使電能儲(chǔ)存在電容C1—C4中。電容C1—C4的工作過程就是充放電過程，系統(tǒng)各次諧波矢量和的大小不同，則電容兩端的電壓高低不一樣，但在補(bǔ)償過程中電容兩端電壓幅值需要基本恒定；電容C5，C6為濾波電容，主要用于濾出直流側(cè)的電壓毛刺；電阻R2,R3主要用于檢測(cè)電容兩端的電壓，保證其穩(wěn)定；Ta為電流互感器，用于檢測(cè)后端變流器中的電流，檢測(cè)出的電流送入控制系統(tǒng)中，通過控制算法分離出基波電流和諧波電流，用于控制變流器中MOS管的觸發(fā)角，保證變流器輸出電流與系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波電流剛好相互抵消。

2.3控制電路設(shè)計(jì)

為了提高系統(tǒng)工作的實(shí)時(shí)性，加快運(yùn)算速度，控制電路采用具有32位浮點(diǎn)計(jì)算加速器的TMS320F28035作為控制芯片。控制電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　控制電路結(jié)構(gòu)

首先通過采樣電路采集系統(tǒng)電流、電網(wǎng)電壓、直流電壓，然后通過調(diào)理電路將采樣結(jié)果轉(zhuǎn)換到AD轉(zhuǎn)換電路模擬通道輸入范圍內(nèi)；由于交流電壓、電流是正、負(fù)方向的，所以AD轉(zhuǎn)換電路需要采用雙向轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換之后送到CPU中通過內(nèi)部算法計(jì)算并通過驅(qū)動(dòng)電路將產(chǎn)生的PWM脈沖施加在變流器的MOS管上；鎖相控制電路主要是為了保證補(bǔ)償電流能可靠地與系統(tǒng)電流進(jìn)行并聯(lián)補(bǔ)償，保障系統(tǒng)安全。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1控制策略

控制策略是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，控制策略的優(yōu)劣直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的諧波治理效果。為此本文采用了瞬時(shí)電流檢測(cè)控制方法[6-8]，其控制策略如圖5所示。

圖5　瞬時(shí)電流檢測(cè)控制策略

圖5中，ui為輸入電壓；il為負(fù)載電流;iO為被檢測(cè)出來的需要補(bǔ)償?shù)闹C波電流；Ip為有功基波電流幅值;ip為有功基波電流瞬時(shí)值；Iq為無功基波電流幅值;iq為無功基波電流瞬時(shí)值；LPF為低通濾波環(huán)節(jié)；PLL為鎖相環(huán)，用于產(chǎn)生與輸入電壓同步的單位正余弦信號(hào)sin(ωt)和cos(ωt)。如果斷開無功電流iq環(huán)節(jié)，則系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)娜渴侵C波電流；如果并接無功電流iq環(huán)節(jié)，則系統(tǒng)不但可以補(bǔ)償諧波電流，而且可以補(bǔ)償系統(tǒng)無功。

3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

礦用單相諧波治理系統(tǒng)程序主要包括主程序、AD采樣中斷處理程序、PWM中斷生成程序等。主程序主要完成系統(tǒng)初始化、人機(jī)接口處理、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制等功能；AD采樣中斷處理程序完成系統(tǒng)各種信息的采集、諧波電流檢測(cè)及PWM脈沖的產(chǎn)生等功能。主程序流程如圖6所示。

圖6　系統(tǒng)主程序流程

AD采樣中斷程序分為定時(shí)中斷和AD轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷程序2個(gè)部分。AD采樣主要采用的是定時(shí)采樣，定時(shí)中斷主要用于啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換。AD轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷程序主要用來處理各種電壓、電流值，最終得到需要補(bǔ)償?shù)闹C波電流和無功補(bǔ)償電流，據(jù)此產(chǎn)生PWM脈沖，程序流程如圖7所示。

圖7　AD轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷程序流程

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用的負(fù)載為6臺(tái)計(jì)算機(jī)、1臺(tái)2 kW空調(diào)、1臺(tái)液晶電視、1臺(tái)投影、10臺(tái)50 W的LED照明燈。實(shí)驗(yàn)中采集的波形和數(shù)據(jù)是通過FLUKE435電能質(zhì)量分析儀得到的，如圖8—圖11所示。

圖8　變流器補(bǔ)償前負(fù)載電流波形

圖9　變流器補(bǔ)償后負(fù)載電流波形

圖10　治理前系統(tǒng)電流中各次諧波含量

圖11　治理后系統(tǒng)電流中各次諧波含量

由實(shí)驗(yàn)波形和數(shù)據(jù)可以看出，諧波治理后電流波形得到了明顯改善，諧波畸變率從治理前的76.3%下降到10.4%，各次諧波也到了很大降低。

5結(jié)語

分析了礦用單相諧波治理系統(tǒng)補(bǔ)償原理，并介紹了系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)方案，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)諧波治理效果明顯，在改善電流波形、降低各次諧波和諧波畸變率方面性能優(yōu)越。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅書克,張?jiān)?分布電能治理型電力載波抄表系統(tǒng)控制研究[J].自動(dòng)化儀表,2014,35(6):11-13.

[2]羅書克,張?jiān)?低壓無功補(bǔ)償型電力載波智能抄表系統(tǒng)研究[J].自動(dòng)化儀表,2011,33(5):33-35.

[3]宋戰(zhàn)鋒,夏長(zhǎng)量,谷鑫.靜止坐標(biāo)系下基于最優(yōu)時(shí)序的電壓型PWM整流器電流預(yù)測(cè)控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,28(3):234-240.

[4]何英杰,劉進(jìn)軍,王兆安.一種基于瞬時(shí)無功功率理論的數(shù)字諧波檢測(cè)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2010,25(8):185-192.

[5]許曉彥,楊才建.有源電力濾波器空間矢量脈寬調(diào)制電流跟蹤算法的優(yōu)化[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2012,36(4):80-84.

[6]楊勝躍,吳敏,黃深喜,等.一種考慮頻率偏移的諧波電流檢測(cè)力法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2012,36(7):57-61.

[7]李自成,劉國海.基于傅里葉級(jí)數(shù)的單相有源電力濾波器諧波電流檢測(cè)方法[M].北京:科學(xué)出版社,2012.

[8]曾令全,曾德俊,吳杰,等.用于有源濾波器諧波檢測(cè)的一種新方法[J].電網(wǎng)技術(shù),2008,32(13):40-44.

羅書克.礦用單相諧波治理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(1)：63-66.

中圖分類號(hào)：TD611

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2015-12-31 16:01

文章編號(hào)：1671-251X(2016)01-0063-04DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.01.019