图1 矿用单相谐波治理系统补偿原理
罗书克
(许昌学院 电气信息工程学院， 河南 许昌 461000)
摘要：针对由于低压单相用电设备增多造成电力系统中局部电流波形发生严重畸变的问题，设计了一种在低压系统中使用的单相谐波治理系统。该系统采用瞬时电流检测控制方法检测电流谐波含量，使变流器产生一个与电流谐波幅值相等、相位相反的电流分量，完全抵消系统中的电流谐波。实验结果表明，该系统补偿效果良好，使得谐波畸变率从治理前的76.3%下降到10.4%。
关键词：低压系统； 谐波治理； 畸变率； 瞬时电流检测控制
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
目前，矿山采用了很多单相智能变频器和单相智能负荷，这些单相智能设备中有大量的电力电子开关器件，而电力电子开关器件在工作过程中处于高速开关状态，会产生大量的谐波并注入到电网中，对电网造成了很大污染，致使电网波形发生严重畸变。畸变的波形造成电网中的用电设备使用寿命明显下降，并且使输电线路发热严重，甚至可能导致火灾。目前国内的相关研究主要集中在三相系统的谐波治理，对单相系统谐波治理的研究不多。对三相系统进行谐波治理时要求三相基本是平衡的，否则会导致某一相出现过补偿或欠补偿的现象，使补偿效果适得其反。参考文献[1-2]仅对低压系统中的无功补偿进行了详细阐述，没有涉及低压系统中的单相谐波治理。因此，设计矿用单相谐波治理系统对于提高矿山安全生产水平具有重要意义。
矿用单相谐波治理系统补偿原理如图1所示。由于用电设备处于非线性工作状态，所以会向系统输送各种谐波，此时采用电流互感器实时检测谐波电流波形，通过补偿算法分离出各次谐波分量和基波分量，并通过控制系统运算来实时调整有源滤波装置中MOS管的触发角，保证由MOS管组成的变流器注入系统中的补偿电流与用电设备产生的各次谐波电流大小相等、方向相反，二者相互抵消[3-5]，最终保证流入系统的电流为纯正弦波电流。
图1 矿用单相谐波治理系统补偿原理
2.1 系统结构
矿用单相谐波治理系统由主电路、控制电路、驱动电路和电流电压采集电路组成，如图2所示。首先检测用电负荷侧电网中的谐波分量，根据检测到的谐波分量大小，在相应的控制策略下，由控制电路发出指令，使主电路产生相应谐波分量，抵消掉电网中的谐波分量，达到谐波治理的目的。
图2 矿用单相谐波治理系统结构
2.2 主电路设计
低压用电设备中的谐波主要以3,5,7,9,11次谐波为主，如果对各次谐波分别治理的话，会增大谐波治理系统的体积，使用很不方便。因此，本文采用单相有源滤波的谐波治理系统，其硬件相对比较简单，主电路如图3所示。
图3 主电路
主电路中，L，N并接在需要谐波治理的任意插座上即可。K1为工作继电器，其有3幅接点，当系统工作时，2幅常开接点闭合，常闭接点断开；当系统出现异常停止工作时，常开接点断开，使系统脱离电网，常闭接点闭合，使储存在电容C1—C6中的电能释放出去，保证整个系统内部不储存电能。R1为放电电阻；L1，L2为进线电感，其作用主要是当电网电压与后级PWM电压存在差值时产生补偿电流；Q1—Q4组成PWM变流器，是系统的核心，与其并接的4只二极管为MOS管的体二极管，它保证了MOS关断时管子的安全，同时也使电能储存在电容C1—C4中。电容C1—C4的工作过程就是充放电过程，系统各次谐波矢量和的大小不同，则电容两端的电压高低不一样，但在补偿过程中电容两端电压幅值需要基本恒定；电容C5，C6为滤波电容，主要用于滤出直流侧的电压毛刺；电阻R2,R3主要用于检测电容两端的电压，保证其稳定；Ta为电流互感器，用于检测后端变流器中的电流，检测出的电流送入控制系统中，通过控制算法分离出基波电流和谐波电流，用于控制变流器中MOS管的触发角，保证变流器输出电流与系统产生的谐波电流刚好相互抵消。
2.3 控制电路设计
为了提高系统工作的实时性，加快运算速度，控制电路采用具有32位浮点计算加速器的TMS320F28035作为控制芯片。控制电路结构如图4所示。
图4 控制电路结构
首先通过采样电路采集系统电流、电网电压、直流电压，然后通过调理电路将采样结果转换到AD转换电路模拟通道输入范围内；由于交流电压、电流是正、负方向的，所以AD转换电路需要采用双向转换电路，转换之后送到CPU中通过内部算法计算并通过驱动电路将产生的PWM脉冲施加在变流器的MOS管上；锁相控制电路主要是为了保证补偿电流能可靠地与系统电流进行并联补偿，保障系统安全。
3.1 控制策略
控制策略是整个系统的核心部分，控制策略的优劣直接影响着整个系统的谐波治理效果。为此本文采用了瞬时电流检测控制方法[6-8]，其控制策略如图5所示。
图5 瞬时电流检测控制策略
图5中，ui为输入电压；il为负载电流;iO为被检测出来的需要补偿的谐波电流；Ip为有功基波电流幅值;ip为有功基波电流瞬时值；Iq为无功基波电流幅值;iq为无功基波电流瞬时值；LPF为低通滤波环节；PLL为锁相环，用于产生与输入电压同步的单位正余弦信号sin(ωt)和cos(ωt)。如果断开无功电流iq环节，则系统补偿的全部是谐波电流；如果并接无功电流iq环节，则系统不但可以补偿谐波电流，而且可以补偿系统无功。
3.2 系统软件设计
矿用单相谐波治理系统程序主要包括主程序、AD采样中断处理程序、PWM中断生成程序等。主程序主要完成系统初始化、人机接口处理、系统状态监测与控制等功能；AD采样中断处理程序完成系统各种信息的采集、谐波电流检测及PWM脉冲的产生等功能。主程序流程如图6所示。
图6 系统主程序流程
AD采样中断程序分为定时中断和AD转换结束中断程序2个部分。AD采样主要采用的是定时采样，定时中断主要用于启动AD转换。AD转换结束中断程序主要用来处理各种电压、电流值，最终得到需要补偿的谐波电流和无功补偿电流，据此产生PWM脉冲，程序流程如图7所示。
图7 AD转换结束中断程序流程
实验平台采用的负载为6台计算机、1台2 kW空调、1台液晶电视、1台投影、10台50 W的LED照明灯。实验中采集的波形和数据是通过FLUKE435电能质量分析仪得到的，如图8—图11所示。
图8 变流器补偿前负载电流波形
图9 变流器补偿后负载电流波形
图10 治理前系统电流中各次谐波含量
图11 治理后系统电流中各次谐波含量
由实验波形和数据可以看出，谐波治理后电流波形得到了明显改善，谐波畸变率从治理前的76.3%下降到10.4%，各次谐波也到了很大降低。
分析了矿用单相谐波治理系统补偿原理，并介绍了系统软硬件设计方案，通过实验验证了该系统谐波治理效果明显，在改善电流波形、降低各次谐波和谐波畸变率方面性能优越。
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中图分类号：TD611
文献标志码：A 网络出版时间：2015-12-31 16:01
文章编号：1671-251X(2016)01-0063-04 DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.01.019