基于DSP的无源LC滤波装置的改进

　摘　要:提出了一种基于DSP" target=_blank>DSP的无源滤波装置的改进方案。将LC滤波主回路的L、C值设计成可分级调整,并以DSP" target=_blank>DSP为核心设计了谐波测量电路,提出新的滤波控制策略。应用结果表明,和原LC滤波器相比,改进后的无源滤波装置进一步降低了主要谐波电流含量和运行噪声,提高了功率因数。

　　0　引　言

　　在现代工农业生产中,由于生产和节能的需要,大量地应用了非线性负载,尤其是电力电子装置和变频装置,谐波电流大量注入电网。随着科技的发展,生活用电中的非线性负载也越来越多,现代的空调多为变频的,洗衣机、电冰箱也大多使用的是直流电动机(即采用了整流装置),彩电、计算机更是使用了整流电路。这些非线性负载,在节能的同时,也在向电网注入谐波。

　　电网中的谐波使电压与电流波形发生畸变,导致供、配电设备产生附加谐波损耗,降低供、配电设备的效率,影响电力测量和计量仪表的正常工作,甚至导致继电保护装置误动或拒动。同时,谐波还会降低用电设备的效率,缩短用电设备的使用寿命,严重时会导致用电设备烧毁。谐波产生的辐射,会影响临近的其它弱电设备正常工作和人体健康[1]。

　　1　常见滤波器的种类

　　抑制谐波的办法通常有两种:一种是改造谐波源,另一种是滤波(补偿)。改造谐波源往往与电器的其他性能发生冲突,如节能产品的节能效果越好,产生的谐波就越多,要想减少发生的谐波,必须降低其节能效果,或大幅提高其造价。改造谐波源的办法适用于特定的场合及各种电器生产厂家。国家标准规定了有关电器产生谐波的限值,对谐波源的抑制起了一定的作用,但规定允许范围内的谐波还是要流入电网。因此,对于配网来说,主要还是靠滤波的办法进行谐波治理。

　　1.1　无源滤波器

　　电力无源滤波器(TSF)将L、C串联在一起并入电网,通过对L、C参数的适当选择,使LC串联电路在某次谐波的频率点发生串联谐振,阻抗最小,从而起到滤波的作用。由于TSF存在着滤波补偿特性依赖于电网和负载参数,L、C参数的漂移会导致滤波特性的改变,具有负的电压调整效应,同时又体积大、重量大,只能针对某次或某几次谐波进行滤波,容易同系统发生谐振等缺点[2]。

　　1.2　有源滤波器

　　有源滤波器(APF)是一种可动态地补偿谐波、无功及负序电流等的电力电子装置。它实时地检测需要补偿的谐波、无功及负序电流等分量,产生补偿电流与其相互抵消,使得流入电网的电流可按需要控制成为三相对称的正弦波,从而弥补无源滤波器的缺点,获得比无源滤波器更好的补偿特性。

　　APF具有可动态跟踪谐波源的变化进行补偿、体积相对较小、重量较轻等优点,但也有造价较高、运行维护不太方便等缺点,要广泛使用,目前还有一定困难。

　　1.3　混合型滤波器

　　混合型滤波器是将APF与TSF并联使用,其基本思想是利用TSF承担主要的谐波补偿任务,用APF来分担部分补偿任务,并提高整个滤波器的性能。综合型滤波器从某种程度上结合了两种滤波器的优点,是目前研究的方向,但仍然存在运行、维护不太方便的缺点,推广也有一定的难度。

　2　LC滤波主回路的改进

　　由于无源LC滤波器目前仍然是广泛使用的谐波抑制装置,如何利用新的技术对其进行改进,使之更好的扬长避短,是一个值得探讨的课题。

　　传统的LC滤波回路的电抗、电容值都是固定的,被调谐到某次谐波的频率点上,利用人工手动投切,也可利用控制器通过带通滤波的办法检测该次谐波的值进行自动投切。这种滤波回路的缺点是LC调谐的频率点固定,不能用于其他次谐波以及容量固定,投切都是一组,不能根据实际需要调整。

　　新型LC滤波回路将L和C的值设计成可分级调整的,其单回路结构如图1所示。图中:L1、L2为电抗器;C1、C2、C3为电容器;K1、K2、K3、K4为交流接触器。通过控制器改变交流接触器的导通状态,可以形成16种电抗、电容值的组合。实际应用中,可根据需要,增加电抗器和电容器的台数,以形成更多电抗值和电容值搭配供选择。如果有n台电抗器,m台电容器(可调的),则电抗值和电容值的组合数为2nm。这样的设计,较之传统的LC滤波回路,具有如下优点:①一套滤波回路可根据实际需要调谐成对不同次谐波进行滤波,滤波回路对谐波的次数不是固定的;②当需要用滤波回路对某次谐波进行滤波时,投入滤波的容量也不是固定的,可根据实际需要调整;③可兼顾基波无功补偿的需要。通过适当选择电容值,并固定电容值选择电抗值,从而在保证滤波效果的同时,又能兼顾基波无功补偿的需要;④可避免与系统发生并联谐振。当检测到LC回路与系统发生并联谐振或接近发生并联谐振时,可调整L、C参数,避开谐振点。

当然,这种设计也存在结构、器件参数选择较为复杂的问题,此外,对控制器的谐波测