礦用單相諧波治理系統設計

2016-01-31 01:45:33羅書克

工礦自動化 2016年1期

羅書克

(許昌學院電氣信息工程學院，河南許昌　461000)

礦用單相諧波治理系統設計

羅書克

(許昌學院電氣信息工程學院，河南許昌461000)

摘要：針對由于低壓單相用電設備增多造成電力系統中局部電流波形發生嚴重畸變的問題，設計了一種在低壓系統中使用的單相諧波治理系統。該系統采用瞬時電流檢測控制方法檢測電流諧波含量，使變流器產生一個與電流諧波幅值相等、相位相反的電流分量，完全抵消系統中的電流諧波。實驗結果表明，該系統補償效果良好，使得諧波畸變率從治理前的76.3%下降到10.4%。

關鍵詞：低壓系統；諧波治理；畸變率；瞬時電流檢測控制

網絡出版地址：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荷，這些單相智能設備中有大量的電力電子開關器件，而電力電子開關器件在工作過程中處于高速開關狀態，會產生大量的諧波并注入到電網中，對電網造成了很大污染，致使電網波形發生嚴重畸變。畸變的波形造成電網中的用電設備使用壽命明顯下降，并且使輸電線路發熱嚴重，甚至可能導致火災。目前國內的相關研究主要集中在三相系統的諧波治理，對單相系統諧波治理的研究不多。對三相系統進行諧波治理時要求三相基本是平衡的，否則會導致某一相出現過補償或欠補償的現象，使補償效果適得其反。參考文獻[1-2]僅對低壓系統中的無功補償進行了詳細闡述，沒有涉及低壓系統中的單相諧波治理。因此，設計礦用單相諧波治理系統對于提高礦山安全生產水平具有重要意義。

1系統補償原理

礦用單相諧波治理系統補償原理如圖1所示。由于用電設備處于非線性工作狀態，所以會向系統輸送各種諧波，此時采用電流互感器實時檢測諧波電流波形，通過補償算法分離出各次諧波分量和基波分量，并通過控制系統運算來實時調整有源濾波裝置中MOS管的觸發角，保證由MOS管組成的變流器注入系統中的補償電流與用電設備產生的各次諧波電流大小相等、方向相反，二者相互抵消[3-5]，最終保證流入系統的電流為純正弦波電流。

圖1　礦用單相諧波治理系統補償原理

2系統硬件設計

2.1系統結構

礦用單相諧波治理系統由主電路、控制電路、驅動電路和電流電壓采集電路組成，如圖2所示。首先檢測用電負荷側電網中的諧波分量，根據檢測到的諧波分量大小，在相應的控制策略下，由控制電路發出指令，使主電路產生相應諧波分量，抵消掉電網中的諧波分量，達到諧波治理的目的。

圖2　礦用單相諧波治理系統結構

2.2主電路設計

低壓用電設備中的諧波主要以3,5,7,9,11次諧波為主，如果對各次諧波分別治理的話，會增大諧波治理系統的體積，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，其硬件相對比較簡單，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，當系統工作時，2幅常開接點閉合，常閉接點斷開；當系統出現異常停止工作時，常開接點斷開，使系統脫離電網，常閉接點閉合，使儲存在電容C1—C6中的電能釋放出去，保證整個系統內部不儲存電能。R1為放電電阻；L1，L2為進線電感，其作用主要是當電網電壓與后級PWM電壓存在差值時產生補償電流；Q1—Q4組成PWM變流器，是系統的核心，與其并接的4只二極管為MOS管的體二極管，它保證了MOS關斷時管子的安全，同時也使電能儲存在電容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的電壓毛刺；電阻R2,R3主要用于檢測電容兩端的電壓，保證其穩定；Ta為電流互感器，用于檢測后端變流器中的電流，檢測出的電流送入控制系統中，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管的觸發角，保證變流器輸出電流與系統產生的諧波電流剛好相互抵消。

2.3控制電路設計

為了提高系統工作的實時性，加快運算速度，控制電路采用具有32位浮點計算加速器的TMS320F28035作為控制芯片。控制電路結構如圖4所示。

圖4　控制電路結構

首先通過采樣電路采集系統電流、電網電壓、直流電壓，然后通過調理電路將采樣結果轉換到AD轉換電路模擬通道輸入范圍內；由于交流電壓、電流是正、負方向的，所以AD轉換電路需要采用雙向轉換電路，轉換之后送到CPU中通過內部算法計算并通過驅動電路將產生的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償電流能可靠地與系統電流進行并聯補償，保障系統安全。

3軟件設計

3.1控制策略

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

圖5　瞬時電流檢測控制策略

圖5中，ui為輸入電壓；il為負載電流;iO為被檢測出來的需要補償的諧波電流；Ip為有功基波電流幅值;ip為有功基波電流瞬時值；Iq為無功基波電流幅值;iq為無功基波電流瞬時值；LPF為低通濾波環節；PLL為鎖相環，用于產生與輸入電壓同步的單位正余弦信號sin(ωt)和cos(ωt)。如果斷開無功電流iq環節，則系統補償的全部是諧波電流；如果并接無功電流iq環節，則系統不但可以補償諧波電流，而且可以補償系統無功。

3.2系統軟件設計

礦用單相諧波治理系統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初始化、人機接口處理、系統狀態監測與控制等功能；AD采樣中斷處理程序完成系統各種信息的采集、諧波電流檢測及PWM脈沖的產生等功能。主程序流程如圖6所示。