系統諧振阻尼裝置的設計與研制

解麗英 王同花 陳 杰

（山東華天電氣有限公司）

1 背景需求

測功機系統由變壓器、插接母排、變頻器柜組成。變頻器柜由一臺四象限變頻器、整流器、高頻濾波電容、回饋電抗器、高頻濾波電抗器等器件構成。由于設備的高頻濾波單元阻尼電阻功率小，阻尼能力弱；系統阻抗高（電纜較長），濾波電容容易過載；濾波電容設計裕度小，容量衰減快，容易過載損壞；多臺設備共用變壓器，因此易發生諧振。由于電纜阻抗的存在，單臺設備的LC 諧振頻率估計在550～350Hz 之間。當大多數設備待機，少部分設備輕載運行時，出現系統諧振，諧振頻率100Hz，電流達到1000～4000A，有時會導致系統跳閘，甚至出現越級跳閘導致廠區停電情況。變頻器的PWM 整流器輸出方波（±1000V），由于配電系統的LC 網絡諧振放大導致波形畸變。

目前多采用每臺變頻器加裝一臺合適的阻尼電阻達到控制諧振的目的，但是普通阻尼大大增加了系統損耗，而且效果并不理想。

2 系統諧振阻尼裝置的研制

針對上述問題及現有技術存在的不足，本文研制一種系統諧振阻尼裝置，包括有源阻尼與無源阻尼，無源阻尼用于抑制系統諧振，同時濾除變頻器的PWM 整流器的剩余開關紋波，提高系統電磁兼容特性即為EMC 特性；有源阻尼負責無源阻尼的投切控制，同時抵消無源阻尼的容性電流，響應速度快、精度高、成本低、可靠性高。

2.1 裝置工作原理

如圖1 所示，裝置包括有源阻尼和無源阻尼，有源阻尼采樣變壓器出線端電流信號及無源阻尼進線端電流信號，并計算出三相電流值及諧波含量，當三相電流諧波含量超過設定閾值時，控制無源阻尼的投入。同時根據檢測到無源阻尼電流的大小，自發感性無功，抵消無源網路的容性電流。無源阻尼不僅用于抑制系統諧振，同時濾除變頻器PWM 整流器的剩余開關紋波，提高系統EMC 特性。

圖1 裝置構成

有源阻尼通過通信總線連接上位機，將設備運行狀態通過485 通信上傳到上位機，實時監測設備運行狀態。

2.2 裝置構成

如圖1 所示，系統諧振阻尼裝置包括有源阻尼、無源阻尼、通信總線、上位機、兩組電流互感器，其中有源阻尼與無源阻尼并聯連接。有源阻尼通過電流互感器連接至測功機的變壓器的出線端以及無源阻尼的進線端，用于分別采集測功機的變壓器出線端電流信號及無源阻尼的進線端電流信號，并計算出三相電流值及諧波含量。有源阻尼通過控制總線連接至無源阻尼的控制端，從而控制無源阻尼的投切，同時抵消無源網路的容性無功電流。

有源阻尼通過通信總線連接上位機，上位機實時監測系統阻尼裝置的運行狀態，監控、巡檢方便。

2.3 有源阻尼及無源阻尼設計

2.3.1 有源阻尼設計

如圖2 所示，有源阻尼包括控制單元、IGBT 模塊及驅動單元、濾波電抗器以及電容器。有源阻尼控制單元發出指令，控制無源阻尼的投切，同時產生感性無功電流抵消無源網路的容性無功電流。

圖2 有源阻尼及無源阻尼

有源阻尼模塊采用機架式結構設計，實現高功率密度。采用前進風后出風密閉風道設計，使得人工操作面沒有熱風吹出，提高操作的舒適性。內部結構采用分層設計，冷卻風主要流過變流器散熱器、電抗器等功率器件，保證其散熱，控制線路板在單獨的安裝層面，冷卻風不流過，盡量減少灰塵積累在控制板上，提高產品的可靠性與使用壽命，實物如圖3 所示。

圖3 有源阻尼模塊

有源阻尼通過電力電子裝置模擬高次諧波電阻，其基波阻抗無窮大，諧波阻抗較小，因此穩態時設備功耗極低。

2.3.2 無源阻尼設計

如圖2 所示，無源阻尼包括濾波電容器、電抗器與阻尼電阻器，電容器、電抗器與電阻器構成二階C型濾波器回路。無源阻尼用于抑制系統諧振，同時濾除變頻器的PWM 整流器的剩余開關紋波，提高系統EMC 特性。無源阻尼各器件參數的確定按照如下步驟進行。

步驟1：由于回路中電容器C2和電抗器L1基波諧振，基波電壓基本都降落在了電容器C1上，所以可以根據補償基波容量確定電容器C1的容值。

步驟2：由于回路中電容器C1、C2和電抗器L1二次諧振，所以總的容抗等于電抗器L1的感抗，可以得出式（1）；回路中電容器C2和電抗器L1基波諧振，可以得出式（2）。由式（1）和式（2）可以得出式（3），即電容器C2的容值為電容器C1的容值的3 倍。

式中，ω2為二次諧波角頻率。

式中，ω1為基波角頻率。

由式（1）和式（2）可以得出：

步驟3：由于回路中電容器C2和電抗器L1基波諧振，所以電容器C2的容抗等于電抗器L1的感抗，再根據式（4）求出電抗器L1的電感值，電流則考慮基波無功電流及2 次諧波電流。

式中，ω1為基波角頻率。

步驟4：根據對濾波效果的要求，結合系統的阻抗參數，確定二階C 型濾波器回路的最小阻抗值，再根據式（5）求出阻尼電阻R值。隨著阻尼電阻R值變大，諧振區域阻抗變小，但高頻阻抗會變大。

式中，2 次諧波時，nD=2；ω1為基波角頻率。

2.4 上位機通信

如圖1 所示，有源阻尼通過485 通信總線與上位機相連，以實現信息交互。上位機通過設置的監控系統實時監測有源阻尼部分及無源阻尼部分的運行狀態，監控、巡檢方便。

2.5 裝置實物圖

裝置實物圖如圖4 所示。

圖4 裝置實物圖

3 裝置現場應用測試

系統諧振阻尼裝置在濰坊某柴油機廠應用，投入后電能質量明顯改善，電網電壓波形變得較為平滑；電流由1882A 下降為195A，電流值大幅下降；電壓電流諧波濾除能力明顯，諧波電壓由8.7%下降為0.7%，2 次諧波電流由1358A 下降為66.6A，3 次諧波電流由422.9A 下降為6.1A。變壓器輸出電流下降，損耗降低，抑制了系統諧振，保障了系統的穩定運行，諧振阻尼裝置達到預期效果。裝置應用前后測試數據對比具體如圖5 所示。

圖5 裝置應用前后測試數據對比

4 結束語

針對柴油機廠測功機系統的應用給供電系統帶來的問題，提出一種系統諧振阻尼裝置，介紹裝置結構、工作原理及關鍵器件參數的詳細計算。最終系統諧振阻尼裝置在測功機系統上廣泛應用，現場測試結果表明該裝置功耗極低，抑制系統諧振的同時還能濾除變頻器PWM 整流器的剩余開關紋波，提高了系統的EMC 特性，降低了系統的損耗，保障了電網和供用電設備運行的安全性、可靠性、連續性和穩定性。