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(jī)系統(tǒng)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(gòu)成。由于設(shè)備的高頻濾波單元阻尼電阻功率小，阻尼能力弱；系統(tǒng)阻抗高（電纜較長），濾波電容容易過載；濾波電容設(shè)計(jì)裕度小，容量衰減快，容易過載損壞；多臺設(shè)備共用變壓器，因此易發(fā)生諧振。由于電纜阻抗的存在，單臺設(shè)備的LC 諧振頻率估計(jì)在550～350Hz 之間。當(dāng)大多數(shù)設(shè)備待機(jī)，少部分設(shè)備輕載運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)系統(tǒng)諧振，諧振頻率100Hz，電流達(dá)到1000～4000A，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)跳閘，甚至出現(xiàn)越級跳閘導(dǎo)致廠區(qū)停電情況。變頻器的PWM 整流器輸出方波（±1000V），由于配電系統(tǒng)的LC 網(wǎng)絡(luò)諧振放大導(dǎo)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(dá)到控制諧振的目的，但是普通阻尼大大增加了系統(tǒng)損耗，而且效果并不理想。

2 系統(tǒng)諧振阻尼裝置的研制

針對上述問題及現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本文研制一種系統(tǒng)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(tǒng)諧振，同時(shí)濾除變頻器的PWM 整流器的剩余開關(guān)紋波，提高系統(tǒng)電磁兼容特性即為EMC 特性；有源阻尼負(fù)責(zé)無源阻尼的投切控制，同時(shí)抵消無源阻尼的容性電流，響應(yīng)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(jìn)線端電流信號，并計(jì)算出三相電流值及諧波含量，當(dāng)三相電流諧波含量超過設(shè)定閾值時(shí)，控制無源阻尼的投入。同時(shí)根據(jù)檢測到無源阻尼電流的大小，自發(fā)感性無功，抵消無源網(wǎng)路的容性電流。無源阻尼不僅用于抑制系統(tǒng)諧振，同時(shí)濾除變頻器PWM 整流器的剩余開關(guān)紋波，提高系統(tǒng)EMC 特性。

圖1 裝置構(gòu)成

有源阻尼通過通信總線連接上位機(jī)，將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)通過485 通信上傳到上位機(jī)，實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 裝置構(gòu)成

如圖1 所示，系統(tǒng)諧振阻尼裝置包括有源阻尼、無源阻尼、通信總線、上位機(jī)、兩組電流互感器，其中有源阻尼與無源阻尼并聯(lián)連接。有源阻尼通過電流互感器連接至測功機(jī)的變壓器的出線端以及無源阻尼的進(jìn)線端，用于分別采集測功機(jī)的變壓器出線端電流信號及無源阻尼的進(jìn)線端電流信號，并計(jì)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(shí)抵消無源網(wǎng)路的容性無功電流。

有源阻尼通過通信總線連接上位機(jī)，上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)阻尼裝置的運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)控、巡檢方便。

2.3 有源阻尼及無源阻尼設(shè)計(jì)

2.3.1 有源阻尼設(shè)計(jì)

如圖2 所示，有源阻尼包括控制單元、IGBT 模塊及驅(qū)動(dòng)單元、濾波電抗器以及電容器。有源阻尼控制單元發(fā)出指令，控制無源阻尼的投切，同時(shí)產(chǎn)生感性無功電流抵消無源網(wǎng)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(jī)架式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高功率密度。采用前進(jìn)風(fēng)后出風(fēng)密閉風(fēng)道設(shè)計(jì)，使得人工操作面沒有熱風(fēng)吹出，提高操作的舒適性。內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用分層設(shè)計(jì)，冷卻風(fēng)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(dú)的安裝層面，冷卻風(fēng)不流過，盡量減少灰塵積累在控制板上，提高產(chǎn)品的可靠性與使用壽命，實(shí)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(wěn)態(tài)時(shí)設(shè)備功耗極低。

2.3.2 無源阻尼設(shè)計(jì)

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(gòu)成二階C型濾波器回路。無源阻尼用于抑制系統(tǒng)諧振，同時(shí)濾除變頻器的PWM 整流器的剩余開關(guān)紋波，提高系統(tǒng)EMC 特性。無源阻尼各器件參數(shù)的確定按照如下步驟進(jìn)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(jù)補(bǔ)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(jù)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(jù)對濾波效果的要求，結(jié)合系統(tǒng)的阻抗參數(shù)，確定二階C 型濾波器回路的最小阻抗值，再根據(jù)式（5）求出阻尼電阻R值。隨著阻尼電阻R值變大，諧振區(qū)域阻抗變小，但高頻阻抗會(huì)變大。

式中，2 次諧波時(shí)，nD=2；ω1為基波角頻率。

2.4 上位機(jī)通信

如圖1 所示，有源阻尼通過485 通信總線與上位機(jī)相連，以實(shí)現(xiàn)信息交互。上位機(jī)通過設(shè)置的監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測有源阻尼部分及無源阻尼部分的運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)控、巡檢方便。

2.5 裝置實(shí)物圖

裝置實(shí)物圖如圖4 所示。

圖4 裝置實(shí)物圖

3 裝置現(xiàn)場應(yīng)用測試

系統(tǒng)諧振阻尼裝置在濰坊某柴油機(jī)廠應(yīng)用，投入后電能質(zhì)量明顯改善，電網(wǎng)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(tǒng)諧振，保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，諧振阻尼裝置達(dá)到預(yù)期效果。裝置應(yīng)用前后測試數(shù)據(jù)對比具體如圖5 所示。

圖5 裝置應(yīng)用前后測試數(shù)據(jù)對比

4 結(jié)束語

針對柴油機(jī)廠測功機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用給供電系統(tǒng)帶來的問題，提出一種系統(tǒng)諧振阻尼裝置，介紹裝置結(jié)構(gòu)、工作原理及關(guān)鍵器件參數(shù)的詳細(xì)計(jì)算。最終系統(tǒng)諧振阻尼裝置在測功機(jī)系統(tǒng)上廣泛應(yīng)用，現(xiàn)場測試結(jié)果表明該裝置功耗極低，抑制系統(tǒng)諧振的同時(shí)還能濾除變頻器PWM 整流器的剩余開關(guān)紋波，提高了系統(tǒng)的EMC 特性，降低了系統(tǒng)的損耗，保障了電網(wǎng)和供用電設(shè)備運(yùn)行的安全性、可靠性、連續(xù)性和穩(wěn)定性。