系统谐振阻尼装置的设计与研制

解丽英 王同花 陈 杰

（山东华天电气有限公司）

1 背景需求

测功机系统由变压器、插接母排、变频器柜组成。变频器柜由一台四象限变频器、整流器、高频滤波电容、回馈电抗器、高频滤波电抗器等器件构成。由于设备的高频滤波单元阻尼电阻功率小，阻尼能力弱；系统阻抗高（电缆较长），滤波电容容易过载；滤波电容设计裕度小，容量衰减快，容易过载损坏；多台设备共用变压器，因此易发生谐振。由于电缆阻抗的存在，单台设备的LC 谐振频率估计在550～350Hz 之间。当大多数设备待机，少部分设备轻载运行时，出现系统谐振，谐振频率100Hz，电流达到1000～4000A，有时会导致系统跳闸，甚至出现越级跳闸导致厂区停电情况。变频器的PWM 整流器输出方波（±1000V），由于配电系统的LC 网络谐振放大导致波形畸变。

目前多采用每台变频器加装一台合适的阻尼电阻达到控制谐振的目的，但是普通阻尼大大增加了系统损耗，而且效果并不理想。

2 系统谐振阻尼装置的研制

针对上述问题及现有技术存在的不足，本文研制一种系统谐振阻尼装置，包括有源阻尼与无源阻尼，无源阻尼用于抑制系统谐振，同时滤除变频器的PWM 整流器的剩余开关纹波，提高系统电磁兼容特性即为EMC 特性；有源阻尼负责无源阻尼的投切控制，同时抵消无源阻尼的容性电流，响应速度快、精度高、成本低、可靠性高。

2.1 装置工作原理

如图1 所示，装置包括有源阻尼和无源阻尼，有源阻尼采样变压器出线端电流信号及无源阻尼进线端电流信号，并计算出三相电流值及谐波含量，当三相电流谐波含量超过设定阈值时，控制无源阻尼的投入。同时根据检测到无源阻尼电流的大小，自发感性无功，抵消无源网路的容性电流。无源阻尼不仅用于抑制系统谐振，同时滤除变频器PWM 整流器的剩余开关纹波，提高系统EMC 特性。

图1 装置构成

有源阻尼通过通信总线连接上位机，将设备运行状态通过485 通信上传到上位机，实时监测设备运行状态。

2.2 装置构成

如图1 所示，系统谐振阻尼装置包括有源阻尼、无源阻尼、通信总线、上位机、两组电流互感器，其中有源阻尼与无源阻尼并联连接。有源阻尼通过电流互感器连接至测功机的变压器的出线端以及无源阻尼的进线端，用于分别采集测功机的变压器出线端电流信号及无源阻尼的进线端电流信号，并计算出三相电流值及谐波含量。有源阻尼通过控制总线连接至无源阻尼的控制端，从而控制无源阻尼的投切，同时抵消无源网路的容性无功电流。

有源阻尼通过通信总线连接上位机，上位机实时监测系统阻尼装置的运行状态，监控、巡检方便。

2.3 有源阻尼及无源阻尼设计

2.3.1 有源阻尼设计

如图2 所示，有源阻尼包括控制单元、IGBT 模块及驱动单元、滤波电抗器以及电容器。有源阻尼控制单元发出指令，控制无源阻尼的投切，同时产生感性无功电流抵消无源网路的容性无功电流。

图2 有源阻尼及无源阻尼

有源阻尼模块采用机架式结构设计，实现高功率密度。采用前进风后出风密闭风道设计，使得人工操作面没有热风吹出，提高操作的舒适性。内部结构采用分层设计，冷却风主要流过变流器散热器、电抗器等功率器件，保证其散热，控制线路板在单独的安装层面，冷却风不流过，尽量减少灰尘积累在控制板上，提高产品的可靠性与使用寿命，实物如图3 所示。

图3 有源阻尼模块

有源阻尼通过电力电子装置模拟高次谐波电阻，其基波阻抗无穷大，谐波阻抗较小，因此稳态时设备功耗极低。

2.3.2 无源阻尼设计

如图2 所示，无源阻尼包括滤波电容器、电抗器与阻尼电阻器，电容器、电抗器与电阻器构成二阶C型滤波器回路。无源阻尼用于抑制系统谐振，同时滤除变频器的PWM 整流器的剩余开关纹波，提高系统EMC 特性。无源阻尼各器件参数的确定按照如下步骤进行。

步骤1：由于回路中电容器C2和电抗器L1基波谐振，基波电压基本都降落在了电容器C1上，所以可以根据补偿基波容量确定电容器C1的容值。

步骤2：由于回路中电容器C1、C2和电抗器L1二次谐振，所以总的容抗等于电抗器L1的感抗，可以得出式（1）；回路中电容器C2和电抗器L1基波谐振，可以得出式（2）。由式（1）和式（2）可以得出式（3），即电容器C2的容值为电容器C1的容值的3 倍。

式中，ω2为二次谐波角频率。

式中，ω1为基波角频率。

由式（1）和式（2）可以得出：

步骤3：由于回路中电容器C2和电抗器L1基波谐振，所以电容器C2的容抗等于电抗器L1的感抗，再根据式（4）求出电抗器L1的电感值，电流则考虑基波无功电流及2 次谐波电流。

式中，ω1为基波角频率。

步骤4：根据对滤波效果的要求，结合系统的阻抗参数，确定二阶C 型滤波器回路的最小阻抗值，再根据式（5）求出阻尼电阻R值。随着阻尼电阻R值变大，谐振区域阻抗变小，但高频阻抗会变大。

式中，2 次谐波时，nD=2；ω1为基波角频率。

2.4 上位机通信

如图1 所示，有源阻尼通过485 通信总线与上位机相连，以实现信息交互。上位机通过设置的监控系统实时监测有源阻尼部分及无源阻尼部分的运行状态，监控、巡检方便。

2.5 装置实物图

装置实物图如图4 所示。

图4 装置实物图

3 装置现场应用测试

系统谐振阻尼装置在潍坊某柴油机厂应用，投入后电能质量明显改善，电网电压波形变得较为平滑；电流由1882A 下降为195A，电流值大幅下降；电压电流谐波滤除能力明显，谐波电压由8.7%下降为0.7%，2 次谐波电流由1358A 下降为66.6A，3 次谐波电流由422.9A 下降为6.1A。变压器输出电流下降，损耗降低，抑制了系统谐振，保障了系统的稳定运行，谐振阻尼装置达到预期效果。装置应用前后测试数据对比具体如图5 所示。

图5 装置应用前后测试数据对比

4 结束语

针对柴油机厂测功机系统的应用给供电系统带来的问题，提出一种系统谐振阻尼装置，介绍装置结构、工作原理及关键器件参数的详细计算。最终系统谐振阻尼装置在测功机系统上广泛应用，现场测试结果表明该装置功耗极低，抑制系统谐振的同时还能滤除变频器PWM 整流器的剩余开关纹波，提高了系统的EMC 特性，降低了系统的损耗，保障了电网和供用电设备运行的安全性、可靠性、连续性和稳定性。