淺談低壓有源濾波器在用戶側(cè)諧波治理中的設(shè)計應(yīng)用方案

任運業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要:在低壓配電網(wǎng)用戶側(cè)諧波治理調(diào)研的基礎(chǔ)上，針對低壓用戶側(cè)諧波模塊化治理進行分析，對小容量低壓有源濾波器適用方案的關(guān)鍵技術(shù)進行探討。采用模塊化功率單元并聯(lián)設(shè)計和主從式并聯(lián)數(shù)字化控制策略，并選取典型用戶負載進行測試，對低次諧波濾波率達到97%，現(xiàn)場試點測試治理效果良好，為用戶側(cè)諧波治理推廣提供可借鑒的工程經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞:APF;主從控制;FFT

0 引言

某供電公司供電區(qū)域內(nèi)低壓配電系統(tǒng)中存在許多非線性負載，如:變頻空調(diào)機、整流設(shè)備、電機裝置等，這些非線性負載引起低壓配電系統(tǒng)內(nèi)電流、電壓波形發(fā)生畸變，產(chǎn)生大量的高次諧波，日益增多的小諧波源對配電網(wǎng)可靠運行的危害日漸明顯，嚴重情況會影響正常的生產(chǎn)用電。功率因數(shù)不達標，增加電網(wǎng)電能額外損耗、影響繼電保護和自動裝置的工作可靠性、降低電網(wǎng)設(shè)備壽命周期，同時，由于力率電費的調(diào)整使得受電客戶增加了用電成本。

采用有源濾波器(APF)是目前諧波治理的主要手段，與無源濾波器相比，響應(yīng)快，能夠做到對變化的諧波電流動態(tài)跟蹤補償，也可抑制閃變和補償無功，補償方式靈活，但其容量一般不低(100～150A)，通常在電網(wǎng)出線處集中補償，采購安裝成本較高［1］。當前主流的低壓APF產(chǎn)品國內(nèi)正處于仿制跟進階段，國外廠商先進產(chǎn)品價格較難為用戶接受，影響了分散負載型小用戶對用戶側(cè)諧波治理和節(jié)能改造積極性，設(shè)備體積較大，產(chǎn)品推廣困難，低壓用戶的諧波治理成效有限，對低壓電網(wǎng)質(zhì)量造成負面影響。

本文提出一種采用模塊化低壓有源電力濾波裝置的解決推廣方案，在用戶側(cè)源頭消除諧波。

1 低壓用戶諧波治理方案

根據(jù)該地區(qū)低壓用戶負載特點，結(jié)合該地區(qū)諧波治理標準［2］、成本、體積、可靠性等實用指標考慮，針對低壓用戶分散治理設(shè)計的有源濾波器具備以下主要功能:

(1)有源濾波器功率單元補償容量30A左右，采用模塊化設(shè)計，能夠針對不同低壓供電設(shè)備靈活配置不同數(shù)量模塊，當系統(tǒng)需補償?shù)碾娏鞒^單臺裝置的額定補償能力時，通常會選擇將多臺裝置并聯(lián)運行的方式;

(2)采用基于DSP或FPGA的數(shù)字控制器實現(xiàn)主從控制，主控制器采集負載側(cè)電流，由控制算法給出DPWM數(shù)字控制信號，從控制器接收信號控制功率模塊輸出補償電流;

(3)狀態(tài)監(jiān)測與數(shù)據(jù)查詢，基于IEC61850嵌入式接口實現(xiàn)通信。

2 低壓用戶側(cè)諧波治理關(guān)鍵技術(shù)

2．1功率模塊設(shè)計

2．1．1傳統(tǒng)的模塊并聯(lián)方式

傳統(tǒng)的多臺裝置并聯(lián)方式如圖1所示［3］，N臺APF分別接到母線上，用戶CT的二次測量線路通過串聯(lián)的方式接進各個裝置。每臺APF裝置根據(jù)所測量得到的負荷電流諧波，分別輸出1/N的諧波補償電流，使輸出電流總和達到所需的補償電流。在這種并聯(lián)方式下，其控制方式和單臺運行時類似，各裝置獨立運行。但如果某個裝置發(fā)生故障退出運行，其它裝置仍將按照1/N的方式輸出補償電流，造成諧波電流不能夠正常補償。另外，這種并聯(lián)方式通常只能采用通過測量負荷電流計算補償電流，但在實際配電系統(tǒng)中很多情況下只能通過配電柜CT測量到總網(wǎng)側(cè)電流。由于各并聯(lián)APF裝置的輸出電流同時對網(wǎng)側(cè)電流產(chǎn)生影響，各APF裝置不能獨立將負荷電流測量出來，因此很難得到準確的補償電流，使這種并聯(lián)方式的應(yīng)用場合受到很大的限制，如圖1所示。

圖1傳統(tǒng)并聯(lián)方式

2．1．2主從式結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對傳統(tǒng)并聯(lián)方式的不足，本文提出了一種基于主從控制的并聯(lián)方式，即通過一主多從的方式，使多個模塊化APF裝置統(tǒng)一控制，從而達到彌補傳統(tǒng)并聯(lián)方式的不足。從圖2可以看出，在所有并聯(lián)裝置中一臺裝置為主裝置，除主裝置之外的其他裝置為從裝置，主裝置負責收集信息并計算出每臺從裝置的補償電流信號，再下發(fā)到各從裝置，從裝置只需執(zhí)行主裝置的命令即可，不需進行額外的分析計算。主裝置是整套并聯(lián)裝置的控制核心，為保證有源濾波裝置的實時性和有效性，具備更強的數(shù)據(jù)采集、分析、處理能力，以及快速實時通信能力。主裝置采集系統(tǒng)電流信息和并聯(lián)裝置總的輸出電流信息，收集每個從裝置定時上傳的運行信息，包括電壓數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)、故障狀態(tài)等，對這些信息進行匯總分析，計算出系統(tǒng)中需要補償?shù)目倕⒖茧娏?，再根?jù)一定的算法將總參考電流分解為各從裝置的參考電流，并通過光纖實時將該電流信號下發(fā)到各從裝置。各從裝置接收到主裝置的電流信號后，控制輸出相應(yīng)的電流，*終實現(xiàn)整套并聯(lián)裝置的諧波補償功能。

圖2模塊式APF結(jié)構(gòu)

上述主從控制方法中，主裝置可根據(jù)系統(tǒng)電流實現(xiàn)閉環(huán)控制，即實時采樣系統(tǒng)電流中要補償?shù)呢摵呻娏?，不斷修正各從裝置輸出的電流反饋，

使系統(tǒng)電流中的無用分量趨近于零，達到較好的補償效果。另外，借助于主從裝置間的通訊，主裝置拉手所有從裝置的運行狀態(tài)，當某臺從裝置故障退出運行時，主裝置立刻會重新分配要補償?shù)碾娏鞯狡溆噙\行的裝置中，從而提高了整套并聯(lián)裝置的利用率。

2．2主從式并聯(lián)的數(shù)字化控制

在APF應(yīng)用中，F(xiàn)PGA的高速性能和管腳資源更適合用于實現(xiàn)多路I/O的快速響應(yīng)的閉環(huán)控制器，實現(xiàn)多路模塊并聯(lián)的多重化控制算法［4-6］。DSP比較適合復(fù)雜靈活的濾波算法設(shè)計，其快速響應(yīng)也能達到要求。如果進一步提高控制精度，則需要更高的IGBT開關(guān)頻率，對PWM信號分辨率提出更高要求，意味著需要更高的時鐘主頻或者加入提高PWM分辨率的算法，比如延遲線設(shè)計，可能會影響整個控制算法的快速性。根據(jù)低壓用戶諧波治理特點，選擇基于DSP的主從方案，通過FFT控制算法實現(xiàn)快速補償［5］。

2．2．1主控制器的設(shè)計

主控制器主要進行負荷電流檢測、補償電流計算及下發(fā)，其控制原理如圖3所示。

圖3主控制器控制原理

主控制器采集負荷電流后進行FFT變換，根據(jù)設(shè)置的補償次數(shù)，對相應(yīng)次數(shù)的分量進行處理，即如果不補償該次諧波，則將該次諧波分量清零，然后對剩余的分量進行逆FFT變換，則得到諧波補償電流參考值。同時對FFT變換后的各次諧波分量的有效值和總THD進行計算并顯示。另外為補償負荷的無功電流，主控制器對FFT變換的基波分量在進行對稱分解，從而得出負荷電流的無功分量，然后將其和補償諧波分量進行耦合，得到總的補償電流，*后根據(jù)補償從機個數(shù)，算出每個從機的補償電流并通過光纖下發(fā)。

2．2．2從控制器設(shè)計

從控制器根據(jù)主控制器下發(fā)的參數(shù)對輸出電流進行控制，輸出相應(yīng)的補償電流，其原理如圖4所示。

圖4從控制器控制原理

從控制器對主控制器下發(fā)的補償值進行解析，同時對直流電壓進行控制計算出相應(yīng)的有功分量，各參考分量進行耦合得到各相補償參考電流，*后采用電流跟蹤算法生成PWM脈沖驅(qū)動IGBT動作，輸出相應(yīng)參考電流。

3 樣機測試與分析

根據(jù)設(shè)計，研制了一套基于主從式并聯(lián)控制方法的模塊式APF樣機，選擇供電范圍內(nèi)3個典型用戶根據(jù)其負荷特點，對其諧波進行分析，給出樣機安裝方案，并進行測試。

如圖5所示，典型用戶之一(小泵站)經(jīng)過SAPF的補償后，A、B、C三相電流THD分別由

46．5%、46．3%和47．5%下降至7．4%、7．9%和6．8%。負荷側(cè)諧波含量比較大的5、7、11次等諧波電流補償率對諧波電流的補償效果也很明顯，補償率見下表1。

(注:諧波補償率=［1－(系統(tǒng)側(cè)諧波電流/負荷側(cè)諧波電流)］×100%=×100%)

圖5某用戶治理后系統(tǒng)側(cè)電流THD

表1某低壓用戶A相治理后主要諧波濾除率

由測試結(jié)果看出，含量比較大的5次和7次諧波濾除率比較理想，含量*大的5次諧波濾除率在97%以上。11和13等高次諧波由于分量太小，補償效果稍差。

4 安科瑞APF有源濾波器產(chǎn)品選型

4.1產(chǎn)品特點

（1）DSP+FPGA控制方式，響應(yīng)時間短，全數(shù)字控制算法，運行穩(wěn)定；

（2）一機多能，既可補諧波，又可兼補無功，可對2～51次諧波進行全補償或特定次諧波進行補償；

（3）具有完善的橋臂過流保護、直流過壓保護、裝置過溫保護功能；

（4）模塊化設(shè)計，體積小，安裝便利，方便擴容；

（5）采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏以實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和控制，使用方便，易于操作和維護；

（6）輸出端加裝濾波裝置，降低高頻紋波對電力系統(tǒng)的影響；

（7）多機并聯(lián)，達到較高的電流輸出等級；

（8）擁有自主技術(shù)。

4.2型號說明

4.3尺寸說明

4.4產(chǎn)品實物展示

ANAPF有源濾波器

5 安科瑞智能電容器產(chǎn)品選型

5.1產(chǎn)品概述

AZC/AZCL系列智能電容器是應(yīng)用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節(jié)省能源、降低線損、提高功率因數(shù)和電能質(zhì)量的新一代無功補償設(shè)備。它由智能測控單元，晶閘管復(fù)合開關(guān)電路，線路保護單元，兩臺共補或一臺分補低壓電力電容器構(gòu)成。可替代常規(guī)由熔絲、復(fù)合開關(guān)或機械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在柜內(nèi)和柜面由導(dǎo)線連接而組成的自動無功補償裝置。具有體積更小，功耗更低，維護方便，使用壽命長，可靠性高的特點，適應(yīng)現(xiàn)代電網(wǎng)對無功補償?shù)母咭蟆?/p>

AZC/AZCL系列智能電容器采用定式LCD液晶顯示器，可顯示三相母線電壓、三相母線電流、三相功率因數(shù)、頻率、電容器路數(shù)及投切狀態(tài)、有功功率、無功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過內(nèi)部晶閘管復(fù)合開關(guān)電路，自動尋找*佳投入（切除）點，實現(xiàn)過零投切，具有過壓保護、缺相保護、過諧保護、過溫保護等保護功能。

5.2型號說明

AZC系列智能電容器選型：

AZCL系列智能電容器選型：

5.3產(chǎn)品實物展示

AZC系列智能電容模塊AZCL系列智能電容模塊

安科瑞無功補償裝置智能電容方案

6 結(jié)語

本文提出了一種針對低壓用戶側(cè)分散安裝的小型有源濾波器設(shè)計方案，功率單元采用主從模塊化設(shè)計，DSP作為核心控制器件，控制策略采用主從控制方式。從樣機測試結(jié)果可以看出，針對不同的用戶，無論是單臺、多臺裝置并聯(lián)方案，都能夠濾除負荷的絕大部分諧波電流?，F(xiàn)場測試表明其輸出一致性好、應(yīng)用靈活、補償效果能夠滿足要求，實際可推廣性較好。

參考文獻：

1. 黃川,周益,陳家良.低壓有源濾波器在用戶側(cè)諧波治理中的應(yīng)用[J].華東電力,2014,42(12):2560-2563.

2. 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2022.05版

作者簡介

任運業(yè)，男,現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。