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

劉細(xì)鳳

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(duì)低壓用戶側(cè)諧波模塊化治理進(jìn)行分析，對(duì)小容量低壓有源濾波器適用方案的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討。采用模塊化功率單元并聯(lián)設(shè)計(jì)和主從式并聯(lián)數(shù)字化控制策略，并選取典型用戶負(fù)載進(jìn)行測(cè)試，對(duì)低次諧波濾波率達(dá)到97%，現(xiàn)場(chǎng)試點(diǎn)測(cè)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(yàn)。

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(fù)載，如:變頻空調(diào)機(jī)、整流設(shè)備、電機(jī)裝置等，這些非線性負(fù)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(duì)配電網(wǎng)可靠運(yùn)行的危害日漸明顯，嚴(yán)重情況會(huì)影響正常的生產(chǎn)用電。功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)，增加電網(wǎng)電能額外損耗、影響繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的工作可靠性、降低電網(wǎng)設(shè)備壽命周期，同時(shí)，由于力率電費(fèi)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(wú)源濾波器相比，響應(yīng)快，能夠做到對(duì)變化的諧波電流動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，也可抑制閃變和補(bǔ)償無(wú)功，補(bǔ)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(bǔ)償，采購(gòu)安裝成本較高［1］。當(dāng)前主流的低壓APF產(chǎn)品國(guó)內(nèi)正處于仿制跟進(jìn)階段，國(guó)外廠商先進(jìn)產(chǎn)品價(jià)格較難為用戶接受，影響了分散負(fù)載型小用戶對(duì)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(duì)低壓電網(wǎng)質(zhì)量造成負(fù)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(fù)載特點(diǎn)，結(jié)合該地區(qū)諧波治理標(biāo)準(zhǔn)［2］、成本、體積、可靠性等實(shí)用指標(biāo)考慮，針對(duì)低壓用戶分散治理設(shè)計(jì)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(bǔ)償容量30A左右，采用模塊化設(shè)計(jì)，能夠針對(duì)不同低壓供電設(shè)備靈活配置不同數(shù)量模塊，當(dāng)系統(tǒng)需補(bǔ)償?shù)碾娏鞒^(guò)單臺(tái)裝置的額定補(bǔ)償能力時(shí)，通常會(huì)選擇將多臺(tái)裝置并聯(lián)運(yùn)行的方式;

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

(3)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)查詢，基于IEC61850嵌入式接口實(shí)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(jì)

2．1．1傳統(tǒng)的模塊并聯(lián)方式

傳統(tǒng)的多臺(tái)裝置并聯(lián)方式如圖1所示［3］，N臺(tái)APF分別接到母線上，用戶CT的二次測(cè)量線路通過(guò)串聯(lián)的方式接進(jìn)各個(gè)裝置。每臺(tái)APF裝置根據(jù)所測(cè)量得到的負(fù)荷電流諧波，分別輸出1/N的諧波補(bǔ)償電流，使輸出電流總和達(dá)到所需的補(bǔ)償電流。在這種并聯(lián)方式下，其控制方式和單臺(tái)運(yùn)行時(shí)類似，各裝置獨(dú)立運(yùn)行。但如果某個(gè)裝置發(fā)生故障退出運(yùn)行，其它裝置仍將按照1/N的方式輸出補(bǔ)償電流，造成諧波電流不能夠正常補(bǔ)償。另外，這種并聯(lián)方式通常只能采用通過(guò)測(cè)量負(fù)荷電流計(jì)算補(bǔ)償電流，但在實(shí)際配電系統(tǒng)中很多情況下只能通過(guò)配電柜CT測(cè)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(shí)對(duì)網(wǎng)側(cè)電流產(chǎn)生影響，各APF裝置不能獨(dú)立將負(fù)荷電流測(cè)量出來(lái)，因此很難得到準(zhǔn)確的補(bǔ)償電流，使這種并聯(lián)方式的應(yīng)用場(chǎng)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(jì)

針對(duì)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(guò)一主多從的方式，使多個(gè)模塊化APF裝置統(tǒng)一控制，從而達(dá)到彌補(bǔ)傳統(tǒng)并聯(lián)方式的不足。從圖2可以看出，在所有并聯(lián)裝置中設(shè)定一臺(tái)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(fù)責(zé)收集信息并計(jì)算出每臺(tái)從裝置的補(bǔ)償電流信號(hào)，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(jìn)行額外的分析計(jì)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(shí)時(shí)性和有效性，具備更強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集、分析、處理能力，以及快速實(shí)時(shí)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(gè)從裝置定時(shí)上傳的運(yùn)行信息，包括電壓數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)、故障狀態(tài)等，對(duì)這些信息進(jìn)行匯總分析，計(jì)算出系統(tǒng)中需要補(bǔ)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(guò)光纖實(shí)時(shí)將該電流信號(hào)下發(fā)到各從裝置。各從裝置接收到主裝置的電流信號(hào)后，控制輸出相應(yīng)的電流，*終實(shí)現(xiàn)整套并聯(lián)裝置的諧波補(bǔ)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(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，即實(shí)時(shí)采樣系統(tǒng)電流中要補(bǔ)償?shù)呢?fù)荷電流，不斷修正各從裝置輸出的電流反饋，

使系統(tǒng)電流中的無(wú)用分量趨近于零，達(dá)到較好的補(bǔ)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(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)某臺(tái)從裝置故障退出運(yùn)行時(shí)，主裝置立刻會(huì)重新分配要補(bǔ)償?shù)碾娏鞯狡溆噙\(yùn)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(shí)現(xiàn)多路I/O的快速響應(yīng)的閉環(huán)控制器，實(shí)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(jì)，其快速響應(yīng)也能達(dá)到要求。如果進(jìn)一步提高控制精度，則需要更高的IGBT開(kāi)關(guān)頻率，對(duì)PWM信號(hào)分辨率提出更高要求，意味著需要更高的時(shí)鐘主頻或者加入提高PWM分辨率的算法，比如延遲線設(shè)計(jì)，可能會(huì)影響整個(gè)控制算法的快速性。根據(jù)低壓用戶諧波治理特點(diǎn)，選擇基于DSP的主從方案，通過(guò)FFT控制算法實(shí)現(xiàn)快速補(bǔ)償［5］。

2．2．1主控制器的設(shè)計(jì)

主控制器主要進(jìn)行負(fù)荷電流檢測(cè)、補(bǔ)償電流計(jì)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(fù)荷電流后進(jìn)行FFT變換，根據(jù)設(shè)置的補(bǔ)償次數(shù)，對(duì)相應(yīng)次數(shù)的分量進(jìn)行處理，即如果不補(bǔ)償該次諧波，則將該次諧波分量清零，然后對(duì)剩余的分量進(jìn)行逆FFT變換，則得到諧波補(bǔ)償電流參考值。同時(shí)對(duì)FFT變換后的各次諧波分量的有效值和總THD進(jìn)行計(jì)算并顯示。另外為補(bǔ)償負(fù)荷的無(wú)功電流，主控制器對(duì)FFT變換的基波分量在進(jìn)行對(duì)稱分解，從而得出負(fù)荷電流的無(wú)功分量，然后將其和補(bǔ)償諧波分量進(jìn)行耦合，得到總的補(bǔ)償電流，*后根據(jù)補(bǔ)償從機(jī)個(gè)數(shù)，算出每個(gè)從機(jī)的補(bǔ)償電流并通過(guò)光纖下發(fā)。

2．2．2從控制器設(shè)計(jì)

從控制器根據(jù)主控制器下發(fā)的參數(shù)對(duì)輸出電流進(jìn)行控制，輸出相應(yīng)的補(bǔ)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(duì)主控制器下發(fā)的補(bǔ)償值進(jìn)行解析，同時(shí)對(duì)直流電壓進(jìn)行控制計(jì)算出相應(yīng)的有功分量，各參考分量進(jìn)行耦合得到各相補(bǔ)償參考電流，*后采用電流跟蹤算法生成PWM脈沖驅(qū)動(dòng)IGBT動(dòng)作，輸出相應(yīng)參考電流。

3 樣機(jī)測(cè)試與分析

根據(jù)設(shè)計(jì)，研制了一套基于主從式并聯(lián)控制方法的模塊式APF樣機(jī)，選擇供電范圍內(nèi)3個(gè)典型用戶根據(jù)其負(fù)荷特點(diǎn)，對(duì)其諧波進(jìn)行分析，給出樣機(jī)安裝方案，并進(jìn)行測(cè)試。

如圖5所示，典型用戶之一(小泵站)經(jīng)過(guò)SAPF的補(bǔ)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(fù)荷側(cè)諧波含量比較大的5、7、11次等諧波電流補(bǔ)償率對(duì)諧波電流的補(bǔ)償效果也很明顯，補(bǔ)償率見(jiàn)下表1。

(注:諧波補(bǔ)償率=［1－(系統(tǒng)側(cè)諧波電流/負(fù)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(cè)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(bǔ)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(diǎn)

（1）DSP+FPGA控制方式，響應(yīng)時(shí)間短，全數(shù)字控制算法，運(yùn)行穩(wěn)定；

（2）一機(jī)多能，既可補(bǔ)諧波，又可兼補(bǔ)無(wú)功，可對(duì)2～51次諧波進(jìn)行全補(bǔ)償或規(guī)定特定次諧波進(jìn)行補(bǔ)償；

（3）具有完善的橋臂過(guò)流保護(hù)、直流過(guò)壓保護(hù)、裝置過(guò)溫保護(hù)功能；

（4）模塊化設(shè)計(jì)，體積小，安裝便利，方便擴(kuò)容；

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

（6）輸出端加裝濾波裝置，降低高頻紋波對(duì)電力系統(tǒng)的影響；

（7）多機(jī)并聯(lián)，達(dá)到較高的電流輸出等級(jí)；

（8）擁有自主技術(shù)。

4.2型號(hào)說(shuō)明

4.3尺寸說(shuō)明

4.4產(chǎn)品實(shí)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(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。它由智能測(cè)控單元，晶閘管復(fù)合開(kāi)關(guān)電路，線路保護(hù)單元，兩臺(tái)共補(bǔ)或一臺(tái)分補(bǔ)低壓電力電容器構(gòu)成。可替代常規(guī)由熔絲、復(fù)合開(kāi)關(guān)或機(jī)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(dòng)無(wú)功補(bǔ)償裝置。具有體積更小，功耗更低，維護(hù)方便，使用壽命長(zhǎng)，可靠性高的特點(diǎn)，適應(yīng)現(xiàn)代電網(wǎng)對(duì)無(wú)功補(bǔ)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(wú)功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過(guò)內(nèi)部晶閘管復(fù)合開(kāi)關(guān)電路，自動(dòng)尋找*佳投入（切除）點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)過(guò)零投切，具有過(guò)壓保護(hù)、缺相保護(hù)、過(guò)諧保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)等保護(hù)功能。

5.2型號(hào)說(shuō)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(shí)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(wú)功補(bǔ)償裝置智能電容方案

6 結(jié)語(yǔ)

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

參考文獻(xiàn)：

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(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.05版

作者簡(jiǎn)介

劉細(xì)鳳，女,現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。