淺談低壓有源濾波器在用戶側諧波治理中的設計應用方案

摘要:在低壓配電網用戶側(ce) 諧波治理調研的基礎上，針對低壓用戶側(ce) 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(guan) 鍵技術進行探討。采用模塊化功率單元並聯設計和主從(cong) 式並聯數字化控製策略，並選取典型用戶負載進行測試，對低次諧波濾波率達到97%，現場試點測試治理效果良好，為(wei) 用戶側(ce) 諧波治理推廣提供可借鑒的工程經驗。

關(guan) 鍵詞:APF;主從(cong) 控製;FFT

0 引言

某供電公司供電區域內(nei) 低壓配電係統中存在許多非線性負載，如:變頻空調機、整流設備、電機裝置等，這些非線性負載引起低壓配電係統內(nei) 電流、電壓波形發生畸變，產(chan) 生大量的高次諧波，日益增多的小諧波源對配電網可靠運行的危害日漸明顯，嚴(yan) 重情況會(hui) 影響正常的生產(chan) 用電。功率因數不達標，增加電網電能額外損耗、影響繼電保護和自動裝置的工作可靠性、降低電網設備壽命周期，同時，由於(yu) 力率電費的調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(yu) 無源濾波器相比，響應快，能夠做到對變化的諧波電流動態跟蹤補償(chang) ，也可抑製閃變和補償(chang) 無功，補償(chang) 方式靈活，但其容量一般不低(100～150A)，通常在電網出線處集中補償(chang) ，采購安裝成本較高［1］。當前主流的低壓APF產(chan) 品國內(nei) 正處於(yu) 仿製跟進階段，國外廠商先進產(chan) 品價(jia) 格較難為(wei) 用戶接受，影響了分散負載型小用戶對用戶側(ce) 諧波治理和節能改造積極性，設備體(ti) 積較大，產(chan) 品推廣困難，低壓用戶的諧波治理成效有限，對低壓電網質量造成負麵影響。

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

1 低壓用戶諧波治理方案

根據該地區低壓用戶負載特點，結合該地區諧波治理標準［2］、成本、體(ti) 積、可靠性等實用指標考慮，針對低壓用戶分散治理設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(chang) 容量30A左右，采用模塊化設計，能夠針對不同低壓供電設備靈活配置不同數量模塊，當係統需補償(chang) 的電流超過單台裝置的額定補償(chang) 能力時，通常會(hui) 選擇將多台裝置並聯運行的方式;

(2)采用基於(yu) DSP或FPGA的數字控製器實現主從(cong) 控製，主控製器采集負載側(ce) 電流，由控製算法給出DPWM數字控製信號，從(cong) 控製器接收信號控製功率模塊輸出補償(chang) 電流;

(3)狀態監測與(yu) 數據查詢，基於(yu) IEC61850嵌入式接口實現通信。

2 低壓用戶側(ce) 諧波治理關(guan) 鍵技術

2．1功率模塊設計

2．1．1傳(chuan) 統的模塊並聯方式

傳(chuan) 統的多台裝置並聯方式如圖1所示［3］，N台APF分別接到母線上，用戶CT的二次測量線路通過串聯的方式接進各個(ge) 裝置。每台APF裝置根據所測量得到的負荷電流諧波，分別輸出1/N的諧波補償(chang) 電流，使輸出電流總和達到所需的補償(chang) 電流。在這種並聯方式下，其控製方式和單台運行時類似，各裝置獨立運行。但如果某個(ge) 裝置發生故障退出運行，其它裝置仍將按照1/N的方式輸出補償(chang) 電流，造成諧波電流不能夠正常補償(chang) 。另外，這種並聯方式通常隻能采用通過測量負荷電流計算補償(chang) 電流，但在實際配電係統中很多情況下隻能通過配電櫃CT測量到總網側(ce) 電流。由於(yu) 各並聯APF裝置的輸出電流同時對網側(ce) 電流產(chan) 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(chang) 電流，使這種並聯方式的應用場合受到很大的限製，如圖1所示。

圖1傳(chuan) 統並聯方式

2．1．2主從(cong) 式結構設計

針對傳(chuan) 統並聯方式的不足，本文提出了一種基於(yu) 主從(cong) 控製的並聯方式，即通過一主多從(cong) 的方式，使多個(ge) 模塊化APF裝置統一控製，從(cong) 而達到彌補傳(chuan) 統並聯方式的不足。從(cong) 圖2可以看出，在所有並聯裝置中一台裝置為(wei) 主裝置，除主裝置之外的其他裝置為(wei) 從(cong) 裝置，主裝置負責收集信息並計算出每台從(cong) 裝置的補償(chang) 電流信號，再下發到各從(cong) 裝置，從(cong) 裝置隻需執行主裝置的命令即可，不需進行額外的分析計算。主裝置是整套並聯裝置的控製核心，為(wei) 保證有源濾波裝置的實時性和有效性，具備更強的數據采集、分析、處理能力，以及快速實時通信能力。主裝置采集係統電流信息和並聯裝置總的輸出電流信息，收集每個(ge) 從(cong) 裝置定時上傳(chuan) 的運行信息，包括電壓數據、電流數據、故障狀態等，對這些信息進行匯總分析，計算出係統中需要補償(chang) 的總參考電流，再根據一定的算法將總參考電流分解為(wei) 各從(cong) 裝置的參考電流，並通過光纖實時將該電流信號下發到各從(cong) 裝置。各從(cong) 裝置接收到主裝置的電流信號後，控製輸出相應的電流，*終實現整套並聯裝置的諧波補償(chang) 功能。

圖2模塊式APF結構

上述主從(cong) 控製方法中，主裝置可根據係統電流實現閉環控製，即實時采樣係統電流中要補償(chang) 的負荷電流，不斷修正各從(cong) 裝置輸出的電流反饋，

使係統電流中的無用分量趨近於(yu) 零，達到較好的補償(chang) 效果。另外，借助於(yu) 主從(cong) 裝置間的通訊，主裝置拉手所有從(cong) 裝置的運行狀態，當某台從(cong) 裝置故障退出運行時，主裝置立刻會(hui) 重新分配要補償(chang) 的電流到其餘(yu) 運行的裝置中，從(cong) 而提高了整套並聯裝置的利用率。

2．2主從(cong) 式並聯的數字化控製

在APF應用中，FPGA的高速性能和管腳資源更適合用於(yu) 實現多路I/O的快速響應的閉環控製器，實現多路模塊並聯的多重化控製算法［4-6］。DSP比較適合複雜靈活的濾波算法設計，其快速響應也能達到要求。如果進一步提高控製精度，則需要更高的IGBT開關(guan) 頻率，對PWM信號分辨率提出更高要求，意味著需要更高的時鍾主頻或者加入提高PWM分辨率的算法，比如延遲線設計，可能會(hui) 影響整個(ge) 控製算法的快速性。根據低壓用戶諧波治理特點，選擇基於(yu) DSP的主從(cong) 方案，通過FFT控製算法實現快速補償(chang) ［5］。

2．2．1主控製器的設計

主控製器主要進行負荷電流檢測、補償(chang) 電流計算及下發，其控製原理如圖3所示。

圖3主控製器控製原理

主控製器采集負荷電流後進行FFT變換，根據設置的補償(chang) 次數，對相應次數的分量進行處理，即如果不補償(chang) 該次諧波，則將該次諧波分量清零，然後對剩餘(yu) 的分量進行逆FFT變換，則得到諧波補償(chang) 電流參考值。同時對FFT變換後的各次諧波分量的有效值和總THD進行計算並顯示。另外為(wei) 補償(chang) 負荷的無功電流，主控製器對FFT變換的基波分量在進行對稱分解，從(cong) 而得出負荷電流的無功分量，然後將其和補償(chang) 諧波分量進行耦合，得到總的補償(chang) 電流，*後根據補償(chang) 從(cong) 機個(ge) 數，算出每個(ge) 從(cong) 機的補償(chang) 電流並通過光纖下發。

2．2．2從(cong) 控製器設計

從(cong) 控製器根據主控製器下發的參數對輸出電流進行控製，輸出相應的補償(chang) 電流，其原理如圖4所示。

圖4從(cong) 控製器控製原理

從(cong) 控製器對主控製器下發的補償(chang) 值進行解析，同時對直流電壓進行控製計算出相應的有功分量，各參考分量進行耦合得到各相補償(chang) 參考電流，*後采用電流跟蹤算法生成PWM脈衝(chong) 驅動IGBT動作，輸出相應參考電流。

3 樣機測試與(yu) 分析

根據設計，研製了一套基於(yu) 主從(cong) 式並聯控製方法的模塊式APF樣機，選擇供電範圍內(nei) 3個(ge) 典型用戶根據其負荷特點，對其諧波進行分析，給出樣機安裝方案，並進行測試。

如圖5所示，典型用戶之一(小泵站)經過SAPF的補償(chang) 後，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(ce) 諧波含量比較大的5、7、11次等諧波電流補償(chang) 率對諧波電流的補償(chang) 效果也很明顯，補償(chang) 率見下表1。

(注:諧波補償(chang) 率=［1－(係統側(ce) 諧波電流/負荷側(ce) 諧波電流)］×100%=×100%)

圖5某用戶治理後係統側(ce) 電流THD

表1某低壓用戶A相治理後主要諧波濾除率

由測試結果看出，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等高次諧波由於(yu) 分量太小，補償(chang) 效果稍差。

4 安科瑞APF有源濾波器產(chan) 品選型

4.1產(chan) 品特點

（1）DSP+FPGA控製方式，響應時間短，全數字控製算法，運行穩定；

（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(chang) 或特定次諧波進行補償(chang) ；

（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）模塊化設計，體(ti) 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參數設置和控製，使用方便，易於(yu) 操作和維護；

（6）輸出端加裝濾波裝置，降低高頻紋波對電力係統的影響；

（7）多機並聯，達到較高的電流輸出等級；

（8）擁有自主技術。

4.2型號說明

4.3尺寸說明

4.4產(chan) 品實物展示

ANAPF有源濾波器

5 安科瑞智能電容器產(chan) 品選型

5.1產(chan) 品概述

AZC/AZCL係列智能電容器是應用於(yu) 0.4kV、50Hz低壓配電中用於(yu) 節省能源、降低線損、提高功率因數和電能質量的新一代無功補償(chang) 設備。它由智能測控單元，晶閘管複合開關(guan) 電路，線路保護單元，兩(liang) 台共補或一台分補低壓電力電容器構成。可替代常規由熔絲(si) 、複合開關(guan) 或機械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在櫃內(nei) 和櫃麵由導線連接而組成的自動無功補償(chang) 裝置。具有體(ti) 積更小，功耗更低，維護方便，使用壽命長，可靠性高的特點，適應現代電網對無功補償(chang) 的更高要求。

AZC/AZCL係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、頻率、電容器路數及投切狀態、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(nei) 部晶閘管複合開關(guan) 電路，自動尋找*佳投入（切除）點，實現過零投切，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係列智能電容器選型：

AZCL係列智能電容器選型：

5.3產(chan) 品實物展示

AZC係列智能電容模塊AZCL係列智能電容模塊

安科瑞無功補償(chang) 裝置智能電容方案

6 結語

本文提出了一種針對低壓用戶側(ce) 分散安裝的小型有源濾波器設計方案，功率單元采用主從(cong) 模塊化設計，DSP作為(wei) 核心控製器件，控製策略采用主從(cong) 控製方式。從(cong) 樣機測試結果可以看出，針對不同的用戶，無論是單台、多台裝置並聯方案，都能夠濾除負荷的絕大部分諧波電流。現場測試表明其輸出一致性好、應用靈活、補償(chang) 效果能夠滿足要求，實際可推廣性較好。

安科瑞侯文莉