淺談安科瑞有源濾波器在光伏發電係統中的應用

摘要:本文對有源濾波器在光伏行業(ye) 中的應用進行了闡述,介紹了有源濾波器的原理及HTQF有源濾波器的技術優(you) 勢,並對HTQF有源濾波器的應用效果進行了展示,。

關(guan) 鍵詞:太陽能;有源濾波器;單晶爐線鋸

0前言

麵對日益迫近的能源危機,新能源的開發利用已成為(wei) 全球關(guan) 注的焦點。而通過新能源來改變人類的能源結構,也已成為(wei) 人類可持續發展的重要舉(ju) 措。太陽能光伏發電作為(wei) 新能源之一,具有清潔、安全資源量大等特點,是人類能源的理想選擇。

1光伏行業(ye) 存在的電能質量問題

在光伏組件生產(chan) 中,需要兒(er) 十個(ge) 環節,涉及數十種設備。在整個(ge) 生產(chan) 工藝流程中,有幾個(ge) 比較關(guan) 鍵的步驟:矽料溶化後的定向生長(主要設備:多晶鑄錠爐單晶矽爐)多線切割(主要設備:線鋸)在這些環節中設備能否正常運行成為(wei) 光伏產(chan) 品質量好壞的關(guan) 鍵。現將主要負載的電氣特性介紹如下:

1)單品爐

單品爐是一種在惰性氣體(ti) 環境中,用石墨加熱器將多品矽等多晶材料熔化,用直拉法生長無錯位單品的設備。單晶棒生產(chan) 工序大致分為(wei) :裝料一熔料一拉晶一冷卻成型，其中重要工序熔料和拉晶過程需要保持恒定溫度。單晶爐由可控矽整流裝置提供直流電源,整流方式為(wei) 6脈衝(chong) 整流,以57,1113等奇次諧波為(wei) 主，尤其5次和7次諧波含量較高,波形畸變非常嚴(yan) 重。單晶矽在交流側(ce) 還會(hui) 產(chan) 生很大的無功電流,造成係統功率因數低,進線電流大、變壓器利用率低,能耗增加。同時諧波還會(hui) 幹擾拉晶控製係統,造成錯位、斷晶、跳閘,嚴(yan) 重影響生產(chan)

2)線鋸

線鋸的核心是在研磨漿配合下用於(yu) 完成切割動作的超細高強度切割線。*多可達1000條切割線相互平行的纏繞在導線輪上形成個(ge) 水平的切割線“網"。馬達驅動導線輪使整個(ge) 切割線網以每秒5~25m的速度移動。切割線的速度直線運動或來回運動都會(hui) 在整個(ge) 切割過程中根據矽錠的形狀進行調整。在切割線運動過程中,噴嘴會(hui) 持續向切割線噴射含有懸浮碳化矽顆粒的研磨漿。切割原理看似非常簡單,但在實際操作過程中有很多挑戰。線鋸平衡和控製切割線直徑、切割速度和總的切割麵積,從(cong) 而在矽片不破碎的情況下,取得一致的矽片厚度,並縮短切割時間線鋸的動力係統是由變頻裝置組成,因此在工作中會(hui) 產(chan) 生大量的諧波,而諧波反過來又會(hui) 對精密的工作產(chan) 生嚴(yan) 重的影響。

綜上所述,我們(men) 可以看出,無論是晶體(ti) 定向生長的環節還是晶體(ti) 長成後的切割環節都涉及到了整流或者變頻器等非線性負載,而非線性負載是典型的諧波源,它會(hui) 反作用於(yu) 該生產(chan) 線上的配電網絡和其他用電設備。因此,諧波治理在光伏行業(ye) 中是非常重要的一個(ge) 環節。

2諧波治理的措施

從(cong) 現場測試數據可以看出，單晶爐和線鋸的諧波含量很高,單晶爐電流畸變率高達30%,線鋸也接近20%，以571113等奇次諧波為(wei) 主，尤其5次和7次諧波含量較高,波形畸變非常嚴(yan) 重。諧波治理的目的,首先是保障電氣設備的穩定運行和工作人員的人身安全,即通過針對性的諧波治理方案，減少甚至消除諧波對配電係統的不良影響,保證單晶爐、線鋸、供配電設備的正常運行;其次體(ti) 現直接經濟效益,即降低配電係統中諧波含量,減少無功損耗,延長設備使用壽命。基於(yu) 上述目的及現場測試的數據,我們(men) 采用有源濾波器對單晶爐和線鋸進行諧波治理。

華天HTOF有源濾波器是一種用於(yu) 動態抑製電力諧波、動態補償(chang) 無功功率並校正三相不平衡的新型電力電子設備。HTQF有源濾波器既可以濾除諧波又能補償(chang) 無功,可對單晶爐線鋸等非線性設備進行電能質量的綜合治理,是諧波治理和無功補償(chang) 的*佳選擇,是確保電網穩定運行的有力保障。

3 HTQF有源濾波器原理介紹

HTQF有源濾波器由指令電流運算電路和補償(chang) 電流發生電路兩(liang) 個(ge) 主要部分組成。指今電流運算電路實時監視線路中的電流,並將模擬電流信號轉換為(wei) 數字信號,送入高速數字信號處理器(DSP)對信號進行處理,將諧波與(yu) 基波分離並以脈寬調製(PWM)信號形式向補償(chang) 電流發生電路送出驅動脈衝(chong) ,驅動IGBT功率模塊,生成與(yu) 諧波電流幅值相等.極性相反的補償(chang) 電流注入電網,對諧波電流進行補償(chang) 或抵消，主動消除電力諧波，從(cong) 而實現對電力諧波的動態,快速治理。HTOF在濾波的同時，其指令運算電路可根據檢測到的無功補償(chang) 需求,控製其內(nei) 部的補償(chang) 電流發生電路輸出容性和感性的基波電流，實時進行補償(chang) ，無功補償(chang) 的目標值可以通過操作麵板設定。HTQF還可通過設備中三相共用的直流儲(chu) 能係統對三相電路中的有功功率進行相間調節從(cong) 而對三相不平衡負載進行功率校正。該功能的投入也可通過操作麵板來設定。

4 HTQF有源濾波器的創新點

補償(chang) 電流發生器是決(jue) 定有源淹波器技術性能的關(guan) 鍵部件。為(wei) 了取得高效率、高速度、高精度的補償(chang) 效果,補償(chang) 電流發生器采用PWM或滯環比較等方法對電流指令信號進行高頻脈衝(chong) 調製，將幅值隨時間變化的指令信號轉換為(wei) 一係列寬度與(yu) 指令信號幅值成比例的矩形脈衝(chong) 信號,以脈衝(chong) 寬度的變化來反映指令信號幅值的變化。用此脈衝(chong) 信號來控製逆變橋中大功率半導體(ti) 功率器件的開通與(yu) 關(guan) 斷，可得到大容量的電壓脈衝(chong) ,通過輸出電感器抑製電壓脈衝(chong) 中的高頻分量,將其轉化成所需的補償(chang) 電流。

由於(yu) 脈衝(chong) 調製,補償(chang) 電流發生器產(chan) 生的補償(chang) 電流中必然含有與(yu) 調製脈衝(chong) 頻率相同的紋波電流,紋波電流會(hui) 導致電磁幹擾。若要降低紋波電流強度則需要增大輸出電感或提高半導體(ti) 功率器件的開關(guan) 頻率。但增大輸出電感會(hui) 限製輸出電流的*大變化率,影響跟蹤補償(chang) 速度和補償(chang) 效果,而提高開關(guan) 頻率會(hui) 增加半導體(ti) 功率器件的開關(guan) 損耗.降低設備效率。因此,需要在幾個(ge) 限製因素中進行折中選擇,導致對補償(chang) 電流發生器技術性能的限製。同時,補償(chang) 電流發生器工作時其直流儲(chu) 能回路中也存在較大紋波電流,導致直流母線電壓波動並在克流母線電容器中產(chan) 生較大損耗影響直流儲(chu) 能電容器使用壽命。

針對上述問題HTOF有源濾波器發展了紋波交錯對消技術:由兩(liang) 組相同的逆變橋兩(liang) 組相同輸出電感器和公共的直流母線及直流電容器構成補償(chang) 電流發生器。兩(liang) 組逆變橋由共同的電流指令信號控製,且補償(chang) 電流輸出端相互並聯因此兩(liang) 組逆變橋輸出的補償(chang) 電流中對應指令信號的有效補償(chang) 電流分量相同,並聯後相互巷加,輸出總補償(chang) 電流為(wei) 單組逆變橋輸出電流的兩(liang) 倍，同時,通過控製兩(liang) 組逆變橋的調製脈衝(chong) 的相位,使兩(liang) 組過變橋輸出電流中的高頻紋波分量相位相互交錯180"疊加後相互抵消，總輸出電流的紋波顯著降低該技術使補償(chang) 電流發生器擺脫了紋波電流的製約,可以采用更優(you) 化的輸出電感器獲得更高的補償(chang) 電流跟蹤速度,采用更為(wei) 優(you) 化的開關(guan) 頻率有效降低半導體(ti) 功率器件的開關(guan) 損耗,提高設備的工作效率.同時,此技術還能顯著降低直流儲(chu) 能回路中的紋波電流.降低直濾儲(chu) 能電容器的損耗和溫升,提高直流電容器的可靠性和使用壽命。

圖2紋波交錯效果展示圖

圖2中綠色和紫色的波形是單套逆變器工作時產(chan) 生的紋波,黃色為(wei) 兩(liang) 套逆變器交錯後產(chan) 生的紋波，從(cong) 示波器監視的波形來看,交錯技術的運用可以大大降低有源濾波器的紋波，大大釋放了紋波對電流跟蹤速度和開關(guan) 頻率的束縛。

5 HTQF有源濾波器在光伏行業(ye) 中的應用

某光伏企業(ye) 大量使用單品爐、多品爐、線鋸等設備,這些非線性負載產(chan) 生大量的諧波,對廠區的供電安企造成很大的危害。鑒於(yu) 此,廠方經過慎重的考察和論證選擇了華天HTOF有源德波器做為(wei) 試用。

以下是HTQF有源德波器投人前後的現場對比數據:

1)三相電壓波形前後對比，見圖3.圖4。

2)三相電壓諧波含量前後對比,見圖5、圖6。

3)三相電流波形前後對比，見圖7、圖8。

4)三相電流諾波含量前後對比,見圖9、圖10。

從(cong) 現場測試的有源濾波器投人前後的數據可以看出,有源港波器投入運行後,電壓和電流諧波明顯降低,電壓諧波由原來的4.7%降到2.4%電流諧波由原來的18.4%降到5.0%諧波電流有效值從(cong) 273A下降到63A,三相電壓和三相電流波形均得到明顯改善,從(cong) 根本上消除了諧波的影響。

6安科瑞APF有源濾波器產(chan) 品選型

6.1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；

6.2型號說明

6.3尺寸說明

6.4產(chan) 品實物展示

ANAPF有源濾波器

7安科瑞智能電容器產(chan) 品選型

7.1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，自動尋找適宜投入（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。

7.2型號說明

AZC係列智能電容器選型：

AZCL係列智能電容器選型：

7.3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

安科瑞侯文莉