胡冠楠

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(hù)側諧波治理調研的基礎上，針對低壓用戶(hù)側諧波模塊化治理進(jìn)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(jìn)行探討。采用模塊化功率單元并聯(lián)設計和主從式并聯(lián)數字化控制策略，并選取典型用戶(hù)負載進(jìn)行測試，對低次諧波濾波率達到97%，現場(chǎng)試點(diǎn)測試治理效果良好，為用戶(hù)側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

某供電公司供電區域內低壓配電系統中存在許多非線(xiàn)性負載，如:變頻空調機、整流設備、電機裝置等，這些非線(xiàn)性負載引起低壓配電系統內電流、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(huì )影響正常的生產(chǎn)用電。功率因數不達標，增加電網(wǎng)電能額外損耗、影響繼電保護和自動(dòng)裝置的工作可靠性、降低電網(wǎng)設備壽命周期，同時(shí)，由于力率電費的調整使得受電客戶(hù)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，響應快，能夠做到對變化的諧波電流動(dòng)態(tài)跟蹤補償，也可抑制閃變和補償無(wú)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(xiàn)處集中補償，采購安裝成本較高［1］。當前主流的低壓APF產(chǎn)品國內正處于仿制跟進(jìn)階段，國外廠(chǎng)商先進(jìn)產(chǎn)品價(jià)格較難為用戶(hù)接受，影響了分散負載型小用戶(hù)對用戶(hù)側諧波治理和節能改造積極性，設備體積較大，產(chǎn)品推廣困難，低壓用戶(hù)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(hù)側源頭消除諧波。

1 低壓用戶(hù)諧波治理方案

根據該地區低壓用戶(hù)負載特點(diǎn)，結合該地區諧波治理標準［2］、成本、體積、可靠性等實(shí)用指標考慮，針對低壓用戶(hù)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，當系統需補償的電流超過(guò)單臺裝置的額定補償能力時(shí)，通常會(huì )選擇將多臺裝置并聯(lián)運行的方式;

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

(3)狀態(tài)監測與數據查詢(xún)，基于IEC61850嵌入式接口實(shí)現通信。

2 低壓用戶(hù)側諧波治理關(guān)鍵技術(shù)

2．1功率模塊設計

2．1．1傳統的模塊并聯(lián)方式

傳統的多臺裝置并聯(lián)方式如圖1所示［3］，N臺APF分別接到母線(xiàn)上，用戶(hù)CT的二次測量線(xiàn)路通過(guò)串聯(lián)的方式接進(jìn)各個(gè)裝置。每臺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(shí)類(lèi)似，各裝置獨立運行。但如果某個(gè)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(guò)測量負荷電流計算補償電流，但在實(shí)際配電系統中很多情況下只能通過(guò)配電柜CT測量到總網(wǎng)側電流。由于各并聯(lián)APF裝置的輸出電流同時(shí)對網(wǎng)側電流產(chǎn)生影響，各APF裝置不能獨立將負荷電流測量出來(lái)，因此很難得到準確的補償電流，使這種并聯(lián)方式的應用場(chǎng)合受到很大的限制，如圖1所示。

圖1傳統并聯(lián)方式

2．1．2主從式結構設計

針對傳統并聯(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裝置統一控制，從而達到彌補傳統并聯(lián)方式的不足。從圖2可以看出，在所有并聯(lián)裝置中Z定一臺裝置為主裝置，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，從裝置只需執行主裝置的命令即可，不需進(jìn)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)通信能力。主裝置采集系統電流信息和并聯(lián)裝置總的輸出電流信息，收集每個(gè)從裝置定時(shí)上傳的運行信息，包括電壓數據、電流數據、故障狀態(tài)等，對這些信息進(jìn)行匯總分析，計算出系統中需要補償的總參考電流，再根據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，控制輸出相應的電流，*終實(shí)現整套并聯(lián)裝置的諧波補償功能。

圖2模塊式APF結構

上述主從控制方法中，主裝置可根據系統電流實(shí)現閉環(huán)控制，即實(shí)時(shí)采樣系統電流中要補償的負荷電流，不斷修正各從裝置輸出的電流反饋，

使系統電流中的無(wú)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(shí)，主裝置立刻會(huì )重新分配要補償的電流到其余運行的裝置中，從而提高了整套并聯(lián)裝置的利用率。

2．2主從式并聯(lián)的數字化控制

在A(yíng)PF應用中，FPGA的高速性能和管腳資源更適合用于實(shí)現多路I/O的快速響應的閉環(huán)控制器，實(shí)現多路模塊并聯(lián)的多重化控制算法［4-6］。DSP比較適合復雜靈活的濾波算法設計，其快速響應也能達到要求。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PWM信號分辨率提出更高要求，意味著(zhù)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(xiàn)設計，可能會(huì )影響整個(gè)控制算法的快速性。根據低壓用戶(hù)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)現快速補償［5］。

2．2．1主控制器的設計

主控制器主要進(jìn)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(jìn)行FFT變換，根據設置的補償次數，對相應次數的分量進(jìn)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(jìn)行逆FFT變換，則得到諧波補償電流參考值。同時(shí)對FFT變換后的各次諧波分量的有效值和總THD進(jìn)行計算并顯示。另外為補償負荷的無(wú)功電流，主控制器對FFT變換的基波分量在進(jìn)行對稱(chēng)分解，從而得出負荷電流的無(wú)功分量，然后將其和補償諧波分量進(jìn)行耦合，得到總的補償電流，*后根據補償從機個(gè)數，算出每個(gè)從機的補償電流并通過(guò)光纖下發(fā)。

2．2．2從控制器設計

從控制器根據主控制器下發(fā)的參數對輸出電流進(jìn)行控制，輸出相應的補償電流，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(jìn)行解析，同時(shí)對直流電壓進(jìn)行控制計算出相應的有功分量，各參考分量進(jìn)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脈沖驅動(dòng)IGBT動(dòng)作，輸出相應參考電流。

3 樣機測試與分析

根據設計，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3個(gè)典型用戶(hù)根據其負荷特點(diǎn)，對其諧波進(jìn)行分析，給出樣機安裝方案，并進(jìn)行測試。

如圖5所示，典型用戶(hù)之一(小泵站)經(jīng)過(guò)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(jiàn)下表1。

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

圖5某用戶(hù)治理后系統側電流THD

表1某低壓用戶(hù)A相治理后主要諧波濾除率

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(diǎn)

（1）DSP+FPGA控制方式，響應時(shí)間短，全數字控制算法，運行穩定；

（2）一機多能，既可補諧波，又可兼補無(wú)功，可對2～51次諧波進(jìn)行全補償或Z定特定次諧波進(jìn)行補償；

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

（4）模塊化設計，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(shí)現參數設置和控制，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Z利技術(shù)。

4.2型號說(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用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節省能源、降低線(xiàn)損、提高功率因數和電能質(zhì)量的新一代無(wú)功補償設備。它由智能測控單元，晶閘管復合開(kāi)關(guān)電路，線(xiàn)路保護單元，兩臺共補或一臺分補低壓電力電容器構成?？商娲Ｒ幱扇劢z、復合開(kāi)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和柜面由導線(xiàn)連接而組成的自動(dòng)無(wú)功補償裝置。具有體積更小，功耗更低，維護方便，使用壽命長(cháng)，可靠性高的特點(diǎn)，適應現代電網(wǎng)對無(wú)功補償的更高要求。

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(xiàn)電壓、三相母線(xiàn)電流、三相功率因數、頻率、電容器路數及投切狀態(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)內部晶閘管復合開(kāi)關(guān)電路，自動(dòng)尋找*佳投入（切除）點(diǎn)，實(shí)現過(guò)零投切，具有過(guò)壓保護、缺相保護、過(guò)諧保護、過(guò)溫保護等保護功能。

5.2型號說(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)功補償裝置智能電容方案

6 結語(yǔ)

本文提出了一種針對低壓用戶(hù)側分散安裝的小型有源濾波器設計方案，功率單元采用主從模塊化設計，DSP作為核心控制器件，控制策略采用主從控制方式。從樣機測試結果可以看出，針對不同的用戶(hù)，無(wú)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場(chǎng)測試表明其輸出一致性好、應用靈活、補償效果能夠滿(mǎn)足要求，實(shí)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(hù)側諧波治理中的應用[J].華東電力