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              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

              更新時(shí)間:2023-09-06      瀏覽次數(shù):450

              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


              李明君


              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。

              image.png



              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**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茧娏鳎俑鶕?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。


              image.png


              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。。

              image.png


              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。

              image.png




              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%)


              image.png


              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

              image.png



              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**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

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              4.3尺寸說(shuō)明

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              4.4產(chǎn)品實(shí)物展示


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              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?/span>


              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

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              AZC系列智能電容器選型:

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              AZCL系列智能電容器選型:


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              5.3產(chǎn)品實(shí)物展示

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              智能電容模塊AZC智能電容模塊

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              AZC系列智能電容模塊AZCL系列智能電容模塊


              智能電容


              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。現(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):


              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.

              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


              李明君,男,現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。


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