摘要：在低壓配電網(wǎng)用戶側(cè)諧波處理研究的基礎(chǔ)上，分析了低壓用戶側(cè)諧波模塊化處理的關(guān)鍵技術(shù)，探討了小容量低壓有源濾波器的應(yīng)用方案。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)字控制策略，選擇典型用戶負(fù)荷進(jìn)行測(cè)試，低諧波濾波率達(dá)到97%，現(xiàn)場(chǎng)試點(diǎn)測(cè)試處理效果良好，為用戶側(cè)諧波處理的推廣提供了可借鑒的工程經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：APF；主從控制；FFT

引言

供電公司供電區(qū)域低壓配電系統(tǒng)有許多非線性負(fù)荷，如：變頻空調(diào)、整流設(shè)備、電機(jī)設(shè)備等，這些非線性負(fù)荷導(dǎo)致低壓配電系統(tǒng)電流、電壓波形畸變，產(chǎn)生大量高次諧波，小諧波源對(duì)配電網(wǎng)可靠運(yùn)行的危害越來(lái)越明顯，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)用電。功率因數(shù)不合格，增加電網(wǎng)電能額外損耗，影響繼電保護(hù)和自動(dòng)設(shè)備的工作可靠性，降低電網(wǎng)設(shè)備的使用壽命周期，同時(shí)由于電力調(diào)整，電力客戶增加了用電成本。

使用有源濾波器(APF)它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，可以動(dòng)態(tài)跟蹤和補(bǔ)償變化的諧波電流，抑制閃光和補(bǔ)償失敗。補(bǔ)償方法靈活，但容量一般不低(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］。目前國(guó)內(nèi)主流低壓APF產(chǎn)品正處于仿制跟進(jìn)階段，國(guó)外廠商先進(jìn)產(chǎn)品價(jià)格難以被用戶接受，影響分散負(fù)荷小用戶對(duì)用戶側(cè)諧波治理和節(jié)能改造的熱情，設(shè)備體積大，產(chǎn)品推廣困難，低壓用戶諧波治理效果有限，對(duì)低壓電網(wǎng)質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。

本文提出了模塊化低壓有源電力濾波裝置的解決方案，以消除用戶側(cè)源頭的諧波。

1低壓用戶諧波治理方案

根據(jù)本地區(qū)低壓用戶負(fù)荷特點(diǎn)，結(jié)合本地區(qū)諧波治理標(biāo)準(zhǔn)［2］、考慮到成本、體積、可靠性等實(shí)用指標(biāo)，低壓用戶分散處理設(shè)計(jì)的有源濾波器具有以下主要功能：

（1）有源濾波器功率單元的補(bǔ)償容量約為30A。采用模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)不同的低壓供電設(shè)備靈活配置不同的數(shù)量模塊。當(dāng)系統(tǒng)需要補(bǔ)償?shù)碾娏鞒^(guò)單個(gè)設(shè)備的額定補(bǔ)償能力時(shí)，通常選擇多個(gè)設(shè)備并聯(lián)運(yùn)行；

（2）主從控制采用基于DSP或FPGA的數(shù)字控制器，主控制器采集負(fù)載側(cè)電流，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)

（1）傳統(tǒng)的模塊并聯(lián)模式

傳統(tǒng)的多臺(tái)裝置并聯(lián)方式如圖1所示［3］，NAPF分別連接到母線上，用戶CT的二次測(cè)量線通過(guò)串聯(lián)連接到每個(gè)裝置。每個(gè)APF裝置根據(jù)測(cè)量的負(fù)載電流諧波輸出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)模式下，其控制模式與單個(gè)運(yùn)行模式相似，每個(gè)裝置獨(dú)立運(yùn)行。但是，如果某個(gè)裝置出現(xiàn)故障并退出運(yùn)行，其他裝置仍將以1/N的方式輸出補(bǔ)償電流，導(dǎo)致諧波電流無(wú)法正常補(bǔ)償。此外，這種并聯(lián)模式通常只能通過(guò)測(cè)量負(fù)載電流來(lái)計(jì)算補(bǔ)償電流，但在實(shí)際配電系統(tǒng)中，總網(wǎng)側(cè)電流只能通過(guò)配電柜CT來(lái)測(cè)量。由于每個(gè)并聯(lián)APF裝置的輸出電流同時(shí)影響網(wǎng)絡(luò)側(cè)電流，每個(gè)APF裝置都不能獨(dú)立測(cè)量負(fù)載電流，因此很難獲得準(zhǔn)確的補(bǔ)償電流，這種并聯(lián)模式的應(yīng)用場(chǎng)合受到很大限制，如圖1所示。

圖1傳統(tǒng)的并聯(lián)方式

（2）主從式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)并聯(lián)模式的不足，本文提出了一種基于主從控制的并聯(lián)模式，即通過(guò)一主多從模式統(tǒng)一控制多個(gè)模塊化APF裝置，彌補(bǔ)傳統(tǒng)并聯(lián)模式的不足。從圖2可以看出，在所有并聯(lián)裝置中zhi定一個(gè)裝置為主裝置，除主裝置外的其他裝置為從裝置。主裝置負(fù)責(zé)收集信息，計(jì)算每個(gè)從裝置的補(bǔ)償電流信號(hào)，然后發(fā)送到每個(gè)從裝置。從裝置中，只需執(zhí)行主裝置的命令，無(wú)需額外的分析計(jì)算。主裝置是整個(gè)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，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集、分析、處理能力和快速實(shí)時(shí)通信能力。主裝置收集系統(tǒng)電流信息和并聯(lián)裝置總輸出電流信息，收集各從裝置上傳的運(yùn)行信息，包括電壓數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)、故障狀態(tài)等，總結(jié)分析信息，計(jì)算系統(tǒng)補(bǔ)償總參考電流，然后根據(jù)一定算法將總參考電流分解為各裝置的參考電流，電流信號(hào)通過(guò)光纖實(shí)時(shí)發(fā)送到各裝置。接收主裝置的電流信號(hào)后，控制輸出相應(yīng)的電流，*最終實(shí)現(xiàn)整套并聯(lián)裝置的諧波補(bǔ)償功能。

模塊圖2模塊APF結(jié)構(gòu)

在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)取樣系統(tǒng)電流中要補(bǔ)償?shù)呢?fù)荷電流，不斷糾正各從裝置輸出的電流反饋，

使系統(tǒng)電流中的無(wú)用重量接近零，達(dá)到更好的補(bǔ)償效果。此外，借助主裝置之間的通信，主裝置的所有手柄都處于裝置的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)裝置故障退出運(yùn)行時(shí)，主裝置會(huì)立即將補(bǔ)償電流重新分配到其他運(yùn)行裝置，從而提高整個(gè)并聯(lián)裝置的利用率。

2．2.主從式并聯(lián)數(shù)字控制

在APF應(yīng)用中，F(xiàn)PGA的高速性能和管腳資源更適合閉環(huán)控制器，實(shí)現(xiàn)多路I/O的快速響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)多路模塊并聯(lián)的多重控制算法［4-6］。DSP更適合復(fù)雜靈活的濾波算法設(shè)計(jì)，其快速響應(yīng)也能滿足要求。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)分辨率提出更高的要求，這意味著需要更高的時(shí)鐘主頻率或添加算法來(lái)提高PWM分辨率，如延遲線設(shè)計(jì)，這可能會(huì)影響整個(gè)控制算法的速度。根據(jù)低壓用戶諧波治理的特點(diǎn)，選擇基于DSP的主要方案，通過(guò)FFT控制算法實(shí)現(xiàn)快速補(bǔ)償［5］。

（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)算和發(fā)布，其控制原理如圖3所示

圖3主控制器控制原理

主控制器收集負(fù)荷電流后，進(jìn)行FFT變換，根據(jù)設(shè)定的補(bǔ)償次數(shù)處理相應(yīng)次數(shù)的分量，即如果不補(bǔ)償諧波，則清除諧波分量，然后逆FFT變換剩余分量，獲得諧波補(bǔ)償電流參考值。同時(shí)，計(jì)算和顯示FFT變換后各諧波分量的有效值和總THD。此外，為了補(bǔ)償負(fù)荷的無(wú)功電流，主控制器對(duì)FFT變換的基波分量進(jìn)行對(duì)稱分解，得到負(fù)荷電流的無(wú)功分量，然后與補(bǔ)償諧波分量耦合，得到總補(bǔ)償電流。*之后，根據(jù)補(bǔ)償從機(jī)的數(shù)量計(jì)算每個(gè)從機(jī)的補(bǔ)償電流，并通過(guò)光纖發(fā)送。

（2）從控制器設(shè)計(jì)

根據(jù)主控制器發(fā)出的參數(shù)，從控制器控制輸出電流，輸出相應(yīng)的補(bǔ)償電流，原理如圖4所示。

圖4從控制器控制原理圖

從控制器分析主控制器發(fā)布的補(bǔ)償值，控制直流電壓計(jì)算相應(yīng)的有功分量，耦合每個(gè)參考分量獲得相應(yīng)的補(bǔ)償參考電流。*之后，使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)的參考電流。

3樣機(jī)測(cè)試與分析

根據(jù)設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了一套基于主并聯(lián)控制方法的模塊APF原型，根據(jù)負(fù)荷特點(diǎn)選擇供電范圍內(nèi)的三個(gè)典型用戶進(jìn)行諧波分析，給出原型安裝方案并進(jìn)行測(cè)試。

如圖5所示，典型用戶之一(小泵站)經(jīng)SAPF補(bǔ)償后，A、B、三相電流THD分別由三相電流THD組成

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用戶治理后系統(tǒng)側(cè)電流THDD

表1低壓用戶A相治理后主要諧波濾除率

從測(cè)試結(jié)果可以看出，含量較大的5次和7次諧波濾除率較為理想，含量較大的5次諧波濾除率在97%以上。11、13等高次諧波由于重量小，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控制模式，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)多功能，既能補(bǔ)諧波，又能補(bǔ)無(wú)功，可對(duì)2～51次諧波進(jìn)行全補(bǔ)償或zhi定特定次諧波進(jìn)行補(bǔ)償；

（3）橋臂過(guò)流保護(hù)、直流過(guò)壓保護(hù)、裝置過(guò)溫保護(hù)功能完善；

（4）模塊化設(shè)計(jì)，體積小，安裝方便，擴(kuò)容方便；

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

（6）輸出端安裝濾波裝置，減少高頻紋波對(duì)電力系統(tǒng)的影響；

（7）多機(jī)并聯(lián)，達(dá)到較高的電流輸出水平；

（8）擁有自主zhuan利技術(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

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

5.3產(chǎn)品實(shí)物展示

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)：

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【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