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)計和主從式并聯(lián)數(shù)字控制策略，選擇典型用戶負荷進行測試，低諧波濾波率達到97%，現(xiàn)場試點測試處理效果良好，為用戶側(cè)諧波處理的推廣提供了可借鑒的工程經(jīng)驗。

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)有許多非線性負荷，如：變頻空調(diào)、整流設(shè)備、電機設(shè)備等，這些非線性負荷導致低壓配電系統(tǒng)電流、電壓波形畸變，產(chǎn)生大量高次諧波，小諧波源對配電網(wǎng)可靠運行的危害越來越明顯，嚴重影響正常生產(chǎn)用電。功率因數(shù)不合格，增加電網(wǎng)電能額外損耗，影響繼電保護和自動設(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。與無源濾波器相比，響應(yīng)快，可以動態(tài)跟蹤和補償變化的諧波電流，抑制閃光和補償失敗。補償方法靈活，但容量一般不低(100～150A)，通常在電網(wǎng)出線處集中補償，采購安裝成本較高［1］。目前國內(nèi)主流低壓APF產(chǎn)品正處于仿制跟進階段，國外廠商先進產(chǎn)品價格難以被用戶接受，影響分散負荷小用戶對用戶側(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，對低壓電網(wǎng)質(zhì)量產(chǎn)生負面影響。

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)低壓用戶負荷特點，結(jié)合本地區(qū)諧波治理標準［2］、考慮到成本、體積、可靠性等實用指標，低壓用戶分散處理設(shè)計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償容量約為30A。采用模塊化設(shè)計，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。當系統(tǒng)需要補償?shù)碾娏鞒^單個設(shè)備的額定補償能力時，通常選擇多個設(shè)備并聯(lián)運行；

（2）主從控制采用基于DSP或FPGA的數(shù)字控制器，主控制器采集負載側(cè)電流，控制算法給出DPWM數(shù)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(jiān)測與數(shù)據(jù)查詢，基于IEC61850嵌入式接口實現(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

（1）傳統(tǒng)的模塊并聯(lián)模式

傳統(tǒng)的多臺裝置并聯(lián)方式如圖1所示［3］，NAPF分別連接到母線上，用戶CT的二次測量線通過串聯(lián)連接到每個裝置。每個APF裝置根據(jù)測量的負載電流諧波輸出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)模式下，其控制模式與單個運行模式相似，每個裝置獨立運行。但是，如果某個裝置出現(xiàn)故障并退出運行，其他裝置仍將以1/N的方式輸出補償電流，導致諧波電流無法正常補償。此外，這種并聯(lián)模式通常只能通過測量負載電流來計算補償電流，但在實際配電系統(tǒng)中，總網(wǎng)側(cè)電流只能通過配電柜CT來測量。由于每個并聯(lián)APF裝置的輸出電流同時影響網(wǎng)絡(luò)側(cè)電流，每個APF裝置都不能獨立測量負載電流，因此很難獲得準確的補償電流，這種并聯(lián)模式的應(yīng)用場合受到很大限制，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)計設(shè)計

針對傳統(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，即通過一主多從模式統(tǒng)一控制多個模塊化APF裝置，彌補傳統(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定一個裝置為主裝置，除主裝置外的其他裝置為從裝置。主裝置負責收集信息，計算每個從裝置的補償電流信號，然后發(fā)送到每個從裝置。從裝置中，只需執(zhí)行主裝置的命令，無需額外的分析計算。主裝置是整個并聯(lián)裝置的控制核心。為保證有源濾波裝置的實時性和有效性，具有較強的數(shù)據(jù)采集、分析、處理能力和快速實時通信能力。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，計算系統(tǒng)補償總參考電流，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，電流信號通過光纖實時發(fā)送到各裝置。接收主裝置的電流信號后，控制輸出相應(yīng)的電流，*最終實現(xiàn)整套并聯(lián)裝置的諧波補償功能。

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)電流實現(xiàn)閉環(huán)控制，即實時取樣系統(tǒng)電流中要補償?shù)呢摵呻娏?，不斷糾正各從裝置輸出的電流反饋，

使系統(tǒng)電流中的無用重量接近零，達到更好的補償效果。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行狀態(tài)。當裝置故障退出運行時，主裝置會立即將補償電流重新分配到其他運行裝置，從而提高整個并聯(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，實現(xiàn)多路I/O的快速響應(yīng)，實現(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，其快速響應(yīng)也能滿足要求。如果進一步提高控制精度，則需要更高的IGBT開關(guān)頻率，對PWM信號分辨率提出更高的要求，這意味著需要更高的時鐘主頻率或添加算法來提高PWM分辨率，如延遲線設(shè)計，這可能會影響整個控制算法的速度。根據(jù)低壓用戶諧波治理的特點，選擇基于DSP的主要方案，通過FFT控制算法實現(xiàn)快速補償［5］。

（1）主控制器的設(shè)計

主控制器主要進行負荷電流檢測、補償電流計算和發(fā)布，其控制原理如圖3所示

圖3主控制器控制原理

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

（2）從控制器設(shè)計

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)布的補償值，控制直流電壓計算相應(yīng)的有功分量，耦合每個參考分量獲得相應(yīng)的補償參考電流。*之后，使用電流跟蹤算法生成PWM脈沖驅(qū)動IGBT動作，輸出相應(yīng)的參考電流。

3樣機測試與分析

根據(jù)設(shè)計，開發(fā)了一套基于主并聯(lián)控制方法的模塊APF原型，根據(jù)負荷特點選擇供電范圍內(nèi)的三個典型用戶進行諧波分析，給出原型安裝方案并進行測試。

如圖5所示，典型用戶之一(小泵站)經(jīng)SAPF補償后，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%。負荷側(cè)諧波含量較大的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，補償率見下表1。

(注:諧波補償率=［1－(系統(tǒng)側(cè)諧波電流/負荷側(cè)諧波電流)］×100%={1－［系統(tǒng)側(cè)諧波電流THDD×系統(tǒng)側(cè)總電流/(負載側(cè)諧波電流THD×負荷側(cè)總電流)］}×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

（1）DSP+FPGA控制模式，響應(yīng)時間短，全數(shù)字控制算法，運行穩(wěn)定；

（2）一機多功能，既能補諧波，又能補無功，可對2～51次諧波進行全補償或zhi定特定次諧波進行補償；

（3）橋臂過流保護、直流過壓保護、裝置過溫保護功能完善；

（4）模塊化設(shè)計，體積小，安裝方便，擴容方便；

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

（6）輸出端安裝濾波裝置，減少高頻紋波對電力系統(tǒng)的影響；

（7）多機并聯(lián)，達到較高的電流輸出水平；

（8）擁有自主zhuan利技術(shù)。

4.2型號說明

4.3尺寸說明

4.4產(chǎn)品實物展示

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)量的新一代無功補償設(shè)備。它由智能測控單元，晶閘管復(fù)合開關(guān)電路，線路保護單元，兩臺共補或一臺分補低壓電力電容器構(gòu)成?？商娲Ｒ?guī)由熔絲、復(fù)合開關(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(nèi)和柜面由導線連接而組成的自動無功補償裝置。具有體積更小，功耗更低，維護方便，使用壽命長，可靠性高的特點，適應(yīng)現(xiàn)代電網(wǎng)對無功補償?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、無功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過內(nèi)部晶閘管復(fù)合開關(guān)電路，自動尋找*佳投入（切除）點，實現(xiàn)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

5.3產(chǎn)品實物展示

6 結(jié)語

本文提出了一種針對低壓用戶側(cè)分散安裝的小型有源濾波器設(shè)計方案，功率單元采用主從模塊化設(shè)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(jié)果可以看出，針對不同的用戶，無論是單臺、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(xiàn)場測試表明其輸出一致性好、應(yīng)用靈活、補償效果能夠滿足要求，實際可推廣性較好。

參考文獻：

【1】黃川,周益,陳家良.低壓有源濾波器在用戶側(cè)諧波治理中的應(yīng)用[J].華東電力,2014,42(12):2560-2563.

【2】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2022.05版