浅谈低压有源滤波器在用户侧谐波治理中的设计应用方案

时间：2023-07-31作者：安科瑞电气股份有限公司浏览：262

摘要:在低压配电网用户侧谐波治理调研的基础上，针对低压用户侧谐波模块化治理进行分析，对小容量低压有源滤波器适用方案的关键技术进行探讨。采用模块化功率单元并联设计和主从式并联数字化控制策略，并选取典型用户负载进行测试，对低次谐波滤波率达到97%，现场试点测试治理效果良好，为用户侧谐波治理推广提供可借鉴的工程经验。
关键词:APF;主从控制;FFT
0 引言
       某供电公司供电区域内低压配电系统中存在许多非线性负载，如:变频空调机、整流设备、电机装置等，这些非线性负载引起低压配电系统内电流、电压波形发生畸变，产生大量的高次谐波，日益增多的小谐波源对配电网可靠运行的危害日渐明显，严重情况会影响正常的生产用电。功率因数不达标，增加电网电能额外损耗、影响继电保护和自动装置的工作可靠性、降低电网设备寿命周期，同时，由于力率电费的调整使得受电客户增加了用电成本。
       采用有源滤波器(APF)是目前谐波治理的主要手段，与无源滤波器相比，响应快，能够做到对变化的谐波电流动态跟踪补偿，也可抑制闪变和补偿无功，补偿方式灵活，但其容量一般不低(100～150A)，通常在电网出线处集中补偿，采购安装成本较高［1］。当前主流的低压APF产品国内正处于跟进阶段，国外厂商先进产品价格较难为用户接受，影响了分散负载型小用户对用户侧谐波治理和节能改造积性，设备体积较大，产品推广困难，低压用户的谐波治理成效有限，对低压电网质量造成影响。


       本文提出一种采用模块化低压有源电力滤波装置的解决推广方案，在用户侧源头谐波。

1 低压用户谐波治理方案

       根据该地区低压用户负载特点，结合该地区谐波治理标准［2］、成本、体积、可靠性等实用指标考虑，针对低压用户分散治理设计的有源滤波器具备以下主要功能:
(1)有源滤波器功率单元补偿容量30A左右，采用模块化设计，能够针对不同低压供电设备灵活配置不同数量模块，当系统需补偿的电流过单台装置的额定补偿能力时，通常会选择将多台装置并联运行的方式;
(2)采用基于DSP或FPGA的数字控制器实现主从控制，主控制器采集负载侧电流，由控制算法给出DPWM数字控制信号，从控制器接收信号控制功率模块输出补偿电流;
(3)状态监测与数据查询，基于IEC61850嵌入式接口实现通信。
2 低压用户侧谐波治理关键技术
2.1功率模块设计
2.1.1传统的模块并联方式


       传统的多台装置并联方式如图1所示［3］，N台APF分别接到母线上，用户CT的二次测量线路通过串联的方式接进各个装置。每台APF装置根据所测量得到的负荷电流谐波，分别输出1/N的谐波补偿电流，使输出电流总和达到所需的补偿电流。在这种并联方式下，其控制方式和单台运行时类似，各装置独立运行。但如果某个装置发生故障退出运行，其它装置仍将按照1/N的方式输出补偿电流，造成谐波电流不能够正常补偿。另外，这种并联方式通常只能采用通过测量负荷电流计算补偿电流，但在实际配电系统中很多情况下只能通过配电柜CT测量到总网侧电流。由于各并联APF装置的输出电流同时对网侧电生影响，各APF装置不能独立将负荷电流测量出来，因此很难得到准确的补偿电流，使这种并联方式的应用场合受到很大的限制，如图1所示。






图1传统并联方式
2.1.2主从式结构设计
       针对传统并联方式的不足，本文提出了一种基于主从控制的并联方式，即通过一主多从的方式，使多个模块化APF装置统一控制，从而达到弥补传统并联方式的不足。从图2可以看出，在所有并联装置中一台装置为主装置，除主装置之外的其他装置为从装置，主装置负责收集信息并计算出每台从装置的补偿电流信号，再下发到各从装置，从装置只需执行主装置的命令即可，不需进行额外的分析计算。主装置是整套并联装置的控制，为保证有源滤波装置的实时性和有效性，具备更强的数据采集、分析、处理能力，以及快速实时通信能力。主装置系统电流信息和并联装置总的输出电流信息，收集每个从装置定时上传的运行信息，包括电压数据、电流数据、故障状态等，对这些信息进行汇总分析，计算出系统中需要补偿的总参考电流，再根据一定的算法将总参考电流分解为各从装置的参考电流，并通过光纤实时将该电流信号下发到各从装置。各从装置接收到主装置的电流信号后，控制输出相应的电流，*终实现整套并联装置的谐波补偿功能。









图2模块式APF结构
      上述主从控制方法中，主装置可根据系统电流实现闭环控制，即实时采样系统电流中要补偿的负荷电流，不断修正各从装置输出的电流反馈，
       使系统电流中的无用分量趋近于零，达到较好的补偿效果。另外，借助于主从装置间的通讯，主装置拉手所有从装置的运行状态，当某台从装置故障退出运行时，主装置立刻会重新分配要补偿的电流到其余运行的装置中，从而提高了整套并联装置的利用率。
2.2主从式并联的数字化控制
       在APF应用中，FPGA的高速性能和管脚资源更适合用于实现多路I/O的快速响应的闭环控制器，实现多路模块并联的多重化控制算法［4-6］。DSP比较适合复杂灵活的滤波算法设计，其快速响应也能达到要求。如果进一步提高控制精度，则需要更高的IGBT开关频率，对PWM信号分辨率提出更高要求，意味着需要更高的时钟主频或者加入提高PWM分辨率的算法，比如延迟线设计，可能会影响整个控制算法的快速性。根据低压用户谐波治理特点，选择基于DSP的主从方案，通过FFT控制算法实现快速补偿[5]。
2.2.1主控制器的设计
       主控制器主要进行负荷电流检测、补偿电流计算及下发，其控制原理如图3所示。









图3主控制器控制原理
       主控制器采集负荷电流后进行FFT变换，根据设置的补偿次数，对相应次数的分量进行处理，即如果不补偿该次谐波，则将该次谐波分量清零，然后对剩余的分量进行逆FFT变换，则得到谐波补偿电流参考值。同时对FFT变换后的各次谐波分量的有效值和总THD进行计算并显示。另外为补偿负荷的无功电流，主控制器对FFT变换的基波分量在进行对称分解，从而得出负荷电流的无功分量，然后将其和补偿谐波分量进行耦合，得到总的补偿电流，*后根据补偿从机个数，算出每个从机的补偿电流并通过光纤下发。
2.2.2从控制器设计




       从控制器根据主控制器下发的参数对输出电流进行控制，输出相应的补偿电流，其原理如图4所示。






图4从控制器控制原理
       从控制器对主控制器下发的补偿值进行解析，同时对直流电压进行控制计算出相应的有功分量，各参考分量进行耦合得到各相补偿参考电流，*后采用电流跟踪算法生成PWM脉冲驱动IGBT动作，输出相应参考电流。
3 样机测试与分析
       根据设计，研制了一套基于主从式并联控制方法的模块式APF样机，选择供电范围内3个典型用户根据其负荷特点，对其谐波进行分析，给出样机安装方案，并进行测试。
       如图5所示，典型用户之一(小泵站)经过SAPF的补偿后，A、B、C三相电流THD分别由
46.5%、46.3%和47.5%下降至7.4%、7.9%和6.8%。负荷侧谐波含量比较大的5、7、11次等谐波电流补偿率对谐波电流的补偿效果也很明显，补偿率见下表1。
(注:谐波补偿率=［1－(系统侧谐波电流/负荷侧谐波电流)］×**={1－［系统侧谐波电流THD×系统侧总电流/(负荷侧谐波电流THD×负荷侧总电流)］}×**)









图5某用户治理后系统侧电流THD
表1某低压用户A相治理后主要谐波滤除率






由测试看出，含量比较大的5次和7次谐波滤除率比较理想，含量*大的5次谐波滤除率在97%以上。11和13等高次谐波由于分量太小，补偿效果稍差。
4 安科瑞APF有源滤波器产品选型
4.1产品特点

       (1)DSP+FPGA控制方式，响应时间短，全数字控制算法，运行稳定；
       (2)一机多能，既可补谐波，又可兼补无功，可对2～51次谐波进行全补偿或特定次谐波进行补偿；
       (3)具有完善的桥臂过流保护、直流过压保护、装置过温保护功能；
       (4)模块化设计，体积小，安装便利，方便扩容；
       (5)采用7英寸大屏幕彩色触摸屏以实现参数设置和控制，使用方便，易于操作和维护；
       (6)输出端加装滤波装置，降低高频纹波对电力系统的影响；
       (7)多机并联，达到较高的电流输出等级；
       (8)拥有自主技术。
4.2型号说明



4.3尺寸说明



4.4产品实物展示








ANAPF有源滤波器
5 安科瑞智能电容器产品选型
5.1产品概述
       AZC/AZCL系列智能电容器是应用于0.4kV、50Hz低压配电中用于节省能源、降低线损、提高功率因数和电能质量的新一代无功补偿设备。它由智能测控单元，晶闸管复合开关电路，线路保护单元，两台共补或一台分补低压电力电容器构成。可替代常规由熔丝、复合开关或机械式接触器、热继电器、低压电力电容器、指示灯等散件在柜内和柜面由导线连接而组成的自动无功补偿装置。具有体积更小，功耗更低，维护方便，使用寿命长，可靠性高的特点，适应现代电网对无功补偿的更高要求。
       AZC/AZCL系列智能电容器采用定式LCD液晶显示器，可显示三相母线电压、三相母线电流、三相功率因数、频率、电容器路数及投切状态、有功功率、无功功率、谐波电压总畸变率、电容器温度等。通过内部晶闸管复合开关电路，自动寻找*佳投入（切除）点，实现过零投切，具有过压保护、缺相保护、过谐保护、过温保护等保护功能。
5.2型号说明







AZC系列智能电容器选型：



AZCL系列智能电容器选型：



5.3产品实物展示



AZC系列智能电容模块AZCL系列智能电容模块



6 结语
       本文提出了一种针对低压用户侧分散安装的小型有源滤波器设计方案，功率单元采用主从模块化设计，DSP作为控制器件，控制策略采用主从控制方式。从样机测试可以看出，针对不同的用户，无论是单台、多台装置并联方案，都能够滤除负荷的绝大部分谐波电流。现场测试表明其输出一致性好、应用灵活、补偿效果能够满足要求，实际可推广性较好。
参考文献：
[1]黄川,周益,陈家良.低压有源滤波器在用户侧谐波治理中的应用[J].华东电力,2014,42(12):2560-2563.
[2]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版


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