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

時(shí)間：2023-07-31作者：安科瑞電氣股份有限公司瀏覽：240

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)正處于跟進(jìn)階段，國(guó)外廠商**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)碾娏鬟^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)電生影響，各APF裝置不能獨(dú)立將負(fù)荷電流測(cè)量出來，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。






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，為保證有源濾波裝置的實(shí)時(shí)性和有效性，具備較強(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?，再根?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。









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較適合用于實(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，則需要較高的IGBT開關(guān)頻率，對(duì)PWM信號(hào)分辨率提出較高要求，意味著需要較高的時(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。









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。






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)］×**={1－［系統(tǒng)側(cè)諧波電流THD×系統(tǒng)側(cè)總電流/(負(fù)荷側(cè)諧波電流THD×負(fù)荷側(cè)總電流)］}×**)









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






由測(cè)試看出，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)具有完善的橋臂過流保護(hù)、直流過壓保護(hù)、裝置過溫保護(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)說明



4.3尺寸說明



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(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(bǔ)償設(shè)備。它由智能測(cè)控單元，晶閘管復(fù)合開關(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?？商娲Ｒ?guī)由熔絲、復(fù)合開關(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)無功補(bǔ)償裝置。具有體積較小，功耗較低，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)無功補(bǔ)償?shù)妮^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(dòng)尋找*佳投入（切除）點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)過零投切，具有過壓保護(hù)、缺相保護(hù)、過諧保護(hù)、過溫保護(hù)等保護(hù)功能。
5.2型號(hào)說明







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



6 結(jié)語
       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作為控制器件，控制策略采用主從控制方式。從樣機(jī)測(cè)試可以看出，針對(duì)不同的用戶，無論是單臺(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?，F(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)：
[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(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.05版


安科瑞電氣股份有限公司專注于10KV饋線保護(hù)裝置,電流互感器,溫濕度控制器,有源電力濾波器,混合動(dòng)態(tài)濾波補(bǔ)償裝置,有源濾波器廠家,低壓饋線保護(hù)器等, 歡迎致電 18702111791

• 詞條

  詞條說明

• 淺談電力智能監(jiān)控平臺(tái)在能耗中的應(yīng)用

  關(guān)鍵詞：智能系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集；故障處理；反饋；能耗監(jiān)控平臺(tái)；便捷1電力系統(tǒng)智能監(jiān)控平臺(tái)1.1能耗平臺(tái)模塊? ? ? ?能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)包括5個(gè)模塊：能效監(jiān)測(cè)（實(shí)時(shí)能耗、平臺(tái)告警、能耗數(shù)據(jù)、能耗報(bào)告）、環(huán)境監(jiān)測(cè)、設(shè)備監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)分析、系統(tǒng)設(shè)置，其中重點(diǎn)為能效監(jiān)測(cè)管理。在醫(yī)院高壓與低壓設(shè)備都是存在的，而智能電力監(jiān)控系統(tǒng)就是對(duì)開關(guān)柜、應(yīng)急發(fā)電機(jī)組、輸電變壓器等的工作狀態(tài)進(jìn)

• 淺談分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)

  楊馨安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801?摘要：隨著光伏發(fā)電技術(shù)逐步趨于成熟和完善，為了滿足光伏發(fā)電并網(wǎng)需求，需對(duì)光伏發(fā)電實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)前的分布式光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)主要采用硬連線的組網(wǎng)方式，存在著需挖溝走槽、布線復(fù)雜、通信不可靠、時(shí)鐘不同步等問題。鑒于此，提供了一種分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)，旨在解決傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)存在的上述問題。關(guān)鍵詞：通信；ZigBee；離散分析；時(shí)鐘同步?0

• 淺談智慧城市數(shù)據(jù)中心配電能效管理平臺(tái)的建設(shè)與研究

  關(guān)鍵詞：院智慧城市；數(shù)據(jù)中心；建設(shè)研究0 引言? ? ? ?智能城市的建設(shè)，數(shù)據(jù)科學(xué)與技術(shù)發(fā)揮著重要作用。通過的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，可以實(shí)現(xiàn)信息資源的交換、匯集，并利用現(xiàn)有的智能基礎(chǔ)設(shè)施為有關(guān)單位提供服務(wù)。自六十年代至今，數(shù)據(jù)中心經(jīng)歷了三個(gè)階段：計(jì)算中心、資訊中心、服務(wù)中心。維基百科把它稱為“一個(gè)數(shù)據(jù)中心，是一個(gè)非常復(fù)雜的捐贈(zèng)?！彼粌H僅包括電腦、系統(tǒng)，也包括數(shù)據(jù)通訊

• 世紀(jì)皇冠項(xiàng)目遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)電能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

  楊馨 安科瑞電氣股份有限公司，上海 嘉定 201910；摘要：介紹世紀(jì)皇冠項(xiàng)目遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)電能管理系統(tǒng)，采用智能預(yù)付費(fèi)儀表進(jìn)行遠(yuǎn)程分合控制，達(dá)到預(yù)付費(fèi)使用功能。系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)就地組網(wǎng)的方式，組網(wǎng)后通過現(xiàn)場(chǎng)總線通訊并遠(yuǎn)傳至后臺(tái)，通過Acrel-3200型遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)電能管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)配電回路用電的收費(fèi)和能效管理。 關(guān)鍵詞：商業(yè)辦公樓;預(yù)付費(fèi)電能表；Acrel-3200型；遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)電能管理系統(tǒng) 0