摘要:在低壓配電網(wǎng)用戶側(cè)諧波治理調(diào)研的基礎(chǔ)上谦选，針對低壓用戶側(cè)諧波模塊化治理進(jìn)行分析尚羽，對小容量低壓有源濾波器適用方案的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討欺枚。采用模塊化功率單元并聯(lián)設(shè)計和主從式并聯(lián)數(shù)字化控制策略旺韭，并選取典型用戶負(fù)載進(jìn)行測試枯邓，對低次諧波濾波率達(dá)到97%斗忌，現(xiàn)場試點測試治理效果良好觉啊，為用戶側(cè)諧波治理推廣提供可借鑒的工程經(jīng)驗能犯。
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)載鲫骗，如:變頻空調(diào)機(jī)、整流設(shè)備踩晶、電機(jī)裝置等执泰，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)生畸變子桩，產(chǎn)生大量的高次諧波杖烘，日益增多的小諧波源對配電網(wǎng)可靠運行的危害日漸明顯，嚴(yán)重情況會影響正常的生產(chǎn)用電奄刊。功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)于抬，增加電網(wǎng)電能額外損耗、影響繼電保護(hù)和自動裝置的工作可靠性饱粟、降低電網(wǎng)設(shè)備壽命周期元邻，同時，由于力率電費的調(diào)整使得受電客戶增加了用電成本慨蜒。
采用有源濾波器(APF)是目前諧波治理的主要手段矮按，與無源濾波器相比，響應(yīng)快歉羹，能夠做到對變化的諧波電流動態(tài)跟蹤補(bǔ)償膨泄，也可抑制閃變和補(bǔ)償無功，補(bǔ)償方式靈活帅挫，但其容量一般不低(100～150A)段丸，通常在電網(wǎng)出線處集中補(bǔ)償，采購安裝成本較高［1］抡草。當(dāng)前主流的低壓APF產(chǎn)品國內(nèi)正處于仿制跟進(jìn)階段饰及，國外廠商先進(jìn)產(chǎn)品價格較難為用戶接受，影響了分散負(fù)載型小用戶對用戶側(cè)諧波治理和節(jié)能改造積極性康震，設(shè)備體積較大燎含，產(chǎn)品推廣困難宾濒，低壓用戶的諧波治理成效有限，對低壓電網(wǎng)質(zhì)量造成負(fù)面影響屏箍。
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绘梦，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)載特點赴魁，結(jié)合該地區(qū)諧波治理標(biāo)準(zhǔn)［2］卸奉、成本、體積颖御、可靠性等實用指標(biāo)考慮榄棵，針對低壓用戶分散治理設(shè)計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)計潘拱，能夠針對不同低壓供電設(shè)備靈活配置不同數(shù)量模塊疹鳄，當(dāng)系統(tǒng)需補(bǔ)償?shù)碾娏鞒^單臺裝置的額定補(bǔ)償能力時，通常會選擇將多臺裝置并聯(lián)運行的方式;
(2)采用基于DSP或FPGA的數(shù)字控制器實現(xiàn)主從控制源相，主控制器采集負(fù)載側(cè)電流折司，由控制算法給出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(bǔ)償電流;
(3)狀態(tài)監(jiān)測與數(shù)據(jù)查詢下乱，基于IEC61850嵌入式接口實現(xiàn)通信耿把。
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
2．1．1傳統(tǒng)的模塊并聯(lián)方式
傳統(tǒng)的多臺裝置并聯(lián)方式如圖1所示［3］，N臺APF分別接到母線上条肢，用戶CT的二次測量線路通過串聯(lián)的方式接進(jìn)各個裝置舍仙。每臺APF裝置根據(jù)所測量得到的負(fù)荷電流諧波，分別輸出1/N的諧波補(bǔ)償電流稀忘，使輸出電流總和達(dá)到所需的補(bǔ)償電流云钻。在這種并聯(lián)方式下，其控制方式和單臺運行時類似扣筛，各裝置獨立運行聋寻。但如果某個裝置發(fā)生故障退出運行，其它裝置仍將按照1/N的方式輸出補(bǔ)償電流水导，造成諧波電流不能夠正常補(bǔ)償坠狡。另外，這種并聯(lián)方式通常只能采用通過測量負(fù)荷電流計算補(bǔ)償電流遂跟，但在實際配電系統(tǒng)中很多情況下只能通過配電柜CT測量到總網(wǎng)側(cè)電流逃沿。由于各并聯(lián)APF裝置的輸出電流同時對網(wǎng)側(cè)電流產(chǎn)生影響，各APF裝置不能獨立將負(fù)荷電流測量出來幻锁，因此很難得到準(zhǔn)確的補(bǔ)償電流凯亮，使這種并聯(lián)方式的應(yīng)用場合受到很大的限制，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
針對傳統(tǒng)并聯(lián)方式的不足假消，本文提出了一種基于主從控制的并聯(lián)方式柠并，即通過一主多從的方式，使多個模塊化APF裝置統(tǒng)一控制富拗，從而達(dá)到彌補(bǔ)傳統(tǒng)并聯(lián)方式的不足堂鲤。從圖2可以看出，在所有并聯(lián)裝置中指定一臺裝置為主裝置媒峡，除主裝置之外的其他裝置為從裝置，主裝置負(fù)責(zé)收集信息并計算出每臺從裝置的補(bǔ)償電流信號葵擎，再下發(fā)到各從裝置谅阿，從裝置只需執(zhí)行主裝置的命令即可，不需進(jìn)行額外的分析計算某蛆。主裝置是整套并聯(lián)裝置的控制核心碴秽，為保證有源濾波裝置的實時性和有效性，具備更強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集诸跳、分析承叫、處理能力，以及快速實時通信能力彼使。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织鳖，收集每個從裝置定時上傳的運行信息，包括電壓數(shù)據(jù)接馏、電流數(shù)據(jù)卷哟、故障狀態(tài)等，對這些信息進(jìn)行匯總分析扇蚯，計算出系統(tǒng)中需要補(bǔ)償?shù)目倕⒖茧娏饕酃俑鶕?jù)一定的算法將總參考電流分解為各從裝置的參考電流，并通過光纖實時將該電流信號下發(fā)到各從裝置柿糖。各從裝置接收到主裝置的電流信號后纸兔，控制輸出相應(yīng)的電流，*終實現(xiàn)整套并聯(lián)裝置的諧波補(bǔ)償功能否副。
圖2模塊式APF結(jié)構(gòu)
上述主從控制方法中汉矿，主裝置可根據(jù)系統(tǒng)電流實現(xiàn)閉環(huán)控制，即實時采樣系統(tǒng)電流中要補(bǔ)償?shù)呢?fù)荷電流副编，不斷修正各從裝置輸出的電流反饋负甸，
使系統(tǒng)電流中的無用分量趨近于零，達(dá)到較好的補(bǔ)償效果痹届。另外呻待，借助于主從裝置間的通訊，主裝置拉手所有從裝置的運行狀態(tài)，當(dāng)某臺從裝置故障退出運行時蚕捉，主裝置立刻會重新分配要補(bǔ)償?shù)碾娏鞯狡溆噙\行的裝置中奏篙，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)用中迫淹，F(xiàn)PGA的高速性能和管腳資源更適合用于實現(xiàn)多路I/O的快速響應(yīng)的閉環(huán)控制器秘通，實現(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)計升筛，其快速響應(yīng)也能達(dá)到要求振沾。如果進(jìn)一步提高控制精度，則需要更高的IGBT開關(guān)頻率柳竟，對PWM信號分辨率提出更高要求莽恩，意味著需要更高的時鐘主頻或者加入提高PWM分辨率的算法，比如延遲線設(shè)計慰乾，可能會影響整個控制算法的快速性妨试。根據(jù)低壓用戶諧波治理特點，選擇基于DSP的主從方案殊童，通過FFT控制算法實現(xiàn)快速補(bǔ)償［5］词俏。
2．2．1主控制器的設(shè)計
主控制器主要進(jìn)行負(fù)荷電流檢測、補(bǔ)償電流計算及下發(fā)海泵，其控制原理如圖3所示标腮。
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)掺厦，對相應(yīng)次數(shù)的分量進(jìn)行處理苗率，即如果不補(bǔ)償該次諧波，則將該次諧波分量清零聚谁，然后對剩余的分量進(jìn)行逆FFT變換母剥，則得到諧波補(bǔ)償電流參考值。同時對FFT變換后的各次諧波分量的有效值和總THD進(jìn)行計算并顯示形导。另外為補(bǔ)償負(fù)荷的無功電流环疼，主控制器對FFT變換的基波分量在進(jìn)行對稱分解，從而得出負(fù)荷電流的無功分量朵耕，然后將其和補(bǔ)償諧波分量進(jìn)行耦合炫隶，得到總的補(bǔ)償電流，*后根據(jù)補(bǔ)償從機(jī)個數(shù)阎曹，算出每個從機(jī)的補(bǔ)償電流并通過光纖下發(fā)伪阶。
2．2．2從控制器設(shè)計
從控制器根據(jù)主控制器下發(fā)的參數(shù)對輸出電流進(jìn)行控制，輸出相應(yīng)的補(bǔ)償電流处嫌，其原理如圖4所示栅贴。
圖4從控制器控制原理
從控制器對主控制器下發(fā)的補(bǔ)償值進(jìn)行解析斟湃，同時對直流電壓進(jìn)行控制計算出相應(yīng)的有功分量，各參考分量進(jìn)行耦合得到各相補(bǔ)償參考電流檐薯，*后采用電流跟蹤算法生成PWM脈沖驅(qū)動IGBT動作凝赛，輸出相應(yīng)參考電流。
3 樣機(jī)測試與分析
根據(jù)設(shè)計上辖，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)庭授，選擇供電范圍內(nèi)3個典型用戶根據(jù)其負(fù)荷特點，對其諧波進(jìn)行分析绎探，給出樣機(jī)安裝方案粉只，并進(jìn)行測試。
如圖5所示闲堆，典型用戶之一(小泵站)經(jīng)過SAPF的補(bǔ)償后文浆，A、B踪启、C三相電流THD分別由
46．5%、46．3%和47．5%下降至7．4%慢俄、7．9%和6．8%茧天。負(fù)荷側(cè)諧波含量比較大的5、7妄结、11次等諧波電流補(bǔ)償率對諧波電流的補(bǔ)償效果也很明顯磨夕，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
由測試結(jié)果看出蔓姚，含量比較大的5次和7次諧波濾除率比較理想捕虽，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坡脐，補(bǔ)償效果稍差泄私。
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控制方式，響應(yīng)時間短备闲，全數(shù)字控制算法晌端，運行穩(wěn)定；
（2）一機(jī)多能恬砂，既可補(bǔ)諧波咧纠，又可兼補(bǔ)無功，可對2～51次諧波進(jìn)行全補(bǔ)償或指定特定次諧波進(jìn)行補(bǔ)償泻骤；
（3）具有完善的橋臂過流保護(hù)漆羔、直流過壓保護(hù)、裝置過溫保護(hù)功能狱掂；
（4）模塊化設(shè)計演痒，體積小亲轨，安裝便利，方便擴(kuò)容刻吵；
（5）采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏以實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和控制恼孩，使用方便，易于操作和維護(hù)苦突；
（6）輸出端加裝濾波裝置牙硫，降低高頻紋波對電力系統(tǒng)的影響；
（7）多機(jī)并聯(lián)街剂，達(dá)到較高的電流輸出等級防徊；
（8）擁有自主專利技術(shù)。
4.2型號說明
4.3尺寸說明
4.4產(chǎn)品實物展示
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绎弯、50Hz低壓配電中用于節(jié)省能源选芦、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)備版逼。它由智能測控單元赌列，晶閘管復(fù)合開關(guān)電路，線路保護(hù)單元钮隙，兩臺共補(bǔ)或一臺分補(bǔ)低壓電力電容器構(gòu)成阅嘶。可替代常規(guī)由熔絲载迄、復(fù)合開關(guān)或機(jī)械式接觸器讯柔、熱繼電器、低壓電力電容器护昧、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無功補(bǔ)償裝置魂迄。具有體積更小，功耗更低惋耙，維護(hù)方便捣炬，使用壽命長，可靠性高的特點绽榛，適應(yīng)現(xiàn)代電網(wǎng)對無功補(bǔ)償?shù)母咭蟆?/p>
AZC/AZCL系列智能電容器采用定式LCD液晶顯示器遥金，可顯示三相母線電壓、三相母線電流蒜田、三相功率因數(shù)稿械、頻率、電容器路數(shù)及投切狀態(tài)冲粤、有功功率寿宅、無功功率、諧波電壓總畸變率船遣、電容器溫度等卫糙。通過內(nèi)部晶閘管復(fù)合開關(guān)電路卸腐，自動尋找*佳投入（切除）點，實現(xiàn)過零投切欺靠，具有過壓保護(hù)屿赶、缺相保護(hù)、過諧保護(hù)肾寡、過溫保護(hù)等保護(hù)功能差机。
5.2型號說明
AZC系列智能電容器選型：
AZCL系列智能電容器選型：
5.3產(chǎn)品實物展示
AZC系列智能電容模塊AZCL系列智能電容模塊
安科瑞無功補(bǔ)償裝置智能電容方案
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)計耿愈，DSP作為核心控制器件倡超，控制策略采用主從控制方式。從樣機(jī)測試結(jié)果可以看出朦暖，針對不同的用戶扎怨，無論是單臺、多臺裝置并聯(lián)方案儒鹿，都能夠濾除負(fù)荷的絕大部分諧波電流』海現(xiàn)場測試表明其輸出一致性好、應(yīng)用靈活约炎、補(bǔ)償效果能夠滿足要求侯谁，實際可推廣性較好。
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)計與應(yīng)用手冊2022.05版