淺談低壓有源濾波器在用戶側諧波治理中的設計應用方案

任運業

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要:在低壓配電網用戶側諧波治理調研的基礎上，針對低壓用戶側諧波模塊化治理進行分析，對小容量低壓有源濾波器適用方案的關鍵技術進行探討。采用模塊化功率單元并聯設計和主從式并聯數字化控制策略，并選取典型用戶負載進行測試，對低次諧波濾波率達到97%，現場試點測試治理效果良好，為用戶側諧波治理推廣提供可借鑒的工程經驗。

關鍵詞:APF;主從控制;FFT

0 引言

某供電公司供電區域內低壓配電系統中存在許多非線性負載，如:變頻空調機、整流設備、電機裝置等，這些非線性負載引起低壓配電系統內電流、電壓波形發生畸變，產生大量的高次諧波，日益增多的小諧波源對配電網可靠運行的危害日漸明顯，嚴重情況會影響正常的生產用電。功率因數不達標，增加電網電能額外損耗、影響繼電保護和自動裝置的工作可靠性、降低電網設備壽命周期，同時，由于力率電費的調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，響應快，能夠做到對變化的諧波電流動態跟蹤補償，也可抑制閃變和補償無功，補償方式靈活，但其容量一般不低(100～150A)，通常在電網出線處集中補償，采購安裝成本較高［1］。當前主流的低壓APF產品國內正處于仿制跟進階段，國外廠商先進產品價格較難為用戶接受，影響了分散負載型小用戶對用戶側諧波治理和節能改造積極性，設備體積較大，產品推廣困難，低壓用戶的諧波治理成效有限，對低壓電網質量造成負面影響。

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，在用戶側源頭消除諧波。

1 低壓用戶諧波治理方案

根據該地區低壓用戶負載特點，結合該地區諧波治理標準［2］、成本、體積、可靠性等實用指標考慮，針對低壓用戶分散治理設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償容量30A左右，采用模塊化設計，能夠針對不同低壓供電設備靈活配置不同數量模塊，當系統需補償的電流超過單臺裝置的額定補償能力時，通常會選擇將多臺裝置并聯運行的方式;

(2)采用基于DSP或FPGA的數字控制器實現主從控制，主控制器采集負載側電流，由控制算法給出DPWM數字控制信號，從控制器接收信號控制功率模塊輸出補償電流;

(3)狀態監測與數據查詢，基于IEC61850嵌入式接口實現通信。

2 低壓用戶側諧波治理關鍵技術

2．1功率模塊設計

2．1．1傳統的模塊并聯方式

傳統的多臺裝置并聯方式如圖1所示［3］，N臺APF分別接到母線上，用戶CT的二次測量線路通過串聯的方式接進各個裝置。每臺APF裝置根據所測量得到的負荷電流諧波，分別輸出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。在這種并聯方式下，其控制方式和單臺運行時類似，各裝置獨立運行。但如果某個裝置發生故障退出運行，其它裝置仍將按照1/N的方式輸出補償電流，造成諧波電流不能夠正常補償。另外，這種并聯方式通常只能采用通過測量負荷電流計算補償電流，但在實際配電系統中很多情況下只能通過配電柜CT測量到總網側電流。由于各并聯APF裝置的輸出電流同時對網側電流產生影響，各APF裝置不能獨立將負荷電流測量出來，因此很難得到準確的補償電流，使這種并聯方式的應用場合受到很大的限制，如圖1所示。

圖1傳統并聯方式

2．1．2主從式結構設計

針對傳統并聯方式的不足，本文提出了一種基于主從控制的并聯方式，即通過一主多從的方式，使多個模塊化APF裝置統一控制，從而達到彌補傳統并聯方式的不足。從圖2可以看出，在所有并聯裝置中一臺裝置為主裝置，除主裝置之外的其他裝置為從裝置，主裝置負責收集信息并計算出每臺從裝置的補償電流信號，再下發到各從裝置，從裝置只需執行主裝置的命令即可，不需進行額外的分析計算。主裝置是整套并聯裝置的控制核心，為保證有源濾波裝置的實時性和有效性，具備更強的數據采集、分析、處理能力，以及快速實時通信能力。主裝置采集系統電流信息和并聯裝置總的輸出電流信息，收集每個從裝置定時上傳的運行信息，包括電壓數據、電流數據、故障狀態等，對這些信息進行匯總分析，計算出系統中需要補償的總參考電流，再根據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到各從裝置。各從裝置接收到主裝置的電流信號后，控制輸出相應的電流，*終實現整套并聯裝置的諧波補償功能。

圖2模塊式APF結構

上述主從控制方法中，主裝置可根據系統電流實現閉環控制，即實時采樣系統電流中要補償的負荷電流，不斷修正各從裝置輸出的電流反饋，

使系統電流中的無用分量趨近于零，達到較好的補償效果。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行狀態，當某臺從裝置故障退出運行時，主裝置立刻會重新分配要補償的電流到其余運行的裝置中，從而提高了整套并聯裝置的利用率。

2．2主從式并聯的數字化控制

在APF應用中，FPGA的高速性能和管腳資源更適合用于實現多路I/O的快速響應的閉環控制器，實現多路模塊并聯的多重化控制算法［4-6］。DSP比較適合復雜靈活的濾波算法設計，其快速響應也能達到要求。如果進一步提高控制精度，則需要更高的IGBT開關頻率，對PWM信號分辨率提出更高要求，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，比如延遲線設計，可能會影響整個控制算法的快速性。根據低壓用戶諧波治理特點，選擇基于DSP的主從方案，通過FFT控制算法實現快速補償［5］。

2．2．1主控制器的設計

主控制器主要進行負荷電流檢測、補償電流計算及下發，其控制原理如圖3所示。

圖3主控制器控制原理

主控制器采集負荷電流后進行FFT變換，根據設置的補償次數，對相應次數的分量進行處理，即如果不補償該次諧波，則將該次諧波分量清零，然后對剩余的分量進行逆FFT變換，則得到諧波補償電流參考值。同時對FFT變換后的各次諧波分量的有效值和總THD進行計算并顯示。另外為補償負荷的無功電流，主控制器對FFT變換的基波分量在進行對稱分解，從而得出負荷電流的無功分量，然后將其和補償諧波分量進行耦合，得到總的補償電流，*后根據補償從機個數，算出每個從機的補償電流并通過光纖下發。

2．2．2從控制器設計

從控制器根據主控制器下發的參數對輸出電流進行控制，輸出相應的補償電流，其原理如圖4所示。

圖4從控制器控制原理

從控制器對主控制器下發的補償值進行解析，同時對直流電壓進行控制計算出相應的有功分量，各參考分量進行耦合得到各相補償參考電流，*后采用電流跟蹤算法生成PWM脈沖驅動IGBT動作，輸出相應參考電流。

3 樣機測試與分析

根據設計，研制了一套基于主從式并聯控制方法的模塊式APF樣機，選擇供電范圍內3個典型用戶根據其負荷特點，對其諧波進行分析，給出樣機安裝方案，并進行測試。

如圖5所示，典型用戶之一(小泵站)經過SAPF的補償后，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%。負荷側諧波含量比較大的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－(系統側諧波電流/負荷側諧波電流)］×100%=×100%)

圖5某用戶治理后系統側電流THD

表1某低壓用戶A相治理后主要諧波濾除率

由測試結果看出，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，補償效果稍差。

4 安科瑞APF有源濾波器產品選型

4.1產品特點

（1）DSP+FPGA控制方式，響應時間短，全數字控制算法，運行穩定；

（2）一機多能，既可補諧波，又可兼補無功，可對2～51次諧波進行全補償或特定次諧波進行補償；

（3）具有完善的橋臂過流保護、直流過壓保護、裝置過溫保護功能；

（4）模塊化設計，體積小，安裝便利，方便擴容；

（5）采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏以實現參數設置和控制，使用方便，易于操作和維護；

（6）輸出端加裝濾波裝置，降低高頻紋波對電力系統的影響；

（7）多機并聯，達到較高的電流輸出等級；

（8）擁有自主技術。

4.2型號說明

4.3尺寸說明

4.4產品實物展示

ANAPF有源濾波器

5 安科瑞智能電容器產品選型

5.1產品概述

AZC/AZCL系列智能電容器是應用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節省能源、降低線損、提高功率因數和電能質量的新一代無功補償設備。它由智能測控單元，晶閘管復合開關電路，線路保護單元，兩臺共補或一臺分補低壓電力電容器構成。可替代常規由熔絲、復合開關或機械式接觸器、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，適應現代電網對無功補償的更高要求。

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、頻率、電容器路數及投切狀態、有功功率、無功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過內部晶閘管復合開關電路，自動尋找*佳投入（切除）點，實現過零投切，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

AZC系列智能電容器選型：

AZCL系列智能電容器選型：

5.3產品實物展示

AZC系列智能電容模塊AZCL系列智能電容模塊

安科瑞無功補償裝置智能電容方案

6 結語

本文提出了一種針對低壓用戶側分散安裝的小型有源濾波器設計方案，功率單元采用主從模塊化設計，DSP作為核心控制器件，控制策略采用主從控制方式。從樣機測試結果可以看出，針對不同的用戶，無論是單臺、多臺裝置并聯方案，都能夠濾除負荷的絕大部分諧波電流。現場測試表明其輸出一致性好、應用靈活、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諧波治理中的應用[J].華東電力,2014,42(12):2560-2563.

2. 安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.05版

作者簡介

任運業，男,現任職于安科瑞電氣股份有限公司。