摘要：在低壓配電網用戶側諧波處理研究的基礎上，分析了低壓用戶側諧波模塊化處理的關鍵技術，探討了小容量低壓有源濾波器的應用方案。采用模塊化功率單元并聯(lián)設計和主從式并聯(lián)數字控制策略，選擇典型用戶負荷進行測試，低諧波濾波率達到97%，現場試點測試處理效果良好，為用戶側諧波處理的推廣提供了可借鑒的工程經驗。

關鍵詞：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、整流設備、電機設備等，這些非線性負荷導致低壓配電系統(tǒng)電流、電壓波形畸變，產生大量高次諧波，小諧波源對配電網可靠運行的危害越來越明顯，嚴重影響正常生產用電。功率因數不合格，增加電網電能額外損耗，影響繼電保護和自動設備的工作可靠性，降低電網設備的使用壽命周期，同時由于電力調整，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)，通常在電網出線處集中補償，采購安裝成本較高［1］。目前國內主流低壓APF產品正處于仿制跟進階段，國外廠商先進產品價格難以被用戶接受，影響分散負荷小用戶對用戶側諧波治理和節(jié)能改造的熱情，設備體積大，產品推廣困難，低壓用戶諧波治理效果有限，對低壓電網質量產生負面影響。

本文提出了模塊化低壓有源電力濾波裝置的解決方案，以消除用戶側源頭的諧波。

1低壓用戶諧波治理方案

根據本地區(qū)低壓用戶負荷特點，結合本地區(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。采用模塊化設計，可根據不同的低壓供電設備靈活配置不同的數量模塊。當系統(tǒng)需要補償的電流超過單個設備的額定補償能力時，通常選擇多個設備并聯(lián)運行；

（2）主從控制采用基于DSP或FPGA的數字控制器，主控制器采集負載側電流，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(tài)監(jiān)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

（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，總網側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絡側電流，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）主從式結構設計設計

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，具有較強的數據采集、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，包括電壓數據、電流數據、故障狀態(tài)等，總結分析信息，計算系統(tǒng)補償總參考電流，然后根據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，控制輸出相應的電流，*最終實現整套并聯(lián)裝置的諧波補償功能。

模塊圖2模塊APF結構

在上述主從控制方法中，主裝置可根據系統(tǒng)電流實現閉環(huán)控制，即實時取樣系統(tǒng)電流中要補償的負荷電流，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)數字控制

在APF應用中，FPGA的高速性能和管腳資源更適合閉環(huán)控制器，實現多路I/O的快速響應，實現多路模塊并聯(lián)的多重控制算法［4-6］。DSP更適合復雜靈活的濾波算法設計，其快速響應也能滿足要求。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，如延遲線設計，這可能會影響整個控制算法的速度。根據低壓用戶諧波治理的特點，選擇基于DSP的主要方案，通過FFT控制算法實現快速補償［5］。

（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，根據設定的補償次數處理相應次數的分量，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，根據補償從機的數量計算每個從機的補償電流，并通過光纖發(fā)送。

（2）從控制器設計

根據主控制器發(fā)出的參數，從控制器控制輸出電流，輸出相應的補償電流，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的有功分量，耦合每個參考分量獲得相應的補償參考電流。*之后，使用電流跟蹤算法生成PWM脈沖驅動IGBT動作，輸出相應的參考電流。

3樣機測試與分析

根據設計，開發(fā)了一套基于主并聯(lián)控制方法的模塊APF原型，根據負荷特點選擇供電范圍內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)側諧波電流/負荷側諧波電流)］×100%=×100%)

圖5用戶治理后系統(tǒng)側電流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有源濾波器產品選型

4.1產品特點

（1）DSP+FPGA控制模式，響應時間短，全數字控制算法，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，實現參數設置和控制，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。

4.2型號說明

4.3尺寸說明

4.4產品實物展示

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(jié)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(guī)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(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

5.3產品實物展示

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(lián)方案，都能夠濾除負荷的絕大部分諧波電流?，F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(yè)微電網設計與應用手冊2022.05版