楊恒華，呂文革，于海峰，張偉

（1.天津大沽化工股份有限公司，天津300450；2.江蘇博力電氣科技有限公司，江蘇常州213161）

基于載波移相的低壓大電流APF系統(tǒng)應(yīng)用研究

楊恒華1，呂文革1，于海峰1，張偉2

（1.天津大沽化工股份有限公司，天津300450；2.江蘇博力電氣科技有限公司，江蘇常州213161）

大容量非線性負(fù)載產(chǎn)生含量豐富且比重較大的諧波電流源，導(dǎo)致電網(wǎng)畸變嚴(yán)重，低壓大電流APF系統(tǒng)可以有效地進(jìn)行就地補(bǔ)償，有跟蹤速度快、補(bǔ)償精度高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好等一系列特點(diǎn)。從低壓大電流APF系統(tǒng)本身講述了系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)分析、系統(tǒng)總體架構(gòu)、系統(tǒng)核心控制算法、載波移相技術(shù)的采用以及系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)效果和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果，較好地體現(xiàn)了系統(tǒng)的技術(shù)價(jià)值和市場(chǎng)推廣價(jià)值。

大電流有源濾波器；諧波補(bǔ)償；載波移相

1 引言

電力系統(tǒng)中線路諧波，特別是大容量諧波電流源的存在，對(duì)電網(wǎng)用戶(hù)側(cè)并網(wǎng)設(shè)備、輸電線路、各級(jí)變壓器以及電網(wǎng)側(cè)變電站等都將增加額外損耗、降低系統(tǒng)可靠性和用電安全系數(shù)。化工電解、冶煉鍛造等行業(yè)用大功率電解設(shè)備，在相控整流工作過(guò)程中皆會(huì)帶來(lái)頻譜豐富、含量較大且不斷變化的諧波電流，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓畸變嚴(yán)重，帶來(lái)一系列用電問(wèn)題。針對(duì)上述普遍存在且含量豐富的大電流諧波源，有源電力濾波器（active power filter，APF）從技術(shù)角度來(lái)講，以其特有的動(dòng)態(tài)跟蹤效果、較優(yōu)的補(bǔ)償特性以及長(zhǎng)期可靠性等品質(zhì)，成為最好的選擇，也代表著未來(lái)的發(fā)展方向［1］。

2 諧波特性分析

該設(shè)備安裝在天津大沽化工股份有限公司離子膜食鹽電解整流系統(tǒng)中，整流系統(tǒng)采用帶自動(dòng)穩(wěn)流功能的大型晶閘管整流裝置，根據(jù)工藝和產(chǎn)量需求，通過(guò)調(diào)整整流器晶閘管的導(dǎo)通角輸出穩(wěn)定的直流電流，其整流變壓器規(guī)格為35kV/590 V，9 000kV·A，直流側(cè)額定值設(shè)計(jì)為700 V。設(shè)備工作的同時(shí)，將給電網(wǎng)帶來(lái)大量的諧波電流，不僅帶來(lái)低壓側(cè)電流畸變，同時(shí)高壓側(cè)電流和網(wǎng)側(cè)電壓也畸變嚴(yán)重，如圖1所示。該負(fù)載特性分析如下。

1）典型次諧波，通過(guò)諧波分析可知，由于采用6脈波整流，諧波電流為典型的（6n±1）次，且隨著次數(shù)增加，含量減少，但隨著導(dǎo)通角的不同，電流畸變波形也會(huì)隨之變化。

2）諧波含量大，由于設(shè)備容量皆為MW級(jí)，工作過(guò)程中產(chǎn)生的諧波含量較大，如5次電流諧波將高達(dá)上千A。

3）負(fù)荷變化較多，由于工藝需要和產(chǎn)量變化，需要不定期調(diào)整相控角，各次諧波含量和數(shù)值也將隨之改變，需要補(bǔ)償?shù)闹C波次數(shù)和電流值也在不斷變化。

4）補(bǔ)償輸出要求高，由于負(fù)載本身變化較快，諧波含量不為定值，對(duì)濾波設(shè)備系統(tǒng)性能、諧波補(bǔ)償自適應(yīng)能力、裝置自身抗干擾能力、補(bǔ)償裝置的智能性等要求皆較高。

圖1 諧波負(fù)載分析表Fig.1 Harmonic analysis of the load

3 方案選定

綜合考慮諧波負(fù)載的多變性、補(bǔ)償設(shè)備的自適應(yīng)等特性，有源濾波APF治理方案無(wú)疑是較優(yōu)的選擇。具體根據(jù)電解設(shè)備諧波特性分析結(jié)果可知，選擇在低壓側(cè)就地進(jìn)行補(bǔ)償對(duì)用戶(hù)設(shè)備以及網(wǎng)側(cè)電力系統(tǒng)而言都將帶來(lái)較大優(yōu)勢(shì)，其特點(diǎn)是補(bǔ)償利用率高、補(bǔ)償效果好、諧波抑制徹底、對(duì)線路上級(jí)所有設(shè)備都起到降耗增容、提升可靠性、提升能源利用率等效果，具體方案設(shè)置見(jiàn)圖2。

圖2 低壓就地補(bǔ)償方案拓?fù)鋱DFig.2 Toplogy of the selected harmonic compensation system

1）有源濾波，選用APF進(jìn)行諧波治理，可提升整套系統(tǒng)的跟蹤效果、補(bǔ)償精度、長(zhǎng)期可靠性以及穩(wěn)定性，能夠較為徹底地抑制電網(wǎng)中的諧波源。

2）就地治理，根本上消除諧波對(duì)整套系統(tǒng)的影響，更大程度地降低諧波所帶來(lái)的一系列損耗，利于電解設(shè)備變壓器、上游輸電線路、網(wǎng)側(cè)計(jì)量裝置以及上級(jí)變電站相關(guān)設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定、安全運(yùn)行。

3）總分架構(gòu)，通過(guò)指令和補(bǔ)償目標(biāo)分發(fā)、多臺(tái)單元柜協(xié)同補(bǔ)償、系統(tǒng)下發(fā)同步信號(hào)（PWM載波移相）、總控制單元監(jiān)測(cè)、收集和集中上傳系統(tǒng)數(shù)據(jù)等控制模式和控制流程，提升整套裝置的系統(tǒng)化、統(tǒng)籌化和高效化。

4）分次補(bǔ)償，通過(guò)對(duì)特定次諧波含量不同次數(shù)差異，分別進(jìn)行單元柜設(shè)計(jì)，極大地提升單元柜利用率，更好地改善系統(tǒng)的總體補(bǔ)償率和補(bǔ)償效果、提升系統(tǒng)總的性?xún)r(jià)比。

5）多重化技術(shù)，針對(duì)所有單元柜進(jìn)行并機(jī)同步和載波移相處理，各單元柜發(fā)出電流中，開(kāi)關(guān)次諧波將相互抵消，整套系統(tǒng)等效開(kāi)關(guān)頻率可以達(dá)到30 kHz以上，從而有效減少了該裝置對(duì)并網(wǎng)系統(tǒng)的高頻干擾［2］。

6）散熱方式，單元柜采用功率單元水冷散熱、柜體風(fēng)冷散熱的綜合模式，既能滿足系統(tǒng)的額定功率散熱需求，又能有效地降低成本。

7）保護(hù)機(jī)制，整套系統(tǒng)通過(guò)軟硬件結(jié)合的方式融合了交流側(cè)過(guò)壓、欠壓，直流過(guò)壓、輸出過(guò)流、IGBΤ和電抗器過(guò)溫、通信故障、PCBA故障電源故障等保護(hù)，使系統(tǒng)更安全可靠。

4 控制方法論述

該套系統(tǒng)控制算法中，關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)主要是兩個(gè)方面：一個(gè)是針對(duì)大容量單元柜PΤΤAPF-500的電流控制和穩(wěn)壓控制；另一個(gè)是各單元柜之間采用載波移相技術(shù)和協(xié)同工作模式等技術(shù)手段。單元柜控制拓?fù)淙鐖D3所示。

圖3 大電流單元柜控制算法圖Fig.3 Control algorithm of the high-current PTTAPF compensation unit

圖3所示為單元柜工作過(guò)程中需要采樣的參數(shù)和各參數(shù)應(yīng)用的算法，詳述如下。

uabc表示交流電壓，用于系統(tǒng)控制中電網(wǎng)電壓鎖相PLL（phase-locked-loop，PLL）環(huán)的計(jì)算，以得到電網(wǎng)電壓的旋轉(zhuǎn)角度，同時(shí)，也可以作為后續(xù)電流環(huán)控制中抵消電網(wǎng)電壓量計(jì)算的參考值［3］。

ILabc表示負(fù)載電流，用于得到諧波電流的補(bǔ)償目標(biāo)值，該系統(tǒng)中諧波電流的計(jì)算采用DFΤ（discrete fourier transform，DFΤ）方式提取，從而快速準(zhǔn)確得到系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)值，即電流閉環(huán)控制中的目標(biāo)量

ICabc表示APF發(fā)出電流，用于電流閉環(huán)控制的需要，用以電流閉環(huán)中的反饋量，和目標(biāo)值進(jìn)行做差，然后通過(guò)PI控制算法得到控制量［4］：

式中：X=a，b，c。

Udc表示逆變單元直流電壓，用于逆變單元的直流側(cè)電壓閉環(huán)穩(wěn)定控制，目標(biāo)值為綜合考慮交流側(cè)電壓、并網(wǎng)線路電抗、單元輸出電流值等因素得到的一個(gè)計(jì)算值，可以在程序中直接設(shè)定，該閉環(huán)控制即所謂的外環(huán)，目的是為逆變器提供一個(gè)穩(wěn)定的電壓源支撐［5］。

其他采樣，包括溫度采樣、開(kāi)關(guān)量采樣等，主要是用于保護(hù)和開(kāi)關(guān)控制需要。

除了單元柜控制算法外，由于逆變功率單元IGBΤ開(kāi)關(guān)過(guò)程中將產(chǎn)生相應(yīng)的開(kāi)關(guān)次諧波，該諧波頻次較高，如不能較好濾除，將對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響，降低系統(tǒng)的可靠性。由于該系統(tǒng)采用多臺(tái)單元柜并機(jī)運(yùn)行，可等效為多個(gè)電流源，可采用載波移相方法，等效開(kāi)關(guān)頻率可提升，如圖4所示。

圖4 載波移相原理圖Fig.4 Illustration of shift of carrier phase

圖5 載波移相示例圖Fig.5 Demonstration of the phase shift technology

5 控制效果分析

該系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中，分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和實(shí)際并網(wǎng)應(yīng)用測(cè)試，采用500A單元柜、300A單元柜、200A單元柜進(jìn)行共同補(bǔ)償，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試補(bǔ)償前后電流畸變率分別為25%左右和3%左右，圖6所示為實(shí)驗(yàn)室調(diào)試過(guò)程中負(fù)載電流ILa（CH4）、APF輸出ICa（CH3）、網(wǎng)側(cè)電流（CH2）、電網(wǎng)電壓波形uab（CH1）。

圖6 補(bǔ)償效果圖Fig.6 Diagram of compensation result

實(shí)際應(yīng)用中補(bǔ)償前后電流畸變率分別為25%左右和8%左右，圖7給出了補(bǔ)償前后高壓35kV側(cè)電流波形圖，其中5次從21.5%降至6.0%，7次從9.5%降至2.5%，依次類(lèi)推。

圖7 高壓35kV側(cè)電流補(bǔ)償效果圖Fig.7 Illstration of current compensation result in 35kV grid side

6 結(jié)論

該套裝置于2013年初在氯堿生產(chǎn)整流系統(tǒng)中投運(yùn)后，一直穩(wěn)定運(yùn)行，其諧波跟蹤和補(bǔ)償效果較好，有效地濾除了特征次6n±1次諧波，濾波后電網(wǎng)諧波電流畸變率保持在8%以下，全功率因數(shù)達(dá)到0.97以上。并且，由于載波移相和RC濾波技術(shù)的應(yīng)用，APF自身產(chǎn)生的高次諧波得到了有效濾除，運(yùn)行后對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備可靠性提升和有效壽命延長(zhǎng)都有所改善。綜合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，并且考慮到現(xiàn)場(chǎng)干擾問(wèn)題嚴(yán)重、實(shí)際應(yīng)用環(huán)境、現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)等便利性，該裝置在EMI、遠(yuǎn)程控制、整體架構(gòu)、柜體散熱等方面還有值得完善和優(yōu)化之處。

［1］呂文革，劉凱，諶季，等.氯堿化工整流機(jī)組諧波的治理方法［J］.中國(guó)氯堿，2011，7（7）：4-6.

［2］李紅雨，雷萬(wàn)鈞，卓放，等.大功率有源電力濾波器研究［J］.電力電子技術(shù)，2004，38（2）：3-5.

［3］Akagi H.Control Strategy and Site Selection of a Shunt Active Filter for Damping of Harmonic Propagation in Power Distribution Systems［C］//IEEE Trans.on Power Delivery，1997，12（1）：354-363.

［4］Juan Carlos Montano Asquerino，Manuel Castilla Ibanez，Antonio Lopez Ojeda.Measurement of Apparent Power Components in the Frequency Domain［J］.IEEE Trans.on I.M. 1990，39（4）：583-587.

［5］Lascu C，Asiminoaei L，Boldea I，et al.Frequency Response Analysis of Current Controllers forSelective Harmonic Compensation in Active Power Filters［J］.IEEE Trans.on Industrial Electronics，2009，56（2）：337-347.

Research on Application of the Low-voltage and High-current APF Based on the Carrier Phase-shifted Technology

YANG Heng-hua1，Lü Wen-ge1，YU Hai-feng1，ZHANG Wei2
（1.Tianjin Dagu Chemical Co.，Ltd.，Tianjin，300450，China；2.Jiangsu Boli Electrical Technology Co.，Ltd.，Changzhou 213161，Jiangsu，China）

Plentiful and heavy harmonic current source was introduced by powerful nonlinear load in lots of industrial organization，which also lead to serious distortion in the power supply system.Low-voltage and high-current APF system can delete the harmonic current at the source in order to prevent all the facilities in upper stream of grid from effect by the harmonic components.APF enjoys characteristics of quick response and target tracking，high compensation precision and good reliability.The topology，advantage，key algorithm and carrier phase-shifted application in the system were shown，moreover，the results in laboratory and field application also be illustrated，which demonstrate the value in technology and marketplaces.

high-current active power filter；harmonic compensation；carrier phase-shifted

TM343.2

A

2014-01-06

修改稿日期：2014-11-07

楊恒華（1960-），男，研究生，高級(jí)工程師，Email：yulvhe123@163.com