王清華

（重慶大全泰來電氣有限公司，重慶404000）

1 電能質(zhì)量治理裝置研究的目的和意義

隨著電能質(zhì)量問題的日益突出，對電能質(zhì)量產(chǎn)品的需求越來越大。在大功率領域，單臺電能質(zhì)量產(chǎn)品由于容量限制，其應用受到很大制約，模塊化電能質(zhì)量產(chǎn)品應運而生。目前，市場上的電能質(zhì)量產(chǎn)品多種多樣，各生產(chǎn)商針對SVG/APF/三相不平衡有數(shù)百種型號及結構樣式。用戶根據(jù)實際需要，需選擇不同的模塊來對系統(tǒng)進行針對性的治理。

1.1 技術背景

由于各種非線性用電負載數(shù)量的增加，電網(wǎng)中單相負荷和三相不平衡負荷容量的增大，目前電能質(zhì)量問題越來越大。在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，三相不平衡、諧波產(chǎn)生的電壓波形畸變，已成為最重要的電能質(zhì)量問題，針對上述問題的解決方案也越來越多，包括各種有源/無源濾波器、無功補償裝置、三相不平衡補償裝置，其根本原理是利用現(xiàn)代電力電子技術，對影響電網(wǎng)的各種因素進行動態(tài)/靜態(tài)補償。

1.2 目前電能質(zhì)量治理產(chǎn)品存在的問題

電網(wǎng)所使用的SVG/APF/三相不平衡組合模塊容量受限于最初所采集的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，但由于電網(wǎng)的實時性與不可預測性，實際運行中，系統(tǒng)中的諧波、無功分量、三相不平衡情況在動態(tài)變化，所需的SVG/APF/三相不平衡容量與最初設計會有較大差異。傳統(tǒng)的模塊雖然可以并聯(lián)運行，保留一定的設計余量來部分解決此問題，但當差異超出系統(tǒng)設計余量時，無法達到系統(tǒng)所需的治理效果，而設計余量太大又容易造成資源浪費。

為此，通過技術創(chuàng)新對電能質(zhì)量治理產(chǎn)品進行優(yōu)化設計，實現(xiàn)一機多用，統(tǒng)籌配比，避免SVG容量出現(xiàn)缺口，補償不足，而APF空載時容量被占用不能分配、三相不平衡容量靜默待機的情況，充分利用裝置容量；同時設置階梯閾值，哪里不夠補哪里，哪里嚴重補哪里。這種電能質(zhì)量治理模塊，我們稱之為“一體化三電平電能質(zhì)量模塊”，它同時具備SVG/APF/三相不平衡功能，并具備多模塊并聯(lián)運行接口，可根據(jù)上位機的統(tǒng)一調(diào)度命令，選擇所需的SVG/APF/三相不平衡輸出容量。該裝置通過集中控制運算，采用調(diào)度算法等統(tǒng)籌管理方式，統(tǒng)一協(xié)調(diào)各模塊的各功能輸出分量，實時治理系統(tǒng)電能質(zhì)量問題，響應速度快，跟蹤精度高，資源利用率高，能合理利用投資，大大提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2 一體化三電平電能質(zhì)量裝置介紹

2.1 主要功能

通過對SVG/APF/三相不平衡模塊進行統(tǒng)一電氣設計，結構標準化，實現(xiàn)大功率領域電能質(zhì)量治理系統(tǒng)協(xié)調(diào)管理，實時響應電網(wǎng)需求，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性與可靠性。

2.2 系統(tǒng)方案

一體化電能質(zhì)量模塊（圖1）同時具有SVG/APF/三相不平衡功能，其包含：

（1）采樣模塊：檢測電網(wǎng)電壓、電流信號，將信號的變化量輸入控制器，經(jīng)過濾波、放大、運算等處理，得到電網(wǎng)的實時諧波、無功、不平衡分量。

（2）運算控制單元：采用高速DSP+CPLD或FPGA組合控制，發(fā)出SVPWM信號。

（3）驅(qū)動單元：驅(qū)動三電平IGBT模塊。

（4）基于二極管鉗位三電平逆變電路的功率單元。

（5）通信接口模塊：提供標準的通信接口，便于上位機對多個電能質(zhì)量模塊統(tǒng)一管理。

圖1 電能質(zhì)量模塊系統(tǒng)圖

2.3 工作原理

電能質(zhì)量模塊可同時工作在無功、諧波、不平衡三種模式，自適應系統(tǒng)工況運行，也可單獨工作在特定功能。其能對采集的電流信號進行傅里葉分解，提取諧波電流進行跟蹤治理；分離出不平衡電流的正序分量、負序分量和零序分量，發(fā)出反向電流抵消；根據(jù)瞬時無功理論，對電壓、電流相位計算無功缺口，進行快速補償（圖2）。

圖2 系統(tǒng)原理

2.4 控制系統(tǒng)組成

（1）采樣電路；（2）指令電流運算電路：實時監(jiān)視線路中的電流，并將模擬電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入高速數(shù)字信號處理器（DSP）對信號進行處理，根據(jù)瞬時無功理論提取無功成分，通過快速傅里葉分解將諧波與基波分離，分析出不平衡電流的正序分量、負序分量和零序分量；（3）脈沖控制電路；（4）功率器件；（5）濾波電路；（6）通信接口，各個功率單元與人機界面通信，集中控制。

2.5 主要特點

（1）一機多用，能有效解決諧波、無功、不平衡問題，提高電能質(zhì)量，更能方便用戶選型，節(jié)省用戶投資；

（2）可設定特定次諧波補償功能，可設定零序、負序、無功分補或共補功能；

（3）采用LCL拓撲結構濾波，在輸出無功諧波電流的情況下，不會引入高頻IGBT開關諧波干擾，并且適用于任何現(xiàn)場電網(wǎng)系統(tǒng)阻抗，不會發(fā)生諧振；

（4）模塊化設計，體積小，重量輕，功率密度高，結構統(tǒng)一，安裝維護方便；

（5）多模塊并聯(lián)運行功能，提供統(tǒng)一的標準通信接口，方便集中管理監(jiān)控；

（6）單模塊獨立風道設計，可有效隔絕環(huán)境粉塵粘附，提高產(chǎn)品散熱效率。

3 優(yōu)勢總結

現(xiàn)代電網(wǎng)電能質(zhì)量問題日益突出，因此對電能質(zhì)量產(chǎn)品的需求越來越大，對其性能要求也越來越高，本文分析介紹的電能質(zhì)量治理裝置，是適應市場需求的一種新型產(chǎn)品，其主要優(yōu)勢體現(xiàn)在如下幾點：

3.1 模塊一體化標準設計

目前市場上的電能質(zhì)量補償模塊均是單一功能，最多出現(xiàn)兩種功能一體的模塊，給用戶選型配置造成了極大的麻煩。針對此問題，特別采用標準一體化設計，對模塊的電氣與結構進行標準化統(tǒng)一，實現(xiàn)SVG/APF/三相不平衡功能一體化，達到模塊完全互換的目的。

3.2 模塊功能在線切換

對模塊控制進行優(yōu)化設計，在模塊不停機的情況下，實現(xiàn)SVG/APF/三相不平衡功能在線切換，有效縮短系統(tǒng)的響應時間。在集中監(jiān)控時，可自動跟隨上位機命令切換，對電網(wǎng)實時運行無影響。

3.3 功能比例自動跟蹤

模塊除了能單獨工作在SVG/APF/三相不平衡模式外，還具備單獨開任意兩種、三種全開的功能。在多臺并聯(lián)時，根據(jù)上位調(diào)度命令，自動調(diào)節(jié)相應功能的輸出比例，達到統(tǒng)一監(jiān)控、統(tǒng)一協(xié)調(diào)的目的。在單臺運行時，亦可自動跟蹤負載的各功能所需補償比例，自動調(diào)節(jié)輸出，達到最好的補償效果。

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