趙建偉

（山西華興鋁業(yè)有限公司，山西 呂梁 033600）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，商務(wù)貿(mào)易中心、醫(yī)院、辦公大廈、生活廣場(chǎng)、高層民用住宅、數(shù)據(jù)交換中心、金融中心、通信系統(tǒng)等場(chǎng)所對(duì)電能質(zhì)量的要求更為突出、更為苛刻，因?yàn)檫@些場(chǎng)所電能質(zhì)量突出顯示為諧波含量相對(duì)大且電壓、電流畸變率較高，功率因數(shù)較低，并且所需的補(bǔ)償容量不是很大，對(duì)空間有苛刻的要求。而電力資源浪費(fèi)主要體現(xiàn)在電壓波動(dòng)和線路損耗上。因此，需要一種混合型、智能化程度高、占據(jù)空間小的補(bǔ)償濾波裝置對(duì)其電能質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化。智能型混合濾波補(bǔ)償裝置主要是針對(duì)這些工況推出的。

1 智能型混合濾波補(bǔ)償裝置的組成

智能型混合濾波補(bǔ)償裝置主要是由兩部分組成，一是低壓電容器與電抗器串聯(lián)組成RLC 低頻通道，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，同時(shí)根據(jù)串抗率的不同來抑制系統(tǒng)中特征次諧波流入，對(duì)電容器起到保護(hù)作用，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)期的無功功率的補(bǔ)償；二是有源濾波器或有源無功發(fā)生裝置，它可以濾除系統(tǒng)中2～50 次諧波，同時(shí)可以進(jìn)行快速無功補(bǔ)償，達(dá)到無功功率無級(jí)可調(diào)的效果。這兩者以模塊的形式進(jìn)行組合，形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，通過一種統(tǒng)一的控制方式對(duì)其進(jìn)行控制，通過采樣、計(jì)算、分離、控制、輸出對(duì)系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行無功補(bǔ)償以及諧波的濾除，兩種統(tǒng)一控制輸出，不會(huì)產(chǎn)生諧振，相互之間不會(huì)產(chǎn)生干擾，這也是目前在低壓補(bǔ)償中唯一能避免補(bǔ)償與有源濾波器之間造成干擾的一種新方式。

2 智能型混合濾波補(bǔ)償裝置控制原理

2.1 諧波及無功信號(hào)的提取和分離

如何及時(shí)準(zhǔn)確地獲取電網(wǎng)諧波信號(hào)是本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。目前獲得諧波信號(hào)的方法很多，一種方法是對(duì)負(fù)載信號(hào)進(jìn)行高通濾波，獲得諧波信號(hào)；另一種方法是進(jìn)行低通濾波，獲得基波信號(hào)再與負(fù)載電流信號(hào)相減。我們采用的主流理論依據(jù)是SPF 方法，即對(duì)負(fù)載信號(hào)經(jīng)過DQ 變換獲得有功和無功信號(hào)，經(jīng)過低通濾波后獲得基波，再用基波與DQ 變換信號(hào)相減，從而獲得所需要的諧波信號(hào)。其主要是利用傅里葉級(jí)數(shù)對(duì)諧波進(jìn)行分離計(jì)算，計(jì)算每次諧波的諧波電壓與諧波電流的分量，將分離出來的諧波電流以及電壓傳輸?shù)娇刂撇糠?，?duì)其進(jìn)行控制輸出；同時(shí)采用瞬時(shí)無功功率的計(jì)算法，計(jì)算出每一時(shí)刻的無功功率，將此傳輸給主控單元進(jìn)行分析控制輸出，這兩者是經(jīng)過外部采樣CT 將采集到的信號(hào)傳輸過來，是同步進(jìn)行分析，互不干擾，分析響應(yīng)速度＜1 ms。

2.2 閉環(huán)控制模型的建立

智能型混合濾波補(bǔ)償裝置以并聯(lián)方式接入電網(wǎng)時(shí)，對(duì)用戶的供電線路改動(dòng)較小，裝置如果出現(xiàn)問題時(shí)，可以及時(shí)退出供電系統(tǒng)，不會(huì)影響用戶供電，并且采用模塊化集成，其中任意一個(gè)模塊出現(xiàn)問題都不會(huì)影響整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行。智能型混合濾波補(bǔ)償裝置采用電壓源型的結(jié)構(gòu)，主要是采用大容量直流電容作為儲(chǔ)能元件以降低成本，減小體積。其主要控制目標(biāo)是諧波電流與無功功率，同時(shí)考慮到直流總線電壓對(duì)輸出電流有較大影響，因此將直流總線電壓的穩(wěn)定性也作為控制目標(biāo)之一，形成電壓電流雙環(huán)控制模型。具體原理見圖1。

圖1 雙閉環(huán)控制原理框圖

2.3 全數(shù)字控制策略的實(shí)施

選用全數(shù)字DSP 芯片作為信號(hào)采集處理以及閉環(huán)控制的核心處理單元，其處理速度達(dá)到100 MHz，采用先進(jìn)的軟件實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化的數(shù)據(jù)采集、信號(hào)變換、諧波信號(hào)的提取和分離、雙閉環(huán)控制等過程，采用統(tǒng)一的主控集成電路板，同時(shí)控制諧波電流的輸出以及無功功率的輸出。濾波補(bǔ)償控制系統(tǒng)包括直流電容電壓的穩(wěn)定控制和參考電流的跟蹤控制兩個(gè)部分[1]。

2.4 采用電壓空間矢量脈寬調(diào)制產(chǎn)生控制脈沖

實(shí)現(xiàn)全數(shù)字控制為采用電壓空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM（space vector pulse width modulation） 提供了條件。SVPWM 具有直流電壓利用率高、諧波小、易于微處理器實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，是目前脈寬調(diào)制PWM（pulse width modulation） 設(shè)備廣泛應(yīng)用的調(diào)制方式[2]。

3 智能型混合濾波補(bǔ)償裝置應(yīng)用工況

3.1 模塊化構(gòu)件

全面使用模塊化結(jié)構(gòu)，組成補(bǔ)償模塊及濾波模塊，可以進(jìn)行容量的增減，同時(shí)也可以及時(shí)更換出現(xiàn)問題的模塊，保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。它適用于現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷變化較大的工況，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷的變化進(jìn)行模塊的組合，組合后只需進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)更改。

3.2 適用范圍寬

智能型混合濾波補(bǔ)償裝置可以適用于任何一種工況，尤其針對(duì)容量不大且產(chǎn)生諧波設(shè)備比較多、無功變化比較大的系統(tǒng)，如中頻爐、電石爐、汽車焊接工藝、飛機(jī)場(chǎng)等。

4 工程應(yīng)用實(shí)例驗(yàn)證

某一商業(yè)中心供電系統(tǒng)中有1 臺(tái)1 600 kVA 的10/0.4 kV 變壓器，主要負(fù)載為商業(yè)辦公設(shè)備、空調(diào)系統(tǒng)以及一些動(dòng)力供電系統(tǒng)，經(jīng)對(duì)此供電系統(tǒng)進(jìn)行電能質(zhì)量檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其電能質(zhì)量很差。為了改善其電能質(zhì)量狀況對(duì)其進(jìn)行治理，使用的就是智能混合濾波補(bǔ)償裝置（ZMAF-420+100/380，2 套）。治理前后的對(duì)比見圖2。

由以上對(duì)比可以得出，在治理后諧波的濾除效果以及功率因數(shù)的補(bǔ)償效果都很明顯。

圖2 治理前后的對(duì)比圖

5 結(jié)束語

由以上的介紹以及應(yīng)用案例的對(duì)比可知，目前這種設(shè)備是一種很有市場(chǎng)應(yīng)用前景的產(chǎn)品，它有先進(jìn)的理論控制，獨(dú)特的設(shè)計(jì)理念，對(duì)諧波的濾除以及無功的補(bǔ)償有顯著的效果。