智能型混合濾波補償裝置

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

1 智能型混合濾波補償裝置的組成

智能型混合濾波補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，對系統(tǒng)進行無功補償，同時根據(jù)串抗率的不同來抑制系統(tǒng)中特征次諧波流入，對電容器起到保護作用，對系統(tǒng)進行長期的無功功率的補償；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，同時可以進行快速無功補償，達到無功功率無級可調(diào)的效果。這兩者以模塊的形式進行組合，形成一個統(tǒng)一的整體，通過一種統(tǒng)一的控制方式對其進行控制，通過采樣、計算、分離、控制、輸出對系統(tǒng)同時進行無功補償以及諧波的濾除，兩種統(tǒng)一控制輸出，不會產(chǎn)生諧振，相互之間不會產(chǎn)生干擾，這也是目前在低壓補償中唯一能避免補償與有源濾波器之間造成干擾的一種新方式。

2 智能型混合濾波補償裝置控制原理

2.1 諧波及無功信號的提取和分離

如何及時準確地獲取電網(wǎng)諧波信號是本項目設(shè)計的重點。目前獲得諧波信號的方法很多，一種方法是對負載信號進行高通濾波，獲得諧波信號；另一種方法是進行低通濾波，獲得基波信號再與負載電流信號相減。我們采用的主流理論依據(jù)是SPF 方法，即對負載信號經(jīng)過DQ 變換獲得有功和無功信號，經(jīng)過低通濾波后獲得基波，再用基波與DQ 變換信號相減，從而獲得所需要的諧波信號。其主要是利用傅里葉級數(shù)對諧波進行分離計算，計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?，對其進行控制輸出；同時采用瞬時無功功率的計算法，計算出每一時刻的無功功率，將此傳輸給主控單元進行分析控制輸出，這兩者是經(jīng)過外部采樣CT 將采集到的信號傳輸過來，是同步進行分析，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

智能型混合濾波補償裝置以并聯(lián)方式接入電網(wǎng)時，對用戶的供電線路改動較小，裝置如果出現(xiàn)問題時，可以及時退出供電系統(tǒng)，不會影響用戶供電，并且采用模塊化集成，其中任意一個模塊出現(xiàn)問題都不會影響整個設(shè)備的運行。智能型混合濾波補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能元件以降低成本，減小體積。其主要控制目標是諧波電流與無功功率，同時考慮到直流總線電壓對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)字控制策略的實施

選用全數(shù)字DSP 芯片作為信號采集處理以及閉環(huán)控制的核心處理單元，其處理速度達到100 MHz，采用先進的軟件實現(xiàn)了全數(shù)字化的數(shù)據(jù)采集、信號變換、諧波信號的提取和分離、雙閉環(huán)控制等過程，采用統(tǒng)一的主控集成電路板，同時控制諧波電流的輸出以及無功功率的輸出。濾波補償控制系統(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、易于微處理器實現(xiàn)的優(yōu)點，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)，組成補償模塊及濾波模塊，可以進行容量的增減，同時也可以及時更換出現(xiàn)問題的模塊，保證設(shè)備的穩(wěn)定運行。它適用于現(xiàn)場負荷變化較大的工況，可以根據(jù)現(xiàn)場負荷的變化進行模塊的組合，組合后只需進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)更改。

3.2 適用范圍寬

智能型混合濾波補償裝置可以適用于任何一種工況，尤其針對容量不大且產(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、飛機場等。

4 工程應(yīng)用實例驗證

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

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

圖2 治理前后的對比圖

5 結(jié)束語

由以上的介紹以及應(yīng)用案例的對比可知，目前這種設(shè)備是一種很有市場應(yīng)用前景的產(chǎn)品，它有先進的理論控制，獨特的設(shè)計理念，對諧波的濾除以及無功的補償有顯著的效果。