一體化三電平電能質(zhì)量治理裝置研究

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(lǐng)域，單臺電能質(zhì)量產(chǎn)品由于容量限制，其應(yīng)用受到很大制約，模塊化電能質(zhì)量產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)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(jié)構(gòu)樣式。用戶根據(jù)實(shí)際需要，需選擇不同的模塊來對系統(tǒng)進(jìn)行針對性的治理。

1.1 技術(shù)背景

由于各種非線性用電負(fù)載數(shù)量的增加，電網(wǎng)中單相負(fù)荷和三相不平衡負(fù)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(bǔ)償裝置、三相不平衡補(bǔ)償裝置，其根本原理是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，對影響電網(wǎng)的各種因素進(jìn)行動態(tài)/靜態(tài)補(bǔ)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(shí)時性與不可預(yù)測性，實(shí)際運(yùn)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(shè)計(jì)會有較大差異。傳統(tǒng)的模塊雖然可以并聯(lián)運(yùn)行，保留一定的設(shè)計(jì)余量來部分解決此問題，但當(dāng)差異超出系統(tǒng)設(shè)計(jì)余量時，無法達(dá)到系統(tǒng)所需的治理效果，而設(shè)計(jì)余量太大又容易造成資源浪費(fèi)。

為此，通過技術(shù)創(chuàng)新對電能質(zhì)量治理產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，統(tǒng)籌配比，避免SVG容量出現(xiàn)缺口，補(bǔ)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(jī)的情況，充分利用裝置容量；同時設(shè)置階梯閾值，哪里不夠補(bǔ)哪里，哪里嚴(yán)重補(bǔ)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(yùn)行接口，可根據(jù)上位機(jī)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(yùn)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(shí)時治理系統(tǒng)電能質(zhì)量問題，響應(yīng)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(jìn)行統(tǒng)一電氣設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)大功率領(lǐng)域電能質(zhì)量治理系統(tǒng)協(xié)調(diào)管理，實(shí)時響應(yīng)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(yùn)算等處理，得到電網(wǎng)的實(shí)時諧波、無功、不平衡分量。

（2）運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)的通信接口，便于上位機(jī)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(yīng)系統(tǒng)工況運(yùn)行，也可單獨(dú)工作在特定功能。其能對采集的電流信號進(jìn)行傅里葉分解，提取諧波電流進(jìn)行跟蹤治理；分離出不平衡電流的正序分量、負(fù)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(jì)算無功缺口，進(jìn)行快速補(bǔ)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(yùn)算電路：實(shí)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(jìn)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(fù)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(jī)界面通信，集中控制。

2.5 主要特點(diǎn)

（1）一機(jī)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(shè)定特定次諧波補(bǔ)償功能，可設(shè)定零序、負(fù)序、無功分補(bǔ)或共補(bǔ)功能；

（3）采用LCL拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)濾波，在輸出無功諧波電流的情況下，不會引入高頻IGBT開關(guān)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(shè)計(jì)，體積小，重量輕，功率密度高，結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，安裝維護(hù)方便；

（5）多模塊并聯(lián)運(yùn)行功能，提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)通信接口，方便集中管理監(jiān)控；

（6）單模塊獨(dú)立風(fēng)道設(shè)計(jì)，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(jié)

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(yīng)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(diǎn)：

3.1 模塊一體化標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)

目前市場上的電能質(zhì)量補(bǔ)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(biāo)準(zhǔn)一體化設(shè)計(jì)，對模塊的電氣與結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)SVG/APF/三相不平衡功能一體化，達(dá)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在模塊不停機(jī)的情況下，實(shí)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(yīng)時間。在集中監(jiān)控時，可自動跟隨上位機(jī)命令切換，對電網(wǎng)實(shí)時運(yùn)行無影響。

3.3 功能比例自動跟蹤

模塊除了能單獨(dú)工作在SVG/APF/三相不平衡模式外，還具備單獨(dú)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(yīng)功能的輸出比例，達(dá)到統(tǒng)一監(jiān)控、統(tǒng)一協(xié)調(diào)的目的。在單臺運(yùn)行時，亦可自動跟蹤負(fù)載的各功能所需補(bǔ)償比例，自動調(diào)節(jié)輸出，達(dá)到最好的補(bǔ)償效果。

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