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(lái)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(wèn)題的日益突出，對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)品的需求越來(lái)越大。在大功率領(lǐng)域，單臺(tái)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(chǎng)上的電能質(zhì)量產(chǎn)品多種多樣，各生產(chǎn)商針對(duì)SVG/APF/三相不平衡有數(shù)百種型號(hào)及結(jié)構(gòu)樣式。用戶(hù)根據(jù)實(shí)際需要，需選擇不同的模塊來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行針對(duì)性的治理。

1.1 技術(shù)背景

由于各種非線(xiàn)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(wèn)題越來(lái)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(wèn)題，針對(duì)上述問(wèn)題的解決方案也越來(lái)越多，包括各種有源/無(wú)源濾波器、無(wú)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(duì)影響電網(wǎng)的各種因素進(jìn)行動(dòng)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(wèn)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(shí)性與不可預(yù)測(cè)性，實(shí)際運(yùn)行中，系統(tǒng)中的諧波、無(wú)功分量、三相不平衡情況在動(dòng)態(tài)變化，所需的SVG/APF/三相不平衡容量與最初設(shè)計(jì)會(huì)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(lái)部分解決此問(wèn)題，但當(dāng)差異超出系統(tǒng)設(shè)計(jì)余量時(shí)，無(wú)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(guò)技術(shù)創(chuàng)新對(duì)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(shí)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(shí)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(chēng)之為“一體化三電平電能質(zhì)量模塊”，它同時(shí)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(guò)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(shí)治理系統(tǒng)電能質(zhì)量問(wèn)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(guò)對(duì)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(shí)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(shí)具有SVG/APF/三相不平衡功能，其包含：

（1）采樣模塊：檢測(cè)電網(wǎng)電壓、電流信號(hào)，將信號(hào)的變化量輸入控制器，經(jīng)過(guò)濾波、放大、運(yùn)算等處理，得到電網(wǎng)的實(shí)時(shí)諧波、無(wú)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(hào)。

（3）驅(qū)動(dòng)單元：驅(qū)動(dòng)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(duì)多個(gè)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(shí)工作在無(wú)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(duì)采集的電流信號(hào)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(shí)無(wú)功理論，對(duì)電壓、電流相位計(jì)算無(wú)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(shí)監(jiān)視線(xiàn)路中的電流，并將模擬電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入高速數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，根據(jù)瞬時(shí)無(wú)功理論提取無(wú)功成分，通過(guò)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(gè)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(wú)功、不平衡問(wèn)題，提高電能質(zhì)量，更能方便用戶(hù)選型，節(jié)省用戶(hù)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(wú)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(wú)功諧波電流的情況下，不會(huì)引入高頻IGBT開(kāi)關(guān)諧波干擾，并且適用于任何現(xiàn)場(chǎng)電網(wǎng)系統(tǒng)阻抗，不會(huì)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(shì)總結(jié)

現(xiàn)代電網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題日益突出，因此對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)品的需求越來(lái)越大，對(duì)其性能要求也越來(lái)越高，本文分析介紹的電能質(zhì)量治理裝置，是適應(yīng)市場(chǎng)需求的一種新型產(chǎn)品，其主要優(yōu)勢(shì)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(chǎng)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(hù)選型配置造成了極大的麻煩。針對(duì)此問(wèn)題，特別采用標(biāo)準(zhǔn)一體化設(shè)計(jì)，對(duì)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(xiàn)切換

對(duì)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(xiàn)切換，有效縮短系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。在集中監(jiān)控時(shí)，可自動(dòng)跟隨上位機(jī)命令切換，對(duì)電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行無(wú)影響。

3.3 功能比例自動(dòng)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(kāi)任意兩種、三種全開(kāi)的功能。在多臺(tái)并聯(lián)時(shí)，根據(jù)上位調(diào)度命令，自動(dòng)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(tái)運(yùn)行時(shí)，亦可自動(dòng)跟蹤負(fù)載的各功能所需補(bǔ)償比例，自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出，達(dá)到最好的補(bǔ)償效果。

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