浅谈低压有源滤波器在用户侧谐波治理中的设计应用方案

摘要：在低压配电网用户侧谐波处理研究的基础上，分析了低压用户侧谐波模块化处理的关键技术，探讨了小容量低压有源滤波器的应用方案。采用模块化功率单元并联设计和主从式并联数字控制策略，选择典型用户负荷进行测试，低谐波滤波率达到97%，现场试点测试处理效果良好，为用户侧谐波处理的推广提供了可借鉴的工程经验。

关键词：APF；主从控制；FFT

引言

供电公司供电区域低压配电系统有许多非线性负荷，如：变频空调、整流设备、电机设备等，这些非线性负荷导致低压配电系统电流、电压波形畸变，产生大量高次谐波，小谐波源对配电网可靠运行的危害越来越明显，严重影响正常生产用电。功率因数不合格，增加电网电能额外损耗，影响继电保护和自动设备的工作可靠性，降低电网设备的使用寿命周期，同时由于电力调整，电力客户增加了用电成本。

使用有源滤波器(APF)它是目前谐波治理的主要手段。与无源滤波器相比，响应快，可以动态跟踪和补偿变化的谐波电流，抑制闪光和补偿失败。补偿方法灵活，但容量一般不低(100～150A)，通常在电网出线处集中补偿，采购安装成本较高［1］。目前国内主流低压APF产品正处于仿制跟进阶段，国外厂商先进产品价格难以被用户接受，影响分散负荷小用户对用户侧谐波治理和节能改造的热情，设备体积大，产品推广困难，低压用户谐波治理效果有限，对低压电网质量产生负面影响。

本文提出了模块化低压有源电力滤波装置的解决方案，以消除用户侧源头的谐波。

1低压用户谐波治理方案

根据本地区低压用户负荷特点，结合本地区谐波治理标准［2］、考虑到成本、体积、可靠性等实用指标，低压用户分散处理设计的有源滤波器具有以下主要功能：

（1）有源滤波器功率单元的补偿容量约为30A。采用模块化设计，可根据不同的低压供电设备灵活配置不同的数量模块。当系统需要补偿的电流超过单个设备的额定补偿能力时，通常选择多个设备并联运行；

（2）主从控制采用基于DSP或FPGA的数字控制器，主控制器采集负载侧电流，控制算法给出DPWM数字控制信号，从控制器接收信号控制功率模块输出补偿电流；

（3）状态监测与数据查询，基于IEC61850嵌入式接口实现通信。

2低压用户侧谐波治理关键技术

2．1功率模块设计

（1）传统的模块并联模式

传统的多台装置并联方式如图1所示［3］，NAPF分别连接到母线上，用户CT的二次测量线通过串联连接到每个装置。每个APF装置根据测量的负载电流谐波输出1/N的谐波补偿电流，使输出电流总和达到所需的补偿电流。在这种并联模式下，其控制模式与单个运行模式相似，每个装置独立运行。但是，如果某个装置出现故障并退出运行，其他装置仍将以1/N的方式输出补偿电流，导致谐波电流无法正常补偿。此外，这种并联模式通常只能通过测量负载电流来计算补偿电流，但在实际配电系统中，总网侧电流只能通过配电柜CT来测量。由于每个并联APF装置的输出电流同时影响网络侧电流，每个APF装置都不能独立测量负载电流，因此很难获得准确的补偿电流，这种并联模式的应用场合受到很大限制，如图1所示。

图1传统的并联方式

（2）主从式结构设计设计

针对传统并联模式的不足，本文提出了一种基于主从控制的并联模式，即通过一主多从模式统一控制多个模块化APF装置，弥补传统并联模式的不足。从图2可以看出，在所有并联装置中zhi定一个装置为主装置，除主装置外的其他装置为从装置。主装置负责收集信息，计算每个从装置的补偿电流信号，然后发送到每个从装置。从装置中，只需执行主装置的命令，无需额外的分析计算。主装置是整个并联装置的控制核心。为保证有源滤波装置的实时性和有效性，具有较强的数据采集、分析、处理能力和快速实时通信能力。主装置收集系统电流信息和并联装置总输出电流信息，收集各从装置上传的运行信息，包括电压数据、电流数据、故障状态等，总结分析信息，计算系统补偿总参考电流，然后根据一定算法将总参考电流分解为各装置的参考电流，电流信号通过光纤实时发送到各装置。接收主装置的电流信号后，控制输出相应的电流，*最终实现整套并联装置的谐波补偿功能。

模块图2模块APF结构

在上述主从控制方法中，主装置可根据系统电流实现闭环控制，即实时取样系统电流中要补偿的负荷电流，不断纠正各从装置输出的电流反馈，

使系统电流中的无用重量接近零，达到更好的补偿效果。此外，借助主装置之间的通信，主装置的所有手柄都处于装置的运行状态。当装置故障退出运行时，主装置会立即将补偿电流重新分配到其他运行装置，从而提高整个并联装置的利用率。

2．2.主从式并联数字控制

在APF应用中，FPGA的高速性能和管脚资源更适合闭环控制器，实现多路I/O的快速响应，实现多路模块并联的多重控制算法［4-6］。DSP更适合复杂灵活的滤波算法设计，其快速响应也能满足要求。如果进一步提高控制精度，则需要更高的IGBT开关频率，对PWM信号分辨率提出更高的要求，这意味着需要更高的时钟主频率或添加算法来提高PWM分辨率，如延迟线设计，这可能会影响整个控制算法的速度。根据低压用户谐波治理的特点，选择基于DSP的主要方案，通过FFT控制算法实现快速补偿［5］。

（1）主控制器的设计

主控制器主要进行负荷电流检测、补偿电流计算和发布，其控制原理如图3所示

图3主控制器控制原理

主控制器收集负荷电流后，进行FFT变换，根据设定的补偿次数处理相应次数的分量，即如果不补偿谐波，则清除谐波分量，然后逆FFT变换剩余分量，获得谐波补偿电流参考值。同时，计算和显示FFT变换后各谐波分量的有效值和总THD。此外，为了补偿负荷的无功电流，主控制器对FFT变换的基波分量进行对称分解，得到负荷电流的无功分量，然后与补偿谐波分量耦合，得到总补偿电流。*之后，根据补偿从机的数量计算每个从机的补偿电流，并通过光纤发送。

（2）从控制器设计

根据主控制器发出的参数，从控制器控制输出电流，输出相应的补偿电流，原理如图4所示。

图4从控制器控制原理图

从控制器分析主控制器发布的补偿值，控制直流电压计算相应的有功分量，耦合每个参考分量获得相应的补偿参考电流。*之后，使用电流跟踪算法生成PWM脉冲驱动IGBT动作，输出相应的参考电流。

3样机测试与分析

根据设计，开发了一套基于主并联控制方法的模块APF原型，根据负荷特点选择供电范围内的三个典型用户进行谐波分析，给出原型安装方案并进行测试。

如图5所示，典型用户之一(小泵站)经SAPF补偿后，A、B、三相电流THD分别由三相电流THD组成

46．5%、46．3%和47．5%下降至7．4%、7．9%和6．8%。负荷侧谐波含量较大的5%、7、11次等谐波电流补偿率对谐波电流的补偿效果也很明显，补偿率见下表1。

(注:谐波补偿率=［1－(系统侧谐波电流/负荷侧谐波电流)］×100%=×100%)

图5用户治理后系统侧电流THDD

表1低压用户A相治理后主要谐波滤除率

从测试结果可以看出，含量较大的5次和7次谐波滤除率较为理想，含量较大的5次谐波滤除率在97%以上。11、13等高次谐波由于重量小，补偿效果稍差。

4安科瑞APF有源滤波器产品选型

4.1产品特点

（1）DSP+FPGA控制模式，响应时间短，全数字控制算法，运行稳定；

（2）一机多功能，既能补谐波，又能补无功，可对2～51次谐波进行全补偿或zhi定特定次谐波进行补偿；

（3）桥臂过流保护、直流过压保护、装置过温保护功能完善；

（4）模块化设计，体积小，安装方便，扩容方便；

（5）采用7英寸大屏幕彩色触摸屏，实现参数设置和控制，使用方便，操作维护方便；

（6）输出端安装滤波装置，减少高频纹波对电力系统的影响；

（7）多机并联，达到较高的电流输出水平；

（8）拥有自主zhuan利技术。

4.2型号说明

4.3尺寸说明

4.4产品实物展示

5 安科瑞智能电容器产品选型

5.1产品概述

AZC/AZCL系列智能电容器是应用于0.4kV、50Hz低压配电中用于节省能源、降低线损、提高功率因数和电能质量的新一代无功补偿设备。它由智能测控单元，晶闸管复合开关电路，线路保护单元，两台共补或一台分补低压电力电容器构成。可替代常规由熔丝、复合开关或机械式接触器、热继电器、低压电力电容器、指示灯等散件在柜内和柜面由导线连接而组成的自动无功补偿装置。具有体积更小，功耗更低，维护方便，使用寿命长，可靠性高的特点，适应现代电网对无功补偿的更高要求。

AZC/AZCL系列智能电容器采用定式LCD液晶显示器，可显示三相母线电压、三相母线电流、三相功率因数、频率、电容器路数及投切状态、有功功率、无功功率、谐波电压总畸变率、电容器温度等。通过内部晶闸管复合开关电路，自动寻找*佳投入（切除）点，实现过零投切，具有过压保护、缺相保护、过谐保护、过温保护等保护功能。

5.2型号说明

5.3产品实物展示

6 结语

本文提出了一种针对低压用户侧分散安装的小型有源滤波器设计方案，功率单元采用主从模块化设计，DSP作为核心控制器件，控制策略采用主从控制方式。从样机测试结果可以看出，针对不同的用户，无论是单台、多台装置并联方案，都能够滤除负荷的绝大部分谐波电流。现场测试表明其输出一致性好、应用灵活、补偿效果能够满足要求，实际可推广性较好。

参考文献：

【1】黄川,周益,陈家良.低压有源滤波器在用户侧谐波治理中的应用[J].华东电力,2014,42(12):2560-2563.

【2】安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版