上海華坤電器有限公司的研究人員劉青松，在2019年第12期《電氣技術》雜誌上撰文，詳細介紹了100A/400V模塊化電能質量綜合治理裝置的研製和試驗運行情況。該裝置主要用來對三相四線制電網系統的電能質量問題進行綜合治理。
本文的主要內容包括該裝置的工作原理及其所採用的主電路拓撲結構和基於數字信號處理器與複雜可編程邏輯器件的核心控制電路，並給出了純諧波電流濾除、純無功補償以及諧波濾除+無功補償三種輸出方式的試驗結果。試驗結果表明，在目前電能質量問題複雜的電網環境中，該裝置具有較高的應用價值。
近年來，隨著電力電子技術的高速發展，人民生活水平得到了極大提高，電力電子產品得到前所未有的廣泛使用。大量電力電子產品的使用雖然有助於提高人民的生活質量，但產品大多屬於非線性負載，而非線性負載在使用過程中會產生大量的諧波電流，同時，非線性負載的功率因數也偏低，從而會影響配電網側的電能質量。
當前電網電能質量問題對電網用戶的設備及線路所造成的危害已經被越來越多的用戶瞭解與重視。所以，對這種用戶側電能質量的綜合治理也越來越得到用戶的認可。
目前國內大多數電能質量治理產品對電網中的無功電流和諧波電流分別採用靜止式無功發生器（static var generator, SVG）和有源電力濾波器（active power filter, APF）裝置進行獨立治理。而一旦電網中同時存在無功電流與諧波電流時，如果要想同時治理，則需要同時安裝兩種電能質量治理裝置，導致整個治理系統成本增加且變得更加複雜。
因此，為了解決上述問題，本文提出一種電能質量綜合治理裝置，即上海華坤電器有限公司最新研製的100A/400V模塊化電能質量綜合治理裝置，可同時補償無功電流與諧波電流。
本文所提出的100A/400V模塊化電能質量綜合治理裝置的主模塊的逆變器採用典型的I型三電平拓撲結構。I型三電平拓撲的優勢在很多文獻中都有較詳細的闡述。在本文中，3個橋臂的IGBT模塊採用並聯的方式來增加橋臂的電流輸出能力。
最終，在該項目的實際應用中，主模塊中的IGBT模塊採用國產某公司的I型三電平基於PCB板易安裝模塊——SGM150TL6A9TFD模塊，每相採用2個相同的IGBT模塊並聯使用，該模塊性能優良，大量應用於電能產品中。
對於一個產品或裝置來說，核心控制部分設計的好壞決定了整個裝置的性能好壞。對於華坤電能質量綜合治理裝置（Huakun power quality integrated control device, HKPQCD）來說，其核心控制單元的設計非常關鍵。
目前市面上大多數電能質量治理裝置的控制系統採用性能相同的雙數字信號處理器，或者採用1片高性能數字處理+1片低性能數字信號處理器的方式。這種方式雖然在性能上能夠滿足當前電能質量治理的基本需求，但在面對更高要求（同時治理15種諧波電流）時，難以達到預期性能要求。
為了解決此問題，本文采取的是基於TI公司當前高性能的6000系列信號處理器和複雜可編程邏輯器件（digital signal processor and complex program- mable logic device, DSP+CPLD）的方式來搭建裝置的核心控制單元。最後的試驗結果表明，本文所採用的由三電平IGBT功率及儲能單元、高頻濾波及內外電感單元、高頻濾波及繼電器單元、核心控制單元與人機界面單元構成的電能質量綜合治理裝置在試驗中取得了良好的效果。
1 工作原理與系統實現
1.1 工作原理
圖1為HKPQCD裝置的原理框圖。在實際的應用中，HKPQCD裝置與負載採用並聯的方式在配電變壓器的輸出側接入。
如圖1所示，在本裝置中，負載電流信號可以分別通過電流互感器或羅氏線圈進行檢測，把檢測到的負載電流信號傳輸到核心控制單元，通過核心控制單元中的負載電流調理電路經AD7329模數轉換芯片，再傳輸給DSP數字信號處理器通過傅里葉變換和瞬時無功功率檢測算法提取所需要補償的諧波或無功指令電流。最後，通過跟蹤控制，使得三電平IGBT功率及儲能單元輸出補償電流，使網側電流為正弦波形從而達到改善電網電能質量的目的。
圖1 電能質量綜合治理裝置原理框圖
由於HKPQCD採用的是有源的主動式的治理方式，因此，相對於傳統的被動式的治理方式，該裝置在工作時不容易受到系統阻抗變化的影響，特別是在小電網工況下，具有更明顯的優勢。HKPQCD的電流輸出是由如圖1所示的三電平IGBT功率及儲能單元的輸出端電壓與高頻濾波及內外電感單元的輸出側電壓的差值作用於內外電感阻抗上產生的。
其中內外電感的阻抗由內電感與外電感共同組成。可以簡單地用下面的公式來描述三電平IGBT功率及儲能單元與高頻濾波及內外電感單元的工作情況，即
式（1）
式中：L為內外電感之和；u為系統電壓；Vo為主模塊板的輸出電壓。
1.2 主電路結構
在有源類電能質量治理裝置中，主電路目前主要採取3種拓撲結構：兩電平拓撲結構、三電平拓撲結構以及多電平拓撲結構。圖2為典型的兩電平電壓型拓撲結構原理圖。
圖2 兩電平電壓型拓撲結構原理圖
兩電平電壓型拓撲電路的直流側理論上只需要1個電容器就可以，由於在該裝置中，直流側電壓控制在800V左右，當前市面上的大容量電解電容的耐壓值最大在450V左右，極少數定製能達到500V，但無論是500V還是450V電解電容，都需要採用串聯的方式來滿足直流側電壓值要求。
2個電解電容串聯的方式雖然解決了耐壓問題，但同時由於器件的一致性問題，可能會存在2個電容側電壓不平衡問題，為了解決這個問題，一般情況下，在2個電容的兩側分別並聯均壓電阻，就能保證2個電容串聯點為理想的中點N。兩電平拓撲結構的基本工作方式在很多文獻中已經有詳盡的介紹，在這裡就不再贅述。
多電平拓撲結構包括三電平、五電平及以上電平等，隨著市場對電力電子產品的性能要求和電壓要求越來越高，多電平逆變器的研究已然成為各大高校和企業的研究熱點。其中，三電平逆變器是其中最簡單又最實用的一種拓撲電路，可在兩電平驅動開關頻率的基礎上大幅度驅動開關頻率從而達到降低開關紋波，減小網側電感量，減小器件體積，優化產品性能的目的。圖3為SGM150TL6A9TFD模塊的拓撲結構，圖示為其中的一相拓撲結構原理圖。
圖3 三電平拓撲結構原理圖
如圖3所示，該單相拓撲結構原理圖中包括4個帶續流二極管的IGBT管子、2個二極管。在HKPQCD中，實際使用的是過程某公司的基於PCB板易安裝的模塊SGM150TL6A9TFD，該模塊中封裝了單相拓撲結構中所需要的IGBT與二極管，同時還自帶溫度傳感器。
與兩電平拓撲結構一樣，在直流側電壓一致的情況下，其直流側也同樣採用2個電解電容串聯起來作為儲能元件，並通過均壓電阻來共同均衡直流側電壓。通過SVPWM調製解調，在IGBT的交流側產生所需要的電壓，並通過外部電感產生實際所需要的電流波形。
三電平以上的多電平拓撲結構由於在控制方面比較複雜，在實際產品應用中採用還比較少，有些具有一定實力的公司在做一些技術儲備，因此，在本文中不做討論。
基於上述原因，實際的主電路拓撲結構只能從兩電平與三電平拓撲結構中進行選擇。
兩電平與三電平拓撲結構比較如下：
- 1）每個開關週期中，兩電平輸出2個電平，三電平輸出3個電平，因此，從總的損耗上進行分析，兩電平拓撲結構的損耗較高。
- 2）從輸出紋波量上來分析，電平越多，紋波量越小，損耗越小，系統的效率越高。
- 3）同樣的直流側電壓，在兩電平拓撲結構中，總的直流電壓值由單個器件來全部承擔，而三電平拓撲結構中，則由兩個器件分擔，降低了器件的耐壓，但三電平的器件數量則有所增加。
綜合對比，本文在該裝置中實際採用的主迴路拓撲結構為三電平主迴路拓撲結構。
1.3 控制電路
由於本裝置要實現電能質量的綜合治理，對實時性要求較高，因此該裝置的核心控制單元中的數字信號處理器採用德州儀器的6000系列處理器中主頻最快的處理器，用於保護和I/O輸入輸出的數字信號處理電路採用CPLD可編程邏輯控制器來代替，以簡化電路，提高信號的可靠性。其控制原理示意圖如圖4所示。
圖4 控制原理示意圖
如圖4所示，包括負載電流、IGBT側的輸出電流、系統電壓、直流電壓等模擬信號通過A/D轉換後傳輸給數字信號處理器（DSP）進行處理。DSP在接收到負載電流信號後，通過快速傅里葉變換（fast Fourier transformation, FFT）算法或瞬時無功功率算法提取無功與諧波電流，生成6路SVPWM驅動信號，6路SVPWM驅動信號傳送到CPLD中，通過可編程邏輯電路生成12路帶死區的IGBT驅動信號，驅動信號經過驅動模塊生成帶正負壓電平的驅動信號控制IGBT模塊的導通與關斷，完成整個控制過程。
2 試驗結果及分析
基於上述理論分析，本文研製了兩臺容量為100A的電能質量綜合治理裝置。裝置實物照如圖5所示。
圖5 試驗裝置實物圖
利用所研製的裝置，分別在3種負載條件下進行測試，下面的試驗波形及數據由第三方儀器設備分別進行記錄。其中，負載採用純電阻櫃、可調電抗器與自制諧波源組成。
1）負載條件一：諧波源+有功
負載電流由諧波源輸出50A諧波電流、90A的有功電流組合而成，如圖6所示。
圖6 負載條件一治理前的波形
其中，通道1為電能質量綜合治理裝置的輸出波形、通道2為電網側波形、通道4為綜合負載電流波形。通過電能質量分析儀對諧波畸變率進行分析，其電網電流畸變率如圖7所示，三相電流畸變率分別為55.247%、54.489%和53.691%。
圖7 負載條件一治理前的三相電流畸變率
採取單獨的諧波治理功能，治理後的波形如圖8所示。通道2為治理後的波形，基本上為正弦波形，達到治理目標。
圖8 負載條件一治理後的波形
通過電能質量分析儀對電網電流進行分析，其三相畸變率如圖9所示，分別為4.697%、4.333%和4.767%，治理效果非常明顯。
圖9 負載條件一治理後的電網電流諧波畸變率
2）負載條件二：感性無功+有功
負載由50A感性無功+50A有功電流合成，如圖10所示。補償之前的電網功率因數（PF）分別為0.704、0.724、0.744。
圖10 負載條件二治理前的功率因數
採取獨立的無功補償功能，補償後的電網功率因數如圖11所示，功率因數（PF）分別為0.921、0.960、0.983，達到補償目的。
圖11 負載條件二治理後的功率因數
3）負載條件三：感性無功+諧波源+有功
負載由50A感性電流+90A有功電流+50A諧波電流合成，補償前的波形如圖12所示。
圖12 負載條件三治理前的波形
其中，通道1為補償裝置輸出通道波形，通道2為電網側波形，通道3為負載波形。從圖13可以看出，治理之前的電網功率因數較低，功率因數（PF）分別為0.784、0.799、0.807。
圖13 負載條件三治理前的功率因數
從圖14所示可以看出，治理之前的諧波畸變率很高，分別為48.837%、48.441%、48.183%。
圖14 負載條件三治理前的諧波畸變率
在這種負載條件下，投入電能質量綜合治理裝置，其負載波形（通道4）、輸出波形（通道1）與網側波形（通道2）如圖15所示。
圖15 負載條件三治理後的波形
從圖15可以看出，電網側的波形已經基本接近正弦波。從圖16可以看出，電流諧波畸變率分別為4.22%、3.788%和4.252%，達到電流諧波治理的目標。
圖16 負載條件三治理後的諧波電流畸變率
從圖17可以看出，治理後的功率因數（PF）分別上升到0.975、0.987和0.995，達到提高功率因數的目標。
圖17 負載條件三治理後的功率因數
結論
本文針對工業用戶的實際情況，研製出了一套基於三相四線制系統的100A/400V電能質量綜合治理裝置，並分析了該裝置的各功能模塊的工作原理及其實現過程。
試驗結果表明，HKPQCD電能質量綜合治理裝置具有良好的補償效果，不僅能有效降低電網電流的諧波畸變率，而且能補償無功電流。本裝置功能齊全，性能可靠，非常適合於各種工業及商業領域配電系統場合。
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