有源滤波柜在光伏发电系统中的应用

胡冠楠

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定

摘要：本文对有源滤波器在光伏行业中的应用进行了阐述,介绍了有源滤波器的原理及HTQF有源滤波器的技术优势,并对HTQF有源滤波器的应用效果进行了展示,。

关键词：太阳能;有源滤波器;单晶炉线锯

0前言

面对日益迫近的能源危机,新能源的开发利用已成为全球关注的焦点。而通过新能源来改变人类的能源结构,也已成为人类可持续发展的重要举措。太阳能光伏发电作为新能源之一,具有清洁、安全资源量大等特点,是人类能源的理想选择。

1光伏行业存在的电能质量问题

在光伏组件生产中,需要儿十个环节,涉及数十种设备。在整个生产工艺流程中,有几个比较关键的步骤:硅料溶化后的定向生长(主要设备:多晶铸锭炉单晶硅炉)多线切割(主要设备:线锯)在这些环节中设备能否正常运行成为光伏产品质量好坏的关键。现将主要负载的电气特性介绍如下:

1)单品炉

单品炉是一种在惰性气体环境中,用石墨加热器将多品硅等多晶材料熔化,用直拉法生长无错位单品的设备。单晶棒生产工序大致分为:装料一熔料一拉晶一冷却成型，其中重要工序熔料和拉晶过程需要保持恒定温度。单晶炉由可控硅整流装置提供直流电源,整流方式为6脉冲整流,以57,1113等奇次谐波为主，尤其5次和7次谐波含量较高,波形畸变非常严重。单晶硅在交流侧还会产生很大的无功电流,造成系统功率因数低,进线电流大、变压器利用率低,能耗增加。同时谐波还会干扰拉晶控制系统,造成错位、断晶、跳闸,严重影响生产

2)线锯

线锯的核心是在研磨浆配合下用于完成切割动作的超细高强度切割线。*多可达1000条切割线相互平行的缠绕在导线轮上形成个水平的切割线“网"。马达驱动导线轮使整个切割线网以每秒5~25m的速度移动。切割线的速度直线运动或来回运动都会在整个切割过程中根据硅锭的形状进行调整。在切割线运动过程中,喷嘴会持续向切割线喷射含有悬浮碳化硅颗粒的研磨浆。切割原理看似非常简单,但在实际操作过程中有很多挑战。线锯平衡和控制切割线直径、切割速度和总的切割面积,从而在硅片不破碎的情况下,取得一致的硅片厚度,并缩短切割时间线锯的动力系统是由变频装置组成,因此在工作中会产生大量的谐波,而谐波反过来又会对精密的工作产生严重的影响。

综上所述,我们可以看出,无论是晶体定向生长的环节还是晶体长成后的切割环节都涉及到了整流或者变频器等非线性负载,而非线性负载是典型的谐波源,它会反作用于该生产线上的配电网络和其他用电设备。因此,谐波治理在光伏行业中是非常重要的一个环节。

2谐波治理的措施

从现场测试数据可以看出，单晶炉和线锯的谐波含量很高,单晶炉电流畸变率高达30%,线锯也接近20%，以571113等奇次谐波为主，尤其5次和7次谐波含量较高,波形畸变非常严重。谐波治理的目的,首先是保障电气设备的稳定运行和工作人员的人身安全,即通过针对性的谐波治理方案，减少甚至消除谐波对配电系统的不良影响,保证单晶炉、线锯、供配电设备的正常运行;其次体现直接经济效益,即降低配电系统中谐波含量,减少无功损耗,延长设备使用寿命。基于上述目的及现场测试的数据,我们采用有源滤波器对单晶炉和线锯进行谐波治理。

华天HTOF有源滤波器是一种用于动态抑制电力谐波、动态补偿无功功率并校正三相不平衡的新型电力电子设备。HTQF有源滤波器既可以滤除谐波又能补偿无功,可对单晶炉线锯等非线性设备进行电能质量的综合治理,是谐波治理和无功补偿的*佳选择,是确保电网稳定运行的有力保障。

3 HTQF有源滤波器原理介绍

HTQF有源滤波器由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个主要部分组成。指今电流运算电路实时监视线路中的电流,并将模拟电流信号转换为数字信号,送入高速数字信号处理器(DSP)对信号进行处理,将谐波与基波分离并以脉宽调制(PWM)信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲,驱动IGBT功率模块,生成与谐波电流幅值相等.极性相反的补偿电流注入电网,对谐波电流进行补偿或抵消，主动消除电力谐波，从而实现对电力谐波的动态,快速C底治理。HTOF在滤波的同时，其指令运算电路可根据检测到的无功补偿需求,控制其内部的补偿电流发生电路输出容性和感性的基波电流，实时进行补偿，无功补偿的目标值可以通过操作面板设定。HTQF还可通过设备中三相共用的直流储能系统对三相电路中的有功功率进行相间调节从而对三相不平衡负载进行功率校正。该功能的投入也可通过操作面板来设定。

4 HTQF有源滤波器的创新点

补偿电流发生器是决定有源淹波器技术性能的关键部件。为了取得高效率、高速度、高精度的补偿效果,补偿电流发生器采用PWM或滞环比较等方法对电流指令信号进行高频脉冲调制，将幅值随时间变化的指令信号转换为一系列宽度与指令信号幅值成比例的矩形脉冲信号,以脉冲宽度的变化来反映指令信号幅值的变化。用此脉冲信号来控制逆变桥中大功率半导体功率器件的开通与关断，可得到大容量的电压脉冲,通过输出电感器抑制电压脉冲中的高频分量,将其转化成所需的补偿电流。

由于脉冲调制,补偿电流发生器产生的补偿电流中必然含有与调制脉冲频率相同的纹波电流,纹波电流会导致电磁干扰。若要降低纹波电流强度则需要增大输出电感或提高半导体功率器件的开关频率。但增大输出电感会限制输出电流的*大变化率,影响跟踪补偿速度和补偿效果,而提高开关频率会增加半导体功率器件的开关损耗.降低设备效率。因此,需要在几个限制因素中进行折中选择,导致对补偿电流发生器技术性能的限制。同时,补偿电流发生器工作时其直流储能回路中也存在较大纹波电流,导致直流母线电压波动并在克流母线电容器中产生较大损耗影响直流储能电容器使用寿命。

针对上述问题HTOF有源滤波器发展了纹波交错对消技术:由两组相同的逆变桥两组相同输出电感器和公共的直流母线及直流电容器构成补偿电流发生器。两组逆变桥由共同的电流指令信号控制,且补偿电流输出端相互并联因此两组逆变桥输出的补偿电流中对应指令信号的有效补偿电流分量相同,并联后相互巷加,输出总补偿电流为单组逆变桥输出电流的两倍，同时,通过控制两组逆变桥的调制脉冲的相位,使两组过变桥输出电流中的高频纹波分量相位相互交错180"叠加后相互抵消，总输出电流的纹波显著降低该技术使补偿电流发生器摆脱了纹波电流的制约,可以采用更优化的输出电感器获得更高的补偿电流跟踪速度,采用更为优化的开关频率有效降低半导体功率器件的开关损耗,提高设备的工作效率.同时,此技术还能显著降低直流储能回路中的纹波电流.降低直滤储能电容器的损耗和温升,提高直流电容器的可靠性和使用寿命。

图2纹波交错效果展示图

图2中绿色和紫色的波形是单套逆变器工作时产生的纹波,黄色为两套逆变器交错后产生的纹波，从示波器监视的波形来看,交错技术的运用可以大大降低有源滤波器的纹波，大大释放了纹波对电流跟踪速度和开关频率的束缚。

5 HTQF有源滤波器在光伏行业中的应用

某光伏L军企业大量使用单品炉、多品炉、线锯等设备,这些非线性负载产生大量的谐波,对厂区的供电安企造成很大的危害。鉴于此,厂方经过慎重的考察和论证选择了华天HTOF有源德波器做为试用。

以下是HTQF有源德波器投人前后的现场对比数据:

1)三相电压波形前后对比，见图3.图4。

2)三相电压谐波含量前后对比,见图5、图6。

3)三相电流波形前后对比，见图7、图8。

4)三相电流诺波含量前后对比,见图9、图10。

从现场测试的有源滤波器投人前后的数据可以看出,有源港波器投入运行后,电压和电流谐波明显降低,电压谐波由原来的4.7%降到2.4%电流谐波由原来的18.4%降到5.0%谐波电流有效值从273A下降到63A,三相电压和三相电流波形均得到明显改善,从根本上消除了谐波的影响。

6安科瑞APF有源滤波器产品选型

6.1产品特点

(1)DSP+FPGA控制方式，响应时间短，全数字控制算法，运行稳定；

(2)一机多能，既可补谐波，又可兼补无功，可对2～51次谐波进行全补偿或特定次谐波进行补偿；

(3)具有完善的桥臂过流保护、直流过压保护、装置过温保护功能；

(4)模块化设计，体积小，安装便利，方便扩容；

(5)采用7英寸大屏幕彩色触摸屏以实现参数设置和控制，使用方便，易于操作和维护；

(6)输出端加装滤波装置，降低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等级；

6.2型号说明

6.3尺寸说明

6.4产品实物展示

ANAPF有源滤波器

7安科瑞智能电容器产品选型

7.1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，自动寻找适宜投入（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。

7.2型号说明

AZC系列智能电容器选型：

AZCL系列智能电容器选型：

7.3产品实物展示

AZC系列智能电容模块AZCL系列智能电容模块

安科瑞无功补偿装置智能电容方案

8结束语

一期工程中，该企业选择了四台有源滤波器进行谐波治理,经过半年多的运行,HTQF有源滤波器展现了良好的品质,确保了供电的安全,保障了单晶硅生产的质量,该企业决定在后期扩建工程中全部配套HTQF有源滤波器。