100A 400V模块化电能质量综合治理装置的研制 / 开普饭

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摘要

上海华坤电器有限公司的研究人员刘青松，在2019年第12期《电气技术》杂志上撰文，详细介绍了100A/400V模块化电能质量综合治理装置的研制和试验运行情况。该装置主要用来对三相四线制电网系统的电能质量问题进行综合治理。

本文的主要内容包括该装置的工作原理及其所采用的主电路拓扑结构和基于数字信号处理器与复杂可编程逻辑器件的核心控制电路，并给出了纯谐波电流滤除、纯无功补偿以及谐波滤除+无功补偿三种输出方式的试验结果。试验结果表明，在目前电能质量问题复杂的电网环境中，该装置具有较高的应用价值。

近年来，随着电力电子技术的高速发展，人民生活水平得到了极大提高，电力电子产品得到前所未有的广泛使用。大量电力电子产品的使用虽然有助于提高人民的生活质量，但产品大多属于非线性负载，而非线性负载在使用过程中会产生大量的谐波电流，同时，非线性负载的功率因数也偏低，从而会影响配电网侧的电能质量。

当前电网电能质量问题对电网用户的设备及线路所造成的危害已经被越来越多的用户了解与重视。所以，对这种用户侧电能质量的综合治理也越来越得到用户的认可。

目前国内大多数电能质量治理产品对电网中的无功电流和谐波电流分别采用静止式无功发生器（static var generator, SVG）和有源电力滤波器（active power filter, APF）装置进行独立治理。而一旦电网中同时存在无功电流与谐波电流时，如果要想同时治理，则需要同时安装两种电能质量治理装置，导致整个治理系统成本增加且变得更加复杂。

因此，为了解决上述问题，本文提出一种电能质量综合治理装置，即上海华坤电器有限公司最新研制的100A/400V模块化电能质量综合治理装置，可同时补偿无功电流与谐波电流。

本文所提出的100A/400V模块化电能质量综合治理装置的主模块的逆变器采用典型的I型三电平拓扑结构。I型三电平拓扑的优势在很多文献中都有较详细的阐述。在本文中，3个桥臂的IGBT模块采用并联的方式来增加桥臂的电流输出能力。

最终，在该项目的实际应用中，主模块中的IGBT模块采用国产某公司的I型三电平基于PCB板易安装模块——SGM150TL6A9TFD模块，每相采用2个相同的IGBT模块并联使用，该模块性能优良，大量应用于电能产品中。

对于一个产品或装置来说，核心控制部分设计的好坏决定了整个装置的性能好坏。对于华坤电能质量综合治理装置（Huakun power quality integrated control device, HKPQCD）来说，其核心控制单元的设计非常关键。

目前市面上大多数电能质量治理装置的控制系统采用性能相同的双数字信号处理器，或者采用1片高性能数字处理+1片低性能数字信号处理器的方式。这种方式虽然在性能上能够满足当前电能质量治理的基本需求，但在面对更高要求（同时治理15种谐波电流）时，难以达到预期性能要求。

为了解决此问题，本文采取的是基于TI公司当前高性能的6000系列信号处理器和复杂可编程逻辑器件（digital signal processor and complex program- mable logic device, DSP+CPLD）的方式来搭建装置的核心控制单元。最后的试验结果表明，本文所采用的由三电平IGBT功率及储能单元、高频滤波及内外电感单元、高频滤波及继电器单元、核心控制单元与人机界面单元构成的电能质量综合治理装置在试验中取得了良好的效果。

1 工作原理与系统实现

1.1 工作原理

图1为HKPQCD装置的原理框图。在实际的应用中，HKPQCD装置与负载采用并联的方式在配电变压器的输出侧接入。

如图1所示，在本装置中，负载电流信号可以分别通过电流互感器或罗氏线圈进行检测，把检测到的负载电流信号传输到核心控制单元，通过核心控制单元中的负载电流调理电路经AD7329模数转换芯片，再传输给DSP数字信号处理器通过傅里叶变换和瞬时无功功率检测算法提取所需要补偿的谐波或无功指令电流。最后，通过跟踪控制，使得三电平IGBT功率及储能单元输出补偿电流，使网侧电流为正弦波形从而达到改善电网电能质量的目的。

图1 电能质量综合治理装置原理框图

由于HKPQCD采用的是有源的主动式的治理方式，因此，相对于传统的被动式的治理方式，该装置在工作时不容易受到系统阻抗变化的影响，特别是在小电网工况下，具有更明显的优势。HKPQCD的电流输出是由如图1所示的三电平IGBT功率及储能单元的输出端电压与高频滤波及内外电感单元的输出侧电压的差值作用于内外电感阻抗上产生的。

其中内外电感的阻抗由内电感与外电感共同组成。可以简单地用下面的公式来描述三电平IGBT功率及储能单元与高频滤波及内外电感单元的工作情况，即

式（1）

式中：L为内外电感之和；u为系统电压；Vo为主模块板的输出电压。

1.2 主电路结构

在有源类电能质量治理装置中，主电路目前主要采取3种拓扑结构：两电平拓扑结构、三电平拓扑结构以及多电平拓扑结构。图2为典型的两电平电压型拓扑结构原理图。

图2 两电平电压型拓扑结构原理图

两电平电压型拓扑电路的直流侧理论上只需要1个电容器就可以，由于在该装置中，直流侧电压控制在800V左右，当前市面上的大容量电解电容的耐压值最大在450V左右，极少数定制能达到500V，但无论是500V还是450V电解电容，都需要采用串联的方式来满足直流侧电压值要求。

2个电解电容串联的方式虽然解决了耐压问题，但同时由于器件的一致性问题，可能会存在2个电容侧电压不平衡问题，为了解决这个问题，一般情况下，在2个电容的两侧分别并联均压电阻，就能保证2个电容串联点为理想的中点N。两电平拓扑结构的基本工作方式在很多文献中已经有详尽的介绍，在这里就不再赘述。

多电平拓扑结构包括三电平、五电平及以上电平等，随着市场对电力电子产品的性能要求和电压要求越来越高，多电平逆变器的研究已然成为各大高校和企业的研究热点。其中，三电平逆变器是其中最简单又最实用的一种拓扑电路，可在两电平驱动开关频率的基础上大幅度驱动开关频率从而达到降低开关纹波，减小网侧电感量，减小器件体积，优化产品性能的目的。图3为SGM150TL6A9TFD模块的拓扑结构，图示为其中的一相拓扑结构原理图。

图3 三电平拓扑结构原理图

如图3所示，该单相拓扑结构原理图中包括4个带续流二极管的IGBT管子、2个二极管。在HKPQCD中，实际使用的是过程某公司的基于PCB板易安装的模块SGM150TL6A9TFD，该模块中封装了单相拓扑结构中所需要的IGBT与二极管，同时还自带温度传感器。

与两电平拓扑结构一样，在直流侧电压一致的情况下，其直流侧也同样采用2个电解电容串联起来作为储能元件，并通过均压电阻来共同均衡直流侧电压。通过SVPWM调制解调，在IGBT的交流侧产生所需要的电压，并通过外部电感产生实际所需要的电流波形。

三电平以上的多电平拓扑结构由于在控制方面比较复杂，在实际产品应用中采用还比较少，有些具有一定实力的公司在做一些技术储备，因此，在本文中不做讨论。

基于上述原因，实际的主电路拓扑结构只能从两电平与三电平拓扑结构中进行选择。

两电平与三电平拓扑结构比较如下：

1）每个开关周期中，两电平输出2个电平，三电平输出3个电平，因此，从总的损耗上进行分析，两电平拓扑结构的损耗较高。
2）从输出纹波量上来分析，电平越多，纹波量越小，损耗越小，系统的效率越高。
3）同样的直流侧电压，在两电平拓扑结构中，总的直流电压值由单个器件来全部承担，而三电平拓扑结构中，则由两个器件分担，降低了器件的耐压，但三电平的器件数量则有所增加。

综合对比，本文在该装置中实际采用的主回路拓扑结构为三电平主回路拓扑结构。

1.3 控制电路

由于本装置要实现电能质量的综合治理，对实时性要求较高，因此该装置的核心控制单元中的数字信号处理器采用德州仪器的6000系列处理器中主频最快的处理器，用于保护和I/O输入输出的数字信号处理电路采用CPLD可编程逻辑控制器来代替，以简化电路，提高信号的可靠性。其控制原理示意图如图4所示。

图4 控制原理示意图

如图4所示，包括负载电流、IGBT侧的输出电流、系统电压、直流电压等模拟信号通过A/D转换后传输给数字信号处理器（DSP）进行处理。DSP在接收到负载电流信号后，通过快速傅里叶变换（fast Fourier transformation, FFT）算法或瞬时无功功率算法提取无功与谐波电流，生成6路SVPWM驱动信号，6路SVPWM驱动信号传送到CPLD中，通过可编程逻辑电路生成12路带死区的IGBT驱动信号，驱动信号经过驱动模块生成带正负压电平的驱动信号控制IGBT模块的导通与关断，完成整个控制过程。

2 试验结果及分析

基于上述理论分析，本文研制了两台容量为100A的电能质量综合治理装置。装置实物照如图5所示。