武新电气APF试制总结

武汉武新电气科技有限公司有限公司试制总结APF.SZ.1W-APF(W-SVG)/口—口/0.4低压有源电力滤波装置/低压静止无功发生器■代替:第1页共7页产品概述1.1产品的概述随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子设备得到广泛应用，这些电力电子设备在节约电能、提高生产效率和提高人们生活质量等方面起着重要作用；然而由于它们的非线性和多样性特点，大量的谐波和无功电流注人电网，对公用电网的供电质量和用户设备的安全运行造成严重的威胁。传统的谐波抑制和无功功率补偿的方法是无源滤波技术，即由电力电容器等无源器件构成无源滤波器，与需补偿的非线性负载并联，为谐波提供一个低阻抗通路，同时提供负载所需要的无功功率；无源滤波技术具有结构简单、设备投资低、运行可靠性高和维护方便等优点，但也存在不足和缺陷，如只能消除特定次谐波，对某些次谐波会发生谐振，滤波特性受系统参数的影响比较大，消耗大等。随着电力电子技术和功率集成电路技术以及相关谐波理论的发展，人们将滤波研究方向逐步转向了有源电力滤波器(ActivePowerFilter-APF)，与无源电力滤波器相比，有源电力滤波器具有明显的优越性。它能对变化的各次谐波和无功电流同时进行跟踪补偿，补偿特性受电网阻抗和频率变化的影响较小，控制电路容易实施限流保护以提高系统的安全性，因而受到了极大的关注。1.2关键技术难题的解决有源电力滤波器的两大关键技术是补偿电流的检测和补偿电流的产生，W-APF/口一口/0.4低压有源电力滤波装置对系统谐波及无功电流的检测采用了基于瞬时无功功率理论的检测方法，根据所定义的瞬时功率的波动部分为谐波电流和系统电压作用的结果，实时求出基波电流值，然后将补偿电流从原电流中分离出来，产生补偿信号，这种算法的最大特点就是实时性好。根据用户需要，我们可以选择补偿电网系统谐波，也可以选择在补偿系统谐波的同时补偿无功，补偿方式灵活多变，很好的解决了这两大技术难题，为下一步研发做下了坚实的基础。1.3产品达到的主要指标1.3.1技术指标资料来源编制校核标准化提出部门审定标记处数更改文件号签字日期批准文号批准

W-APF（W-SVG）/口一口/0.4低压有源电力滤波装置/APFSZ.1 |低压静止无功发生器试制总结第2页共7页主要电气性能指标（见下图）表1电气性能指标序号项目技术要求备注1总谐波补偿率>85%（负载电流畸变率>20%）>70%（负载电流畸变率<20%）可对2次〜50次谐波进行全补偿，或仅对指定次谐波进行补偿。有特殊要求时，由用户与公司协商。2抗过载能力可连续运行自动限定输出电流，并以额定电流输出。3损耗<5%在额定容量工作条件下测试。4响应时间三15ms有特殊要求时，由用户与公司协商。5噪声<65dB(A)特大容量风冷设备需>65dB（A）时，由用户与公司协商。绝缘水平指标表2绝缘水平指标试验电压施加部位绝缘电阻绝缘强度（min）冲击电压允许值（MQ）500V兆欧表测试试验电压（V）试验电压（kV）相间$1020005相对地$1020005相对N$1020005控制电路对地$101500电子电路对地温升指标表3温升指标测试部件温升极限(K)测量方法线圈进线电抗器80(B级绝缘)铁芯105铜母线本体(远离连接处)35使用点温计法、铜母线螺钉固定连接处(镀锡)55电阻法或热电耦法浪涌吸收器与主电路的电阻元件(距外表面30mm的空气处)25测量电容器外壳35主电路功率器件(管壳与散热器交界处)40塑料绝缘导线表面201.3.2主要经济指标公司2013目标生产W-APF(W-SVG)/口一口/0.4低压有源电力滤波装置/低压静止无功发生器1000台，按照每台APF(SVG)卖出价格为10万元，公司将会达到一亿元的销售额，这是本公司2012年对新产品W-APF(W-SVG)/口—口/0.4低压有源电力滤波装置/低压静止无功发生器的一个预期目标。在工业生产上如果能够更好的消除谐波将会对企业的电力设备投资大大减少，设备的寿命将会大大的提高，电能质量将会更加的优越，不会再担心功率因素过低和罚款的困扰。我们知道如果谐波存在的时候对配电系统会导致功率因数过低和难以提升，电能利用率降低,当谐波存在时，系统有效功率因数就会变为：PF=COS(p/(1+THDI2)1/2公式中可以看出，即使在负载功率因数为0.95的情况下，如果有谐波存在，有效的功率因数就会降低。假设谐波电流总畸变率为：THDI=40%有效功率因数就变为：PF=0.95/(1+0.42)1/2=0.882;电能的利用率为：0.882/0.95=92.84%，谐波引起的直接电能浪费为1—92.84%=7.16%,为工业生产节约了又一笔潜在的浪费。产品的基本原理以及装置的基本组成2.1APF的基本原理W-APF/W-SVG并联于系统电网，在控制过程中，装置实时检测非线性负载产生的电流,由指令电流运算电路得出所需要补偿的谐波及无功电流作为指令电流，通过驱动电路来驱动IGBT主电路快速产生与其大小相等，方向相反的补偿电流并注入系统，从而达到了滤除谐波并改善功率因数的目的，装置对系统谐波及无功电流的检测采用了基于瞬时无功功率理论的检测方法，根据所定义的瞬时功率的波动部分为谐波电流和系统电压作用的结果，实时求出基波电流值，然后将补偿电流从原电流中分离出来，产生补偿信号，这种算法的最大特点就是实时性好。根据用户需要，我们可以选择补偿电网系统谐波，也可以选择在补偿系统谐波的同时补偿无功，补偿方式灵活多变。2.2装置的基本组成W-APF/W-SVG是由我公司与清华大学、华中科技大学等著名高校合作研发的，使用世界领先技术的新一代高性能有源滤波装置，其主电路包括电压电流传感器、滤波电感和第六代IGBT模块组成的逆变电路，电解电容以及智能驱动模块，W-APF/W-SVG控制电路包括硬件和软件两部分。控制电路硬件包括主控板、电流采样板、显示屏和控制电源。本产品采用了国内外先进的双DSP技术，其核心是两片TI公司的DSP28335芯片，可以采集逆变电源直流母线电压、系统线电压、负载电流以及装置输出电流，同时还具有7路D/A输出(4路电流指令，3路电压指令)以及2路PWM信号，报警信号，用于显示屏的串行输出等。由于双DSP同时工作，对数据处理速度非常快，全面的提升了装置性能，运算速度快，补偿精度高，W-APF控制器软件具有直流过电压保护，装置输出过电流保护，IGBT故障保护，过热保护等多种保护功能。电流控制环由电流闭环，SPWM发生器构成；硬件保护有直流过电压保护，最大输出电流限制功能和IGBT故障保护功能，整个装置保护功能完善，运行安全可靠，显示屏采用最先进的触摸屏技术，可以在线显示或设定各种参数，包括负载电流，当前各次主要谐波、基波功率因数、系统电网电压、频率、装置运行状态,报警状态等参数。需要设定的参数包括补偿率、补偿方式、补偿谐波次数等参数；控制器本身还具有十分完善的抗EMI措施。W-APF(W-SVG)/口一口/0・4的基本性能优点♦实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应♦可同时对谐波和无功功率进行补偿，且补偿无功功率的大小可做到连续调节♦补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需储能元件也不大♦及时补偿对象电流过大，有源电路也不会发生过载，并能正常发挥补偿作用♦受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振♦能跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响♦既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和多个无功源集中补偿4•设计、调试、样机总结4.1装配、设计总结在设计的过程当中为了考虑减少二次线路的繁琐性，对二次线路走线进行了改造，一是对触摸屏的电源线和通信线进行了改造，二是对触摸屏的通信线接连主控板端的接头的屏蔽层和接头的5脚、外壳断开，并将APF/SVG输出电流霍尔到主控板的线取消屏蔽线走线，采用普通的线走线，对二次线路的走线进行了更加合理的布局。4.2调试总结在调试APF/SVG的过程当中主板程序的测试以及编写最为重要，在测试的过程中也不断发现主板程序的不完善，也不断的对程序烧写完善，不断的采取有效的改进措施进行一步步的完善，在调试的过程当中主要出现了一下问题：♦触摸屏的通信地址出错，原因是和主板的波特率不匹配，更新触摸屏的程序可以解决IGBT在稳压时出现故障报警，原因是驱动板的线路接触不良，重新插播可解决♦高压稳压时出现电流震荡，最终导致过流保护，原因是开启了无功补偿，关掉就可以解决♦通信线路出现时断时续的状态或完全通信不上，更换通信线可以解决♦上电之后过流指示和IGBT保护的灯不亮，查看附近的拨码开关接触器未吸合导致电容无法从电网吸收能量维持电容电压由电压和电流信号线相序错误导致输出电流过流5•有源滤波器日后发展待解决的几个问题尽管有源滤波器技术的开发和应用有了很大的发展，但仍存在着几个有待解决的问题:♦器件容量的增大和开关频率的提高，为实现电流的快速控制，提高补偿效果，开关频率是关键，要求器件以高频率工作。此外，应用多重化技术也能提高器件的等效开关频率。从经济的角度考虑，应使用高容量、大功率的器件，但这与使用高频率产生矛盾，因为大容量受到频率的限制。如何从两者中找到一个折衷，获得最佳效果，是一个值得研究的问题♦降低装置的价格并使其多功能化，有源滤波器能消除高次谐波，还能提高电力系统稳定性，抑制闪变和补偿无功等功能，一机多用显然最为经济，也符合当今电力系统发展的需要。然而有源滤波器造价较高，与LC滤波是不可比拟的，如何提高装置的性能价格比，是电力电子器件制造技术面临的课题♦降低损耗，提高系统可靠性这方面的主要工作包括：采用合理的开关频率，选择适

当的吸收回路，以提高装置的使用效率；采用过流、过压保护技术，故障诊断技术以使系统可靠工作等等经过几个月的努力，样机通过了技术条件规定的各种型式试验，各种性能参数达到了产品标准及技术条件的规定，可以进行小批量生产。6有源滤波国内外先进产品的比较表4国内外先进产品的性能比较公司国外先进技术公司国内先进技术公司本公司滤波范围2〜60次谐波2〜50次谐波2〜50次谐波电流总畸变率<5%W5%W5%总谐波补偿率$85%（负载电流畸变率$20%）$70%（负载电流畸变率V20%）$80%（负载电流畸变率$20%）$70%（负载电流畸变率V20%）$85%（负载电流畸变率$20%）$70%（负载电流畸变率V20%）抗过载能力可连续运行可连续运行可连续运行损耗W5%W5%W5%响应时间小于10msW20msW15ms外壳防护等级IP20IP20IP307有源电力滤波器的发展趋势随着现代社会对电能质量要求的日益提高，APF的应用也将日益广泛，在日本、美国、德国等工业发达国家已经得到了高度重视和日益广泛的应用。目前世界上APF的主要生产厂家有三菱电机公司、美国西屋电气公司、德国西门子公司等。自1981年以来，仅在日本,已有500多台APF投入运行，容量范围有50KVA到60MVA。但目前APF/SVG在对电网电能质量进行补偿时还存在许多缺陷，有许多需要进一步研究解决的问题。如提高装置容量、解决控制系统延时、降低设备损耗、提高性价比。基于解决这些问题的要求，APF的发展近期主要在以下几个方面：（1） 开发多点谐波抑制的新型APF,通过向网络中的几个优选节点注入电流，实现多点谐波电压的综合治理，是谐波治理更为有效的手段。（2） 为降低投资成本和提高补偿效率，将APF与LC无缘滤波器联合使用，这样既能客服无源滤波器的缺点又可提高有源滤波器的补偿功能，取长补短，相得益彰。（3） 为适应APF多功能复杂控制的需要，采用一些先进的控制策略包括变结构和智能控制，以得到更好的控制性能和效果。如文献提出的“统一电能质量管理器”，把同步结构技术用于向两个逆变器的补偿电流，从而实现对电能质量多项指标的综合补偿。（4） 随着新型能源的发展，有源滤波器的运用范围得到极大扩展，特别是新型能源发电后并入电网时，有源滤波器可减少其对电网产生危害。（