淺談安科瑞有源濾波器在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

任運(yùn)業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

摘要:本文對(duì)有源濾波器在光伏行業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述,介紹了有源濾波器的原理及HTQF有源濾波器的技術(shù)優(yōu)勢(shì),并對(duì)HTQF有源濾波器的應(yīng)用效果進(jìn)行了展示,。

關(guān)鍵詞:太陽(yáng)能;有源濾波器;單晶爐線鋸

0前言

面對(duì)日益迫近的能源危機(jī),新能源的開發(fā)利用已成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。而通過(guò)新能源來(lái)改變?nèi)祟惖哪茉唇Y(jié)構(gòu),也已成為人類可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。太陽(yáng)能光伏發(fā)電作為新能源之一,具有清潔、安全資源量大等特點(diǎn),是人類能源的理想選擇。

1光伏行業(yè)存在的電能質(zhì)量問(wèn)題

在光伏組件生產(chǎn)中,需要兒十個(gè)環(huán)節(jié),涉及數(shù)十種設(shè)備。在整個(gè)生產(chǎn)工藝流程中,有幾個(gè)比較關(guān)鍵的步驟:硅料溶化后的定向生長(zhǎng)(主要設(shè)備:多晶鑄錠爐單晶硅爐)多線切割(主要設(shè)備:線鋸)在這些環(huán)節(jié)中設(shè)備能否正常運(yùn)行成為光伏產(chǎn)品質(zhì)量好壞的關(guān)鍵?，F(xiàn)將主要負(fù)載的電氣特性介紹如下:

1)單品爐

單品爐是一種在惰性氣體環(huán)境中,用石墨加熱器將多品硅等多晶材料熔化,用直拉法生長(zhǎng)無(wú)錯(cuò)位單品的設(shè)備。單晶棒生產(chǎn)工序大致分為:裝料一熔料一拉晶一冷卻成型，其中重要工序熔料和拉晶過(guò)程需要保持恒定溫度。單晶爐由可控硅整流裝置提供直流電源,整流方式為6脈沖整流,以57,1113等奇次諧波為主，尤其5次和7次諧波含量較高,波形畸變非常嚴(yán)重。單晶硅在交流側(cè)還會(huì)產(chǎn)生很大的無(wú)功電流,造成系統(tǒng)功率因數(shù)低,進(jìn)線電流大、變壓器利用率低,能耗增加。同時(shí)諧波還會(huì)干擾拉晶控制系統(tǒng),造成錯(cuò)位、斷晶、跳閘,嚴(yán)重影響生產(chǎn)

2)線鋸

線鋸的核心是在研磨漿配合下用于完成切割動(dòng)作的超細(xì)高強(qiáng)度切割線。*多可達(dá)1000條切割線相互平行的纏繞在導(dǎo)線輪上形成個(gè)水平的切割線“網(wǎng)"。馬達(dá)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線輪使整個(gè)切割線網(wǎng)以每秒5~25m的速度移動(dòng)。切割線的速度直線運(yùn)動(dòng)或來(lái)回運(yùn)動(dòng)都會(huì)在整個(gè)切割過(guò)程中根據(jù)硅錠的形狀進(jìn)行調(diào)整。在切割線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,噴嘴會(huì)持續(xù)向切割線噴射含有懸浮碳化硅顆粒的研磨漿。切割原理看似非常簡(jiǎn)單,但在實(shí)際操作過(guò)程中有很多挑戰(zhàn)。線鋸平衡和控制切割線直徑、切割速度和總的切割面積,從而在硅片不破碎的情況下,取得一致的硅片厚度,并縮短切割時(shí)間線鋸的動(dòng)力系統(tǒng)是由變頻裝置組成,因此在工作中會(huì)產(chǎn)生大量的諧波,而諧波反過(guò)來(lái)又會(huì)對(duì)精密的工作產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

綜上所述,我們可以看出,無(wú)論是晶體定向生長(zhǎng)的環(huán)節(jié)還是晶體長(zhǎng)成后的切割環(huán)節(jié)都涉及到了整流或者變頻器等非線性負(fù)載,而非線性負(fù)載是典型的諧波源,它會(huì)反作用于該生產(chǎn)線上的配電網(wǎng)絡(luò)和其他用電設(shè)備。因此,諧波治理在光伏行業(yè)中是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

2諧波治理的措施

從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，單晶爐和線鋸的諧波含量很高,單晶爐電流畸變率高達(dá)30%,線鋸也接近20%，以571113等奇次諧波為主，尤其5次和7次諧波含量較高,波形畸變非常嚴(yán)重。諧波治理的目的,首先是保障電氣設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和工作人員的人身安全,即通過(guò)針對(duì)性的諧波治理方案，減少甚至消除諧波對(duì)配電系統(tǒng)的不良影響,保證單晶爐、線鋸、供配電設(shè)備的正常運(yùn)行;其次體現(xiàn)直接經(jīng)濟(jì)效益,即降低配電系統(tǒng)中諧波含量,減少無(wú)功損耗,延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命?；谏鲜瞿康募艾F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的數(shù)據(jù),我們采用有源濾波器對(duì)單晶爐和線鋸進(jìn)行諧波治理。

華天HTOF有源濾波器是一種用于動(dòng)態(tài)抑制電力諧波、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無(wú)功功率并校正三相不平衡的新型電力電子設(shè)備。HTQF有源濾波器既可以濾除諧波又能補(bǔ)償無(wú)功,可對(duì)單晶爐線鋸等非線性設(shè)備進(jìn)行電能質(zhì)量的綜合治理,是諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償?shù)?佳選擇,是確保電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的有力保障。

3 HTQF有源濾波器原理介紹

HTQF有源濾波器由指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路兩個(gè)主要部分組成。指今電流運(yùn)算電路實(shí)時(shí)監(jiān)視線路中的電流,并將模擬電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),送入高速數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理,將諧波與基波分離并以脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)形式向補(bǔ)償電流發(fā)生電路送出驅(qū)動(dòng)脈沖,驅(qū)動(dòng)IGBT功率模塊,生成與諧波電流幅值相等.極性相反的補(bǔ)償電流注入電網(wǎng),對(duì)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償或抵消，主動(dòng)消除電力諧波，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電力諧波的動(dòng)態(tài),快速?gòu)豥i治理。HTOF在濾波的同時(shí)，其指令運(yùn)算電路可根據(jù)檢測(cè)到的無(wú)功補(bǔ)償需求,控制其內(nèi)部的補(bǔ)償電流發(fā)生電路輸出容性和感性的基波電流，實(shí)時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償，無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)值可以通過(guò)操作面板設(shè)定。HTQF還可通過(guò)設(shè)備中三相共用的直流儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)三相電路中的有功功率進(jìn)行相間調(diào)節(jié)從而對(duì)三相不平衡負(fù)載進(jìn)行功率校正。該功能的投入也可通過(guò)操作面板來(lái)設(shè)定。

4 HTQF有源濾波器的創(chuàng)新點(diǎn)

補(bǔ)償電流發(fā)生器是決定有源淹波器技術(shù)性能的關(guān)鍵部件。為了取得高效率、高速度、高精度的補(bǔ)償效果,補(bǔ)償電流發(fā)生器采用PWM或滯環(huán)比較等方法對(duì)電流指令信號(hào)進(jìn)行高頻脈沖調(diào)制，將幅值隨時(shí)間變化的指令信號(hào)轉(zhuǎn)換為一系列寬度與指令信號(hào)幅值成比例的矩形脈沖信號(hào),以脈沖寬度的變化來(lái)反映指令信號(hào)幅值的變化。用此脈沖信號(hào)來(lái)控制逆變橋中大功率半導(dǎo)體功率器件的開通與關(guān)斷，可得到大容量的電壓脈沖,通過(guò)輸出電感器抑制電壓脈沖中的高頻分量,將其轉(zhuǎn)化成所需的補(bǔ)償電流。

由于脈沖調(diào)制,補(bǔ)償電流發(fā)生器產(chǎn)生的補(bǔ)償電流中必然含有與調(diào)制脈沖頻率相同的紋波電流,紋波電流會(huì)導(dǎo)致電磁干擾。若要降低紋波電流強(qiáng)度則需要增大輸出電感或提高半導(dǎo)體功率器件的開關(guān)頻率。但增大輸出電感會(huì)限制輸出電流的*大變化率,影響跟蹤補(bǔ)償速度和補(bǔ)償效果,而提高開關(guān)頻率會(huì)增加半導(dǎo)體功率器件的開關(guān)損耗.降低設(shè)備效率。因此,需要在幾個(gè)限制因素中進(jìn)行折中選擇,導(dǎo)致對(duì)補(bǔ)償電流發(fā)生器技術(shù)性能的限制。同時(shí),補(bǔ)償電流發(fā)生器工作時(shí)其直流儲(chǔ)能回路中也存在較大紋波電流,導(dǎo)致直流母線電壓波動(dòng)并在克流母線電容器中產(chǎn)生較大損耗影響直流儲(chǔ)能電容器使用壽命。

針對(duì)上述問(wèn)題HTOF有源濾波器發(fā)展了紋波交錯(cuò)對(duì)消技術(shù):由兩組相同的逆變橋兩組相同輸出電感器和公共的直流母線及直流電容器構(gòu)成補(bǔ)償電流發(fā)生器。兩組逆變橋由共同的電流指令信號(hào)控制,且補(bǔ)償電流輸出端相互并聯(lián)因此兩組逆變橋輸出的補(bǔ)償電流中對(duì)應(yīng)指令信號(hào)的有效補(bǔ)償電流分量相同,并聯(lián)后相互巷加,輸出總補(bǔ)償電流為單組逆變橋輸出電流的兩倍，同時(shí),通過(guò)控制兩組逆變橋的調(diào)制脈沖的相位,使兩組過(guò)變橋輸出電流中的高頻紋波分量相位相互交錯(cuò)180"疊加后相互抵消，總輸出電流的紋波顯著降低該技術(shù)使補(bǔ)償電流發(fā)生器擺脫了紋波電流的制約,可以采用更優(yōu)化的輸出電感器獲得更高的補(bǔ)償電流跟蹤速度,采用更為優(yōu)化的開關(guān)頻率有效降低半導(dǎo)體功率器件的開關(guān)損耗,提高設(shè)備的工作效率.同時(shí),此技術(shù)還能顯著降低直流儲(chǔ)能回路中的紋波電流.降低直濾儲(chǔ)能電容器的損耗和溫升,提高直流電容器的可靠性和使用壽命。

圖2紋波交錯(cuò)效果展示圖

圖2中綠色和紫色的波形是單套逆變器工作時(shí)產(chǎn)生的紋波,黃色為兩套逆變器交錯(cuò)后產(chǎn)生的紋波，從示波器監(jiān)視的波形來(lái)看,交錯(cuò)技術(shù)的運(yùn)用可以大大降低有源濾波器的紋波，大大釋放了紋波對(duì)電流跟蹤速度和開關(guān)頻率的束縛。

5 HTQF有源濾波器在光伏行業(yè)中的應(yīng)用

某光伏領(lǐng)jun企業(yè)大量使用單品爐、多品爐、線鋸等設(shè)備,這些非線性負(fù)載產(chǎn)生大量的諧波,對(duì)廠區(qū)的供電安企造成很大的危害。鑒于此,廠方經(jīng)過(guò)慎重的考察和論證選擇了華天HTOF有源德波器做為試用。

以下是HTQF有源德波器投人前后的現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比數(shù)據(jù):

1)三相電壓波形前后對(duì)比，見(jiàn)圖3.圖4。

2)三相電壓諧波含量前后對(duì)比,見(jiàn)圖5、圖6。

3)三相電流波形前后對(duì)比，見(jiàn)圖7、圖8。

4)三相電流諾波含量前后對(duì)比,見(jiàn)圖9、圖10。

從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的有源濾波器投人前后的數(shù)據(jù)可以看出,有源港波器投入運(yùn)行后,電壓和電流諧波明顯降低,電壓諧波由原來(lái)的4.7%降到2.4%電流諧波由原來(lái)的18.4%降到5.0%諧波電流有效值從273A下降到63A,三相電壓和三相電流波形均得到明顯改善,從根本上消除了諧波的影響。

6安科瑞APF有源濾波器產(chǎn)品選型

6.1產(chǎn)品特點(diǎn)

(1)DSP+FPGA控制方式，響應(yīng)時(shí)間短，全數(shù)字控制算法，運(yùn)行穩(wěn)定；

(2)一機(jī)多能，既可補(bǔ)諧波，又可兼補(bǔ)無(wú)功，可對(duì)2～51次諧波進(jìn)行全補(bǔ)償或特定次諧波進(jìn)行補(bǔ)償；

(3)具有完善的橋臂過(guò)流保護(hù)、直流過(guò)壓保護(hù)、裝置過(guò)溫保護(hù)功能；

(4)模塊化設(shè)計(jì)，體積小，安裝便利，方便擴(kuò)容；

(5)采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏以實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和控制，使用方便，易于操作和維護(hù)；

(6)輸出端加裝濾波裝置，降低高頻紋波對(duì)電力系統(tǒng)的影響；

(7)多機(jī)并聯(lián)，達(dá)到較高的電流輸出等級(jí)；

6.2型號(hào)說(shuō)明

6.3尺寸說(shuō)明

6.4產(chǎn)品實(shí)物展示

ANAPF有源濾波器

7安科瑞智能電容器產(chǎn)品選型

7.1產(chǎn)品概述

AZC/AZCL系列智能電容器是應(yīng)用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節(jié)省能源、降低線損、提高功率因數(shù)和電能質(zhì)量的新一代無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。它由智能測(cè)控單元，晶閘管復(fù)合開關(guān)電路，線路保護(hù)單元，兩臺(tái)共補(bǔ)或一臺(tái)分補(bǔ)低壓電力電容器構(gòu)成?？商娲Ｒ?guī)由熔絲、復(fù)合開關(guān)或機(jī)械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在柜內(nèi)和柜面由導(dǎo)線連接而組成的自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償裝置。具有體積更小，功耗更低，維護(hù)方便，使用壽命長(zhǎng)，可靠性高的特點(diǎn)，適應(yīng)現(xiàn)代電網(wǎng)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償?shù)母咭蟆?/p>

AZC/AZCL系列智能電容器采用定式LCD液晶顯示器，可顯示三相母線電壓、三相母線電流、三相功率因數(shù)、頻率、電容器路數(shù)及投切狀態(tài)、有功功率、無(wú)功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過(guò)內(nèi)部晶閘管復(fù)合開關(guān)電路，自動(dòng)尋找適宜投入（切除）點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)過(guò)零投切，具有過(guò)壓保護(hù)、缺相保護(hù)、過(guò)諧保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)等保護(hù)功能。

7.2型號(hào)說(shuō)明

AZC系列智能電容器選型：

AZCL系列智能電容器選型：

7.3產(chǎn)品實(shí)物展示

AZC系列智能電容模塊AZCL系列智能電容模塊

安科瑞無(wú)功補(bǔ)償裝置智能電容方案

8結(jié)束語(yǔ)

一期工程中，該企業(yè)選擇了四臺(tái)有源濾波器進(jìn)行諧波治理,經(jīng)過(guò)半年多的運(yùn)行,HTQF有源濾波器展現(xiàn)了良好的品質(zhì),確保了供電的安全,保障了單晶硅生產(chǎn)的質(zhì)量,該企業(yè)決定在后期擴(kuò)建工程中全部配套HTQF有源濾波器。

參考文獻(xiàn)

[1]王丙強(qiáng),張進(jìn).有源濾波器在光伏行業(yè)中的應(yīng)用[J].智能建筑電氣技術(shù),2011,5(02):62-64.DOI:10.13857

[2]2008年中國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)分析及投資咨詢報(bào)告[DB/OL]，中國(guó)投資咨詢網(wǎng)

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.05版.

作者簡(jiǎn)介

任運(yùn)業(yè)，男,現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。