胡冠楠

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定

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

關鍵詞：太陽能;有源濾波器;單晶爐線鋸

0前言

面對日益迫近的能源危機,新能源的開發(fā)利用已成為全球關注的焦點。而通過新能源來改變人類的能源結構,也已成為人類可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。太陽能光伏發(fā)電作為新能源之一,具有清潔、安全資源量大等特點,是人類能源的理想選擇。

1光伏行業(yè)存在的電能質量問題

在光伏組件生產(chǎn)中,需要兒十個環(huán)節(jié),涉及數(shù)十種設備。在整個生產(chǎn)工藝流程中,有幾個比較關鍵的步驟:硅料溶化后的定向生長(主要設備:多晶鑄錠爐單晶硅爐)多線切割(主要設備:線鋸)在這些環(huán)節(jié)中設備能否正常運行成為光伏產(chǎn)品質量好壞的關鍵。現(xiàn)將主要負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,用直拉法生長無錯位單品的設備。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,波形畸變非常嚴重。單晶硅在交流側還會產(chǎn)生很大的無功電流,造成系統(tǒng)功率因數(shù)低,進線電流大、變壓器利用率低,能耗增加。同時諧波還會干擾拉晶控制系統(tǒng),造成錯位、斷晶、跳閘,嚴重影響生產(chǎn)

2)線鋸

線鋸的核心是在研磨漿配合下用于完成切割動作的超細高強度切割線。*多可達1000條切割線相互平行的纏繞在導線輪上形成個水平的切割線“網(wǎng)"。馬達驅動導線輪使整個切割線網(wǎng)以每秒5~25m的速度移動。切割線的速度直線運動或來回運動都會在整個切割過程中根據(jù)硅錠的形狀進行調整。在切割線運動過程中,噴嘴會持續(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單,但在實際操作過程中有很多挑戰(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,并縮短切割時間線鋸的動力系統(tǒng)是由變頻裝置組成,因此在工作中會產(chǎn)生大量的諧波,而諧波反過來又會對精密的工作產(chǎn)生嚴重的影響。

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

2諧波治理的措施

從現(xiàn)場測試數(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,波形畸變非常嚴重。諧波治理的目的,首先是保障電氣設備的穩(wěn)定運行和工作人員的人身安全,即通過針對性的諧波治理方案，減少甚至消除諧波對配電系統(tǒng)的不良影響,保證單晶爐、線鋸、供配電設備的正常運行;其次體現(xiàn)直接經(jīng)濟效益,即降低配電系統(tǒng)中諧波含量,減少無功損耗,延長設備使用壽命。基于上述目的及現(xiàn)場測試的數(shù)據(jù),我們采用有源濾波器對單晶爐和線鋸進行諧波治理。

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

3 HTQF有源濾波器原理介紹

HTQF有源濾波器由指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路兩個主要部分組成。指今電流運算電路實時監(jiān)視線路中的電流,并將模擬電流信號轉換為數(shù)字信號,送入高速數(shù)字信號處理器(DSP)對信號進行處理,將諧波與基波分離并以脈寬調制(PWM)信號形式向補償電流發(fā)生電路送出驅動脈沖,驅動IGBT功率模塊,生成與諧波電流幅值相等.極性相反的補償電流注入電網(wǎng),對諧波電流進行補償或抵消，主動消除電力諧波，從而實現(xiàn)對電力諧波的動態(tài),快速C底治理。HTOF在濾波的同時，其指令運算電路可根據(jù)檢測到的無功補償需求,控制其內部的補償電流發(fā)生電路輸出容性和感性的基波電流，實時進行補償，無功補償?shù)哪繕酥悼梢酝ㄟ^操作面板設定。HTQF還可通過設備中三相共用的直流儲能系統(tǒng)對三相電路中的有功功率進行相間調節(jié)從而對三相不平衡負載進行功率校正。該功能的投入也可通過操作面板來設定。

4 HTQF有源濾波器的創(chuàng)新點

補償電流發(fā)生器是決定有源淹波器技術性能的關鍵部件。為了取得高效率、高速度、高精度的補償效果,補償電流發(fā)生器采用PWM或滯環(huán)比較等方法對電流指令信號進行高頻脈沖調制，將幅值隨時間變化的指令信號轉換為一系列寬度與指令信號幅值成比例的矩形脈沖信號,以脈沖寬度的變化來反映指令信號幅值的變化。用此脈沖信號來控制逆變橋中大功率半導體功率器件的開通與關斷，可得到大容量的電壓脈沖,通過輸出電感器抑制電壓脈沖中的高頻分量,將其轉化成所需的補償電流。

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

針對上述問題HTOF有源濾波器發(fā)展了紋波交錯對消技術: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成補償電流發(fā)生器。兩組逆變橋由共同的電流指令信號控制,且補償電流輸出端相互并聯(lián)因此兩組逆變橋輸出的補償電流中對應指令信號的有效補償電流分量相同,并聯(lián)后相互巷加,輸出總補償電流為單組逆變橋輸出電流的兩倍，同時,通過控制兩組逆變橋的調制脈沖的相位,使兩組過變橋輸出電流中的高頻紋波分量相位相互交錯180"疊加后相互抵消，總輸出電流的紋波顯著降低該技術使補償電流發(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償電流跟蹤速度,采用更為優(yōu)化的開關頻率有效降低半導體功率器件的開關損耗,提高設備的工作效率.同時,此技術還能顯著降低直流儲能回路中的紋波電流.降低直濾儲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產(chǎn)生的紋波,黃色為兩套逆變器交錯后產(chǎn)生的紋波，從示波器監(jiān)視的波形來看,交錯技術的運用可以大大降低有源濾波器的紋波，大大釋放了紋波對電流跟蹤速度和開關頻率的束縛。

5 HTQF有源濾波器在光伏行業(yè)中的應用

某光伏L軍企業(yè)大量使用單品爐、多品爐、線鋸等設備,這些非線性負載產(chǎn)生大量的諧波,對廠區(qū)的供電安企造成很大的危害。鑒于此,廠方經(jīng)過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)場對比數(shù)據(jù):

1)三相電壓波形前后對比，見圖3.圖4。

2)三相電壓諧波含量前后對比,見圖5、圖6。

3)三相電流波形前后對比，見圖7、圖8。

4)三相電流諾波含量前后對比,見圖9、圖10。

從現(xiàn)場測試的有源濾波器投人前后的數(shù)據(jù)可以看出,有源港波器投入運行后,電壓和電流諧波明顯降低,電壓諧波由原來的4.7%降到2.4%電流諧波由原來的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

(1)DSP+FPGA控制方式，響應時間短，全數(shù)字控制算法，運行穩(wěn)定；

(2)一機多能，既可補諧波，又可兼補無功，可對2～51次諧波進行全補償或特定次諧波進行補償；

(3)具有完善的橋臂過流保護、直流過壓保護、裝置過溫保護功能；

(4)模塊化設計，體積小，安裝便利，方便擴容；

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

(6)輸出端加裝濾波裝置，降低高頻紋波對電力系統(tǒng)的影響；

(7)多機并聯(lián)，達到較高的電流輸出等級；

6.2型號說明

6.3尺寸說明

6.4產(chǎn)品實物展示

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)和電能質量的新一代無功補償設備。它由智能測控單元，晶閘管復合開關電路，線路保護單元，兩臺共補或一臺分補低壓電力電容器構成。可替代常規(guī)由熔絲、復合開關或機械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在柜內和柜面由導線連接而組成的自動無功補償裝置。具有體積更小，功耗更低，維護方便，使用壽命長，可靠性高的特點，適應現(xiàn)代電網(wǎng)對無功補償?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、無功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過內部晶閘管復合開關電路，自動尋找適宜投入（切除）點，實現(xiàn)過零投切，具有過壓保護、缺相保護、過諧保護、過溫保護等保護功能。

7.2型號說明

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

安科瑞無功補償裝置智能電容方案

8結束語

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