智能扩展型模块化有源电力滤波技术与成套装备

●成果名称：智能扩展型模块化有源电力滤波技术与成套装备

●成果拥有单位：湖南大学

●成果简介：

研究背景：

在工业生产过程中，大量非线性负荷或冲击性负荷，如整流设备、变频设备、电弧炉、电气化铁道等接入系统，在实现高效、节能的同时，会产生大量高次谐波电流导致系统电压和电流波形畸变，造成电力系统谐波污染，对电力设备和用电设备安全运行造成危害。此外，从新能源发电到用户配网，谐波治理也存在着大量应用需求。因此，补偿负荷及新能源发电接入电网后的谐波，改善企业供电质量成为我国工业配用网中迫切需要解决的问题。

有源滤波器由于具有良好的补偿性能和动态响应速度，被广泛应用于电力系统的谐波抑制场合，已成为电力电机技术领域的研究热点。在对一些大容量的工业装置进行谐波补偿时，相应的要求有源滤波器的容量较大。电力电子器件的开关频率和其容量相互矛盾，开关频率随着容量的增大而降低。目前，解决这一矛盾的较好的办法就是利用模块化有源电力滤波器进行谐波补偿。

技术原理与关键技术路线：

有源电力滤波器（APF）是一种基于电压源型逆变器结构的谐波治理装置，广泛应用于企业低压配电网。该装置通过实时检测补偿对象的负载电流，通过先进的谐波检测算法提取出待治理的谐波分量，采用电压电流双闭环控制策略，控制功率开关器件动作，使装置发出一个和负载谐波电流大小相等，方向相反的补偿电流，并注入到电网中，实现滤除谐波的目的。在容量允许的情况下，还可提供部分无功电流，实现小容量的无功动态补偿，如图1所示。单模块有源电力滤波器的硬件主要包括APF主电路、AD调理电路、DSP+FPGA控制电路、驱动及隔离电路等，如图2所示。

主要技术创新：

（1）对于单模块APF，其关键技术包括谐波检测方法、电流跟踪控制方法、直流侧电压控制构成，如图3所示。在谐波检测方面，提出了分频检测、分频控制及相位补偿方法，精确提取出单次谐波电流指令，提高了单次谐波补偿精度；采用鲁棒无差拍电流控制技术保证了对指令信号的快速无差跟踪；采用直流侧电压外环保障了直流侧电压的稳定性。

（2）为了解决多个APF模块并联的环流问题，提出一种基于下垂控制的新型有源电力滤波器的电流均分控制策略，使APF间无需互联线，每台有源电力滤波器可根据自身容量比例自动进行谐波电流分配，极大提高了整体的可靠性和扩展性。通过检测网侧谐波电流，当有源电力滤波器因故障退出运行或有新的有源电力滤波器加入运行时，其他有源电力滤波器能根据自身容量自动调节谐波电流输出,极大提高了整体的可靠性和扩展性。

在并联补偿系统中，每台有源电力滤波器模块平均分担谐波补偿任务，各模块的使用容量和使用效率都是相同的，从而系统的可靠性得到了提高，有利于系统的长期稳定运行。

（3）为进一步提高系统运行的可靠性，提出了基于多模块并联系统的冗余控制，系统中有一台模块发生故障并退出后，系统的均流系数将实时更新，这样就提高了系统的可维护性和可靠性。并且，N+1冗余可以扩展为N+M冗余（M为大于1的自然数，表示冗余的模块台数）。

技术特色：

Ø       模块化设计，每个模块50~100安，成本低、易于维护，系统冗余性及可扩展性强；

Ø       多台APF并联运行时，根据容量比进行谐波电流分配，实现大容量的多补偿，小容量的少补偿的目的。可通过多台并联获得更大的补偿容量；

Ø       响应时间仅1ms，可以高效补偿动态负荷；

Ø       通信功能完善：具有以太网(TCP/IP)、RS485等多种通信方式;

Ø       适合工业使用：能在恶劣环境下运行；

主要技术性能：

Ø       额定电压：400V

Ø       额定补偿容量：50A～500A

Ø       滤波能力，能有效滤除2~25次谐波，谐波滤除达到国家标准

Ø       控制系统采用军工级FPGA+DSP芯片，超强的运算能力

Ø       3H桥式三电平结构，输出电流波形平滑，装置损耗低

Ø       自适应控制算法，能适应任何系统阻抗的变化

应用领域：

该智能扩展型模块化有源电力滤波器，采用新一代电气拓扑结构，并具有模块化、抽屉式结构的特色，更加便于配电现场的配置和应用。不仅能解决新能源接入的无功波动及电压波动问题，也可以解决用户配电网络的谐波和无功问题，其核心价值在于用更加可靠的架构和产品提升整个配电系统的可靠性，旨在解决工业社会面临的日益严重的电能质量问题，帮助冶金、煤炭、交通、石化、制造、等行业用户，提供可靠、高效的低压配电系统及电网保障。

●市场预测：

在工业生产过程中，70%的能耗集中在钢铁、有色、石油加工及化工等企业。谐波污染严重影响工业企业安全生产和产品品质，造成企业配电网线路损耗、变压器损耗增加。低成本、小体积、模块化的谐波治理装置需求急迫，也是我国实现节能减排的重要途径之一。

该技术与装备采用智能化、模块化实现了有源滤波器方便扩容与维护，便于向企业大规模推广应用，为提高我国企业配电网的品质意义重大。目前，本装备已在贵溪冶炼厂、合肥铜冠国轩2家企业应用了10台套，节能效益明显。

该技术与装备若能通过产业化实施，年产量可达1200台套，若在冶金、化工、铁路、矿山等企业大规模推广应用，年销售额可达12000万元，研发的成套产品预期3~5年内，按国内市场占有率达到35%计算，可实现产品总销售达8亿元，装备投运后将大幅改善我国企业配电系统的可靠性和生产工艺过程的稳定性，投产企业年节约电能将超过2亿元。

●投资效益分析：

项目技术投资：2000万元（不含厂房基建），厂房：5000平方米，年生产规模：1200台套。

低成本大容量的高压系统无功动态混合补偿装置市场前景广阔，经济效益显著。我国的高能耗企业占社会能耗总量的61.4%，其能耗远高于世界平均水平。假设我国现有5000个企业需安装谐波治理装置，每个企业需配5台套，根据容量不同平均每台套20万元（2个模块）计算，大容量的无功动态混合补偿装置的国内市场预期容量=5000*20*5万元/台=50亿元。安装谐波治理装置后可为企业增加经济效益约0.15元/kW·h，年增加经济效益约500万元。按年销售规模1000台套计算，年销售额约2亿，而项目技术投资约为2000万元，投资回报率高。

●合作方式：

项目技术合作（3~5年）或技术转让形式。

●知识产权及获奖情况：

1．所获代表性科技奖励

2. 所获代表性授权专利

3. 已发表的相关代表性论文

[1]         An Luo, Shuangjian Peng, Chuanping Wu, Jingbing Wu, Zhikang Shuai. “Power Electronic Hybrid System for Load Balancing Compensation and Frequency-Selective Harmonic Suppression”. IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 59, no. 2, february 2012 (IF：6.5)

[2]         An Luo, Xianyong Xu, Lu Fang, Houhui Fang, Jingbing Wu, Chuanping Wu. “Feedback-Feedforward PI-Type Iterative Learning Control Strategy for Hybrid Active Power Filter With Injection Circuit”. IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 57, no. 11, November 2010 (IF：6.5)

[3]         An Luo, Zhikang Shuai, Wenji Zhu, and Z. John Shen, “Combined System for Harmonic Suppression and Reactive Power Compensation”. IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 56, no.2, pp. 418–428, Feb. 2009 (IF：6.5)

[4]         An Luo, Ci Tang, Zhi Kang Shuai, Wei Zhao, Fei Rong, and Ke Zhou, “A Novel Three-phase Hybrid Active Power Filter with a Series Resonance Circuit Tuned at the Fundamental Frequency”, IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 56, no.7, pp. 2341–2440, July 2009 (IF：6.5)

[5]         An Luo, Zhikang Shuai, Z. John Shen, Wenji Zhu, and Xianyong Xu, “Design Considerations for Maintaining DC-Side Voltage of Hybrid Active Power Filter With Injection Circuit”, IEEE Trans. Power. Electron., vol. 24, no.1, pp. 75–84, Jan. 2009 (IF: 6.05)

[6]         An Luo, Wei Zhao, Xia Deng, Z. John Shen, and Jian-Chun Peng, “Dividing Frequency Control of Hybrid Active Power Filter with Multi Injection Branches using Improved ip-iq Algorithm”, IEEE Trans. Power Electron., vol. 24, no.10, pp. 2396–2405, Oct. 2009  (IF: 6.05)

[7]         谭甜源，罗安，唐欣. 大功率并联混合型有源电力滤波器的研制. 中国电机工程学报，2004，24（3）：41-45  （2007年、2008年中国百篇最具影响国内学术论文）

4. 已承担的相关国家级科研项目

●联系方式：

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