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(xiàn)鋸

前言

面對(duì)日益迫近的能源危機(jī),新能源的開(kāi)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?lèi)的能源結(jié)構(gòu),也已成為人類(lèi)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(lèi)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(xiàn)切割(主要設(shè)備:線(xiàn)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。現(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(xiàn)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(xiàn)鋸

線(xiàn)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(xiàn)。*多可達(dá)1000條切割線(xiàn)相互平行的纏繞在導(dǎo)線(xiàn)輪上形成個(gè)水平的切割線(xiàn)“網(wǎng)"。馬達(dá)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線(xiàn)輪使整個(gè)切割線(xiàn)網(wǎng)以每秒5~25m的速度移動(dòng)。切割線(xiàn)的速度直線(xiàn)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(xiàn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,噴嘴會(huì)持續(xù)向切割線(xiàn)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(xiàn)鋸平衡和控制切割線(xiàn)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(xiàn)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)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(xiàn)性負(fù)載,而非線(xiàn)性負(fù)載是典型的諧波源,它會(huì)反作用于該生產(chǎn)線(xiàn)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(xiàn)鋸的諧波含量很高,單晶爐電流畸變率高達(dá)30%,線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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)控制電力諧波、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(xiàn)鋸等非線(xiàn)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(xiàn)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(kāi)通與關(guān)斷，可得到大容量的電壓脈沖,通過(guò)輸出電感器控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)度則需要變大輸出電感或提高半導(dǎo)體功率器件的開(kāi)關(guān)頻率。但變大輸出電感會(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(kāi)關(guān)頻率會(huì)增加半導(dǎo)體功率器件的開(kāi)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(xiàn)電壓波動(dòng)并在克流母線(xiàn)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(xiàn)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(kāi)關(guān)頻率有效降低半導(dǎo)體功率器件的開(kāi)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(kāi)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

某光伏企業(yè)大量使用單品爐、多品爐、線(xiàn)鋸等設(shè)備,這些非線(xiàn)性負(fù)載產(chǎn)生大量的諧波,對(duì)廠(chǎng)區(qū)的供電安企造成很大的危害。鑒于此,廠(chǎng)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

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(xiàn)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(kāi)關(guān)電路，線(xiàn)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(kāi)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(xiàn)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?/span>

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(xiàn)電壓、三相母線(xiàn)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(kāi)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

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/j.cnki.cn11-5589/tu.2011.02.001.

[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(xún)報(bào)告[DB/OL]，中國(guó)投資咨詢(xún)網(wǎng)www.ocn。。ｃｏｍ.cn

[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

魏健輝，女,現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。