В промышленном производстве и коммерческих системах электропотребления широкое применение нелинейных нагрузок (таких как преобразователи частоты, ИБП и компьютерные блоки питания) привело к всё более серьёзным проблемам, связанным с гармоническими токами (ГТ) и реактивной мощностью (РМ). Эти проблемы не только вызывают такие неисправности, как перегрев трансформатора, повышенные потери в линии и вибрация двигателя, но и серьёзно ограничивают стабильность электроснабжения энергосистем. Эффективность активного фильтра мощности (АФМ), являющегося ключевым устройством для решения подобных проблем качества электроэнергии, напрямую определяет эффективность контроля гармоник и компенсации реактивной мощности. В данной статье мы рассмотрим, как оптимизировать конструкцию АФМ с помощью технологии ПЛИС (программируемой логической интегральной схемы), преодолеть ограничения производительности традиционных решений и предоставить предприятиям более эффективные решения для обеспечения качества электроэнергии.
1. Дилемма качества электроэнергии: почему традиционные решения APF нуждаются в срочной модернизации?
При работе энергосистемы «хорошее качество электроэнергии» означает стабильное взаимодействие источника питания и электрооборудования. Когда параметры напряжения и тока соответствуют нормам, оборудование может работать нормально; однако наличие гармоник и реактивной мощности нарушает этот баланс и приводит к ряду проблем в цепях. Гармонические токи вызывают искажение напряжения, увеличивают нагрузку на изоляцию оборудования и сокращают срок службы основного оборудования, такого как двигатели и трансформаторы. Реактивная мощность снижает коэффициент мощности электросети, приводит к увеличению потерь в линии и даже вызывает колебания напряжения в сети. Хотя традиционные пассивные фильтры (ПФ) изначально способны подавлять гармоники, они имеют такие недостатки, как большие габариты, фиксированная компенсация и высокий риск резонанса, что делает их неспособными адаптироваться к сложным и изменяющимся нагрузкам.
Для решения этих проблем был разработан активный фильтр мощности (APF). По сравнению с пассивными фильтрами, APF активно генерирует компенсирующие токи, детектируя гармонические и реактивные составляющие токов нагрузки в режиме реального времени. Благодаря таким преимуществам, как компактность, гибкая компенсация и отсутствие риска резонанса, он становится основным решением для контроля качества электроэнергии.
Однако традиционные решения APF в основном основаны на DSP (цифровом сигнальном процессоре) или микроконтроллерах для реализации алгоритмов управления, что приводит к трем основным узким местам. Во-первых, ограничена частота дискретизации. Последовательная работа DSP приводит к большим интервалам дискретизации, что затрудняет отслеживание быстро меняющихся гармонических токов в реальном времени. Во-вторых, высока задержка вычислений. Базовые алгоритмы, такие как синхронная система отсчета (SRF), требуют сложных математических операций, что приводит к высокой загрузке процессора DSP и подверженности задержкам компенсации. В-третьих, недостаточна точность. Ошибки на программном уровне и ограниченность аппаратных ресурсов затрудняют точность компенсации APF, необходимую для удовлетворения высоких требований промышленных сценариев (таких как прецизионное производство и центры обработки данных). Эти узкие места напрямую влияют на производительность APF, и для решения этой проблемы срочно необходима более эффективная аппаратная архитектура. Технология ПЛИС является ключом к решению этой проблемы.
2. ПЛИС, расширяющая возможности APF: основные преимущества и техническая архитектура
Параллельные рабочие характеристики и настраиваемые аппаратные ресурсы ПЛИС идеально соответствуют требованиям реального времени и высокой точности APF. По сравнению с решениями DSP, APF на основе ПЛИС (FPGA-based Active Power Filter) имеет три основных преимущества. Во-первых, параллельная работа без компенсации задержки. ПЛИС может одновременно выполнять несколько задач, таких как обнаружение гармоник, фазовая синхронизация и генерация ШИМ (широтно-импульсной модуляции), избегая последовательной задержки работы DSP, а скорость реагирования компенсации увеличивается более чем на 50%. Во-вторых, аппаратная настройка с высоким использованием ресурсов. Благодаря настраиваемым аппаратным модулям (таким как сумматоры и умножители), ПЛИС может оптимизировать основные алгоритмы APF (например, SRF), сократить избыточные операции и повысить точность вычислений до 0,1%. В-третьих, гибкая адаптация для совместимости с различными сценариями. Реконфигурируемая характеристика ПЛИС обеспечивает быструю настройку параметров компенсации АПФ для адаптации к характеристикам нагрузки различных отраслей промышленности (таких как химическая промышленность, новая энергетика и здравоохранение).
2.1 Основная аппаратная архитектура APF на базе ПЛИС
Для достижения высокопроизводительной работы АПФ архитектура ПЛИС должна интегрировать два ключевых модуля: трехфазную фазовую автоподстройку частоты (3φ ФАПЧ) и контроллер направленного тока.
(1) Трехфазный модуль ФАПЧ: достижение точной синхронизации между APF и электросетью
Компенсационный эффект APF зависит от фазовой синхронизации с напряжением электросети. Только точное получение фазовой информации о напряжении электросети позволяет сгенерировать ток компенсации, противоположный гармоническому току. Традиционные схемы ФАПЧ (например, метод обнаружения пересечения нуля) склонны к потере синхронизации под воздействием гармонических и шумовых помех. Однако трёхфазный модуль ФАПЧ, реализованный на ПЛИС, обеспечивает точность синхронизации благодаря специальным конструкциям. Фазовое детектирование, основанное на преобразовании Парка, преобразует трёхфазные напряжения электросети (Va, Vb, Vc) в постоянную составляющую в системе координат dq и в режиме реального времени корректирует фазовые ошибки с помощью ПИ-регулятора, гарантируя, что ошибка фазовой синхронизации будет менее 0,5%. Внутренняя оперативная память ПЛИС используется для хранения таблицы синусоидальных сигналов длительностью 1/4 периода (основанной на симметрии синусоидальной функции), что позволяет сократить занимаемые ресурсы. В то же время, для управления генерацией адреса используется конечный автомат (FSM), и синусоидальные/косинусоидальные сигналы, синхронизированные с электросетью, быстро выводятся. Канал регулирования ПИ-регулятора спроектирован как аппаратный модуль, чтобы избежать задержек в работе программного обеспечения, а время фазовой синхронизации сокращено до 10 мс, адаптируясь к сценариям колебаний частоты электросети (например, 49,5 Гц ~ 50,5 Гц).
(2) Контроллер направленного тока: достижение высокоточного отслеживания тока APF
Основная задача APF — генерация тока компенсации (Ic), противоположного гармоническому току. Контроллер направленного тока должен отслеживать опорный ток (Ir) в реальном времени и управлять инвертором посредством ШИМ-сигналов. Контроллер направленного тока, реализованный на ПЛИС, повышает точность отслеживания благодаря специальным технологиям. Устанавливаются два слоя петель гистерезиса (Mi — внутренний порог гистерезиса, Mo — внешний порог гистерезиса). Когда ток ошибки (ΔI) превышает Mo, вектор напряжения быстро переключается, чтобы вернуть ΔI. Когда ΔI находится между Mi и Mo, вектор опорного напряжения (Vref) прогнозируется для оптимизации выходного сигнала ШИМ, снижения частоты переключения и снижения энергопотребления APF. На основе сектора, в котором находится ток ошибки (всего 6 секторов, охватывающих вектор тока 360°), аппаратным декодером ПЛИС выбирается оптимальный вектор напряжения, обеспечивающий коэффициент гармонических искажений (THD) тока компенсации менее 3% (что значительно ниже требования национального стандарта GB/T 14549-1993 в 5%). Операции умножения заменяются операциями сдвига (например, интегральный коэффициент Ki устанавливается равным степени 2) для уменьшения использования ресурсов умножителя ПЛИС, а коэффициент использования среза составляет всего 3%, что позволяет сохранить место для последующего расширения функций.
3. Проверка производительности APF на базе ПЛИС: данные и сценарии применения
Для проверки повышения производительности APF с помощью решения на базе ПЛИС мы использовали инструменты разработки Xilinx 14.7 и симулятор ModelSim 6.3f, построили тестовую платформу на базе платы разработки Spartan 3 ПЛИС, сравнили основные показатели традиционного APF на базе DSP и APF на базе ПЛИС, а также проверили эффект в реальных промышленных сценариях.
С точки зрения основных показателей производительности, ошибка фазовой синхронизации традиционного APF на основе DSP составляет ±2°, в то время как APF на основе FPGA снижает эту ошибку до ±0,5%, с улучшением на 75%. Время реакции компенсации традиционного решения составляет 20 мс, а APF на основе FPGA сокращает его до 8 мс, с улучшением на 60%. С точки зрения точности отслеживания тока традиционное решение составляет ±1%, а APF на основе FPGA улучшает его до ±0,1%, со значительным повышением точности. В APF на основе FPGA коэффициент использования среза модуля ФАПЧ составляет всего 3%, а коэффициент использования среза контроллера направленного тока — 4%, что обеспечивает низкое использование аппаратных ресурсов. Для THD компенсированного тока нагрузки традиционное решение составляет 4,2%, а APF на основе FPGA снижает его до 2,8%, что ниже требования национального стандарта, с улучшением на 33%. Из этих данных следует, что фильтр на основе ПЛИС значительно превосходит традиционное решение по точности синхронизации, скорости отклика и эффекту компенсации. Особенно в части управления коэффициентом гармонических искажений (THD), он полностью соответствует требованиям к качеству электроэнергии, предъявляемым к прецизионному производству и центрам обработки данных.
В практических сценариях применения нагрузка нового цеха по производству аккумуляторов для транспортных средств с электроприводом представляет собой высокочастотные зарядные устройства и сварочное оборудование, а гармонические токи в основном 5-го и 7-го порядка. После внедрения APF на базе ПЛИС были достигнуты значительные улучшения. Количество отключений сварочных роботов, вызванных искажением напряжения, сократилось с 5 раз в месяц до 0, что значительно снизило частоту отказов оборудования. Потери в линии снизились на 8%, что позволило сэкономить около 20 000 юаней на оплате электроэнергии в месяц и снизить расходы предприятия на электроэнергию. Коэффициент мощности электросети увеличился с 0,82 до 0,98, что позволило избежать штрафов за коэффициент мощности со стороны энергокомпании и сократить ненужные расходы предприятия.
4. Перспективы развития: направления развития АПФ на базе ПЛИС
С развитием Индустрии 4.0 и новой энергетики характеристики нагрузки энергосистем будут усложняться, например, за счёт доступа к распределённым фотоэлектрическим системам и системам накопления энергии, что предъявляет более высокие требования к производительности APF. APF на базе ПЛИС будут модернизироваться в нескольких направлениях. Что касается многомодульного взаимодействия, параллельная работа нескольких APF может быть реализована через высокоскоростные интерфейсы ПЛИС (например, PCIe), которые могут адаптироваться к промышленным нагрузкам мегаваттного уровня и удовлетворять потребности в контроле качества электроэнергии крупных заводов и промышленных парков. В направлении интеграции ИИ будут интегрированы лёгкие алгоритмы ИИ (например, нейронные сети), что позволит APF достигать адаптивной компенсации без ручной настройки параметров, снижая затраты на эксплуатацию и обслуживание и повышая уровень интеллектуальности оборудования. В области периферийных вычислений, в сочетании с маломощными характеристиками ПЛИС, будет разработано периферийное APF-оборудование, адаптированное к таким сценариям, как микросети и автономные электростанции, что расширит область применения APF.
5. Заключение
Производительность АПФ, являющегося основным устройством контроля качества электроэнергии, напрямую определяет стабильность производства и стоимость энергопотребления предприятий. Ограниченные возможности традиционных решений на базе ЦСП больше не отвечают современным потребностям промышленности, в то время как технология ПЛИС обеспечивает оптимальное решение для повышения производительности АПФ благодаря трём преимуществам: параллельной работе, аппаратной настройке и гибкой адаптации.
От технической проверки до практического применения, APF на базе ПЛИС продемонстрировал значительную ценность: он способен не только снизить коэффициент гармонических искажений тока нагрузки до уровня ниже 3%, но и снизить частоту отказов оборудования и энергопотребление, обеспечивая значительные экономические преимущества для предприятий. В будущем, благодаря непрерывному развитию технологии ПЛИС и интеграции искусственного интеллекта и периферийных вычислений, APF станет ключевым компонентом интеллектуальных сетей, предлагая более эффективные решения для глобального контроля качества электроэнергии и помогая различным отраслям промышленности добиться экологичного, стабильного и эффективного энергоснабжения.
В Hengrong Electrical мы понимаем, насколько важна каждая деталь в управлении электропитанием. От передовой разработки продукции до инновационных решений в области фильтрации — мы стремимся предоставлять надёжные, эффективные и перспективные технологии. Выбирая Hengrong, вы получаете не просто продукцию, а надёжного партнёра, который поможет вашему бизнесу стать более интеллектуальным, безопасным и экологичным.