采用APF進(jìn)行諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償?shù)墓こ虘?yīng)用

容志亮

（廣東強(qiáng)盈電氣廠有限公司，廣東 江門 529100）

引言

隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，諧波成為影響工業(yè)用電的主要問(wèn)題，對(duì)我國(guó)的工業(yè)發(fā)展帶來(lái)嚴(yán)重的阻礙。大部分工礦企業(yè)的用電情況復(fù)雜，大量非線性負(fù)荷使供電系統(tǒng)中高次諧波含量增加，引起電網(wǎng)電壓畸變，常規(guī)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備無(wú)法有效應(yīng)對(duì)。

一、諧波的危害及產(chǎn)生原因

諧波使電能傳輸和利用的效率降低，使電氣設(shè)備過(guò)熱，并使絕緣老化、縮短使用壽命，甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波電流放大幾倍甚至數(shù)十倍，造成過(guò)電流，使電容器等設(shè)備燒毀。諧波還會(huì)引起繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，使測(cè)量?jī)x表計(jì)量不準(zhǔn)確。諧波對(duì)通信設(shè)備和電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。諧波產(chǎn)生的危害日益嚴(yán)重，迫使供電公司對(duì)一些用電量大的單位進(jìn)行嚴(yán)格管制，限制其產(chǎn)生諧波電流的大小，以此來(lái)消除諧波污染帶來(lái)的電能質(zhì)量問(wèn)題。同時(shí)，國(guó)家也出臺(tái)了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對(duì)諧波的控制和治理進(jìn)行督導(dǎo)。對(duì)于一些以變頻器、開關(guān)電源、電弧爐等驅(qū)動(dòng)和用電設(shè)備為主的工礦企業(yè)，其電源系統(tǒng)容易出現(xiàn)諧波含量高、功率因數(shù)低等狀況。

造成諧波含量超標(biāo)的原因：①電力電子設(shè)備主要包括整流器、變頻器、開關(guān)電源、靜態(tài)換流器、晶閘管系統(tǒng)及其他SCR控制系統(tǒng)的使用。②沖擊性負(fù)荷如電弧爐、軋鋼機(jī)、提升機(jī)等設(shè)備及氣體電光源設(shè)備的廣泛應(yīng)用。隨著電力電子裝置的日益增多，這部分諧波源產(chǎn)生的諧波所占的比重越來(lái)越大，目前它已成為電力系統(tǒng)中諧波的主要來(lái)源。

二、治理方案對(duì)比

（一）無(wú)源濾波器

無(wú)源濾波器由電感、電容和電阻元件組合而成，通過(guò)調(diào)諧來(lái)控制吸收諧波電流。這種裝置造價(jià)較低，在目前的諧波治理領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。該裝置的主要缺點(diǎn)是易和系統(tǒng)產(chǎn)生并聯(lián)諧振。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮電容器容量、母線短路容量以及串聯(lián)電抗器電抗率之間的關(guān)系，避免因設(shè)計(jì)不合理造成濾波支路的諧振引起系統(tǒng)過(guò)電壓和過(guò)電流。采用傳統(tǒng)的無(wú)源濾波方案，存在的主要問(wèn)題有：

（1）電容和電抗器僅針對(duì)某次諧波濾波，系統(tǒng)工況變化后濾波效果明顯下降；

（2）濾除諧波同時(shí)兼顧無(wú)功補(bǔ)償，設(shè)計(jì)不善有可能造成系統(tǒng)發(fā)生諧振，導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，設(shè)備損壞。

（3）諧波環(huán)境下的表現(xiàn)差，LC方案為電容和電抗串聯(lián)，有阻抗、元器件對(duì)諧波形成回路，容易過(guò)載，諧波會(huì)加速電容器容值衰減，影響設(shè)備使用壽命；

（4）LC濾波回路與電壓關(guān)系密切，LC的濾波和無(wú)功補(bǔ)償量與電網(wǎng)電壓的平方呈正比，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，濾波和無(wú)功補(bǔ)償量下降較多。

（二）APF

隨著大功率可關(guān)斷電力電子器件IGBT控制技術(shù)的成熟，應(yīng)用于跟隨電網(wǎng)的波形快速變化進(jìn)行諧波治理技術(shù)的產(chǎn)品APF逐漸成為電力濾波的主流產(chǎn)品。APF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，指令電流運(yùn)算電路通過(guò)外部采集負(fù)載的電流和電壓信號(hào)，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或IPM功率模塊，生成與電網(wǎng)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。

三、諧波治理應(yīng)用及治理效果案例

某工礦企業(yè)1#變壓器型號(hào)為SCB10-1250/10/0.4kV，變壓器運(yùn)行中升溫過(guò)快、系統(tǒng)供電不穩(wěn)定、無(wú)功補(bǔ)償電容器經(jīng)常性爆裂、加工設(shè)備的穩(wěn)定性較差。經(jīng)實(shí)地考察，變壓器低壓側(cè)負(fù)載驅(qū)動(dòng)裝置以變頻器、開關(guān)電源為主。低壓供電設(shè)備為固定式開關(guān)柜，型號(hào)為GGD，低壓補(bǔ)償柜分主柜和副柜共2臺(tái)，補(bǔ)償容量分別為250kvar和125kvar。

（一）參數(shù)測(cè)試與分析

為詳細(xì)了解該企業(yè)存在的電能質(zhì)量問(wèn)題，采用KN-2000QPQExplorer電能質(zhì)量分析設(shè)備對(duì)1#變壓器0.4kV出線端進(jìn)行電能質(zhì)量檢測(cè)和分析，測(cè)試依據(jù)是GB/T14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》、GB17626.7-1998《供電系統(tǒng)及所連接設(shè)備諧波和間諧波的測(cè)量和測(cè)量?jī)x器類別》。主要檢測(cè)內(nèi)容為運(yùn)行電壓、電流、電壓偏差、閃變、三相不平衡度、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、頻率諧波等。

（二）諧波治理及實(shí)施方案

（1）APF采用三電平拓?fù)潆娐?，三電平設(shè)計(jì)使得IGBT承受反向電壓僅為兩電平的1/2，所以IGBT運(yùn)行速度更快、損耗更低且更加穩(wěn)定安全。（2）三電平設(shè)計(jì)使得逆變電路紋波電流特別小，所以濾波器的濾波電感和電容也比兩電平逆變電路小得多。這樣使得APF的散熱減小、效率更高、體積更小、重量更輕，更適合現(xiàn)場(chǎng)緊湊的安裝環(huán)境，或者在已定的空間內(nèi)，安裝容量最大化。（3）APF模塊在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)作業(yè)量小，只需要簡(jiǎn)單做1-2次導(dǎo)線的連接，施工時(shí)間短，施工質(zhì)量有保證。（4）相同容量模塊的APF單機(jī)之間的尺寸、結(jié)構(gòu)、內(nèi)部元器件排列均完全統(tǒng)一，安裝工藝美觀大方，而整柜式APF在安裝生產(chǎn)時(shí)卻需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況經(jīng)常變動(dòng)濾波器尺寸、結(jié)構(gòu)及內(nèi)部元器件的排列方式。

結(jié)語(yǔ)

總之，采用APF對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償，系統(tǒng)諧波濾除率達(dá)90%以上，設(shè)備自身不會(huì)放大系統(tǒng)諧波，且對(duì)50次以內(nèi)諧波有較強(qiáng)的濾除作用，不會(huì)像無(wú)源濾波器隨著電力電容容量衰減，LC電路諧振點(diǎn)會(huì)偏移，存在諧振風(fēng)險(xiǎn)；設(shè)備對(duì)于三相負(fù)載不平衡性能上也會(huì)有較大的改進(jìn)，三相交流電通過(guò)直流側(cè)連接，可以調(diào)配功率；設(shè)備能快速響應(yīng)電壓突變，抑制電網(wǎng)電壓波動(dòng)和閃變，穩(wěn)定了電網(wǎng)的電壓，從而有效提升了電壓合格率。采用APF能夠有效降低電網(wǎng)線損，提高供電質(zhì)量和用電效率，延長(zhǎng)變壓器、變頻器等設(shè)備的使用壽命。因此，在非線性負(fù)荷系統(tǒng)中采用APF進(jìn)行濾波補(bǔ)償，不僅能節(jié)能降耗，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且在保障系統(tǒng)安全運(yùn)行方面也發(fā)揮了巨大的作用。