混合型有源濾波裝置應(yīng)用實(shí)例解析

劉健平，揭兵有，魯晰坤

(江銅－耶茲銅箔有限公司，江西南昌 330096)

混合型有源濾波裝置應(yīng)用實(shí)例解析

劉健平，揭兵有，魯晰坤

(江銅－耶茲銅箔有限公司，江西南昌 330096)

通過(guò)對(duì)10kV電源進(jìn)線上11、13次諧波超標(biāo)的原因分析，結(jié)合無(wú)源及有源濾波器的優(yōu)勢(shì)，有針對(duì)性地制訂了治理方案并成功實(shí)施改造，改造后不但進(jìn)線功率因素能保證在0.93以上，而且將系統(tǒng)所有頻次的諧波都很好地控制在國(guó)標(biāo)限值以內(nèi)。

諧波治理;無(wú)功補(bǔ)償;無(wú)源濾波;有源濾波;混合型有源濾波

1 引言

整流器屬于銅箔廠的核心設(shè)備，是為生箔機(jī)提供直流電源的裝置，但由于整流器的工作特性，對(duì)其供電電源形成了一個(gè)典型的非線性負(fù)載，以整流器為代表的工業(yè)交、直流變換裝置是公用電網(wǎng)中最主要的諧波源之一。自銅箔廠整流器投運(yùn)以來(lái)，其兩路進(jìn)線電源就一直存在功率因素偏低，多次諧波超標(biāo)的狀況，供電部門要求限期整改。因此，研究和選用電網(wǎng)諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償新技術(shù)和新裝備具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 銅箔廠整流器系統(tǒng)分析

銅箔廠共有12脈波可控硅整流裝置4套，分別掛在兩路10kV進(jìn)線上，每路進(jìn)線各掛兩套整流裝置，容量均為3150 kVA，最大輸出電流直流50kA，最大輸出電壓直流50V。每套整流裝置所帶負(fù)載為6臺(tái)生箔機(jī)。改造前系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 改造前系統(tǒng)圖

由供電部門對(duì)銅箔廠進(jìn)行的電能質(zhì)量專項(xiàng)檢測(cè)表明，銅箔廠生產(chǎn)線投運(yùn)后，諧波污染嚴(yán)重，通過(guò)兩條電源進(jìn)線注入系統(tǒng)的諧波電流中11、13次超過(guò)國(guó)標(biāo)規(guī)定的限值。不但增加了輸電線路的能耗，也影響了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

表1 諧波頻次數(shù)據(jù)表［2］

諧波的污染與危害主要表現(xiàn)在影響電力設(shè)備安全與信號(hào)干擾方面:

(1)在電力危害主面:消耗電力系統(tǒng)的無(wú)功儲(chǔ)備;增加輸電線損耗;縮短了旋轉(zhuǎn)電機(jī)的壽命;造成電氣元件及設(shè)備的故障與損壞，運(yùn)行安全性下降;使電能計(jì)量產(chǎn)生較大誤差［1］。

(2)在信號(hào)干擾方面:對(duì)通信系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾，使電話和網(wǎng)絡(luò)通訊質(zhì)量下降;造成重要和敏感的自動(dòng)控制和保護(hù)裝置工作紊亂，誤動(dòng)和拒動(dòng)的現(xiàn)象增加，導(dǎo)致可靠性下降;影響功率處理器的正常運(yùn)行［2］。

在銅箔廠生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)因電力與信號(hào)的干擾，出現(xiàn)過(guò)多起類似情況。如，生箔機(jī)的主進(jìn)液管路上的電磁流量計(jì)就曾因?yàn)殡姶鸥蓴_太大，不能正常顯示流量，嚴(yán)重影響工藝控制的準(zhǔn)確，后經(jīng)技術(shù)人員對(duì)檢測(cè)回路單獨(dú)加裝屏蔽裝置，才確保了流量計(jì)的正常工作。主整流器與生箔機(jī)的PLC控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊也因諧波干擾頻繁誤動(dòng)作，不能保證生箔機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，后通過(guò)將通訊電纜由屏蔽電纜改為光纖，才避免了干擾。

但如果我們不從根源上解決諧波的問(wèn)題，而只是“頭痛醫(yī)頭、腳痛醫(yī)腳”，不但會(huì)浪費(fèi)大量的人力、物力，而且會(huì)因故障來(lái)源的隱蔽性與不確定性，大大影響生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 治理方案

由于整流設(shè)備沒(méi)有裝配有載調(diào)壓，也沒(méi)有濾波裝置，因此在不同工況下，系統(tǒng)的功率因數(shù)差異很大。滿負(fù)荷時(shí)功率因數(shù)可達(dá)到0.8左右，低負(fù)荷時(shí)，整流裝置控制角α偏大，降低了功率因數(shù)，功率因數(shù)只有0.2左右，考慮到在電網(wǎng)諧波較大的情況下直接投入電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償會(huì)造成高頻諧波的放大，可能引起電網(wǎng)不穩(wěn)定，造成電容器承受高壓，減少電容器的壽命，甚至損壞電容器，銅箔廠決定對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)也進(jìn)行諧波治理，既提高功率因數(shù)，又大幅度降低諧波，保證配電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

因?yàn)闉V波器兩種功能兼而有之，不但能濾除諧波，而且還能補(bǔ)償基波無(wú)功功率，所以特別適合于銅箔廠的情況。

濾波器分有源濾波與無(wú)源濾波。無(wú)源濾波利用電容、電感元件的諧振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗支路，從而減小流向電網(wǎng)的諧波電流，無(wú)源濾波成本低、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、技術(shù)成熟，缺點(diǎn)是體積大、只能對(duì)特定諧波進(jìn)行濾波，對(duì)于諧波次數(shù)經(jīng)常變化的負(fù)載諧波效果不好，對(duì)某些次諧波還會(huì)產(chǎn)生放大作用，甚至出現(xiàn)諧振現(xiàn)象［3］。有源諧波則相當(dāng)于一個(gè)諧波電流發(fā)生器，它跟蹤諧波源電流中的諧波分量，產(chǎn)生與其相反的諧波電流，從而抵消諧波源中產(chǎn)生的諧波電流，可以對(duì)多個(gè)諧波源進(jìn)行集中治理，具有自適應(yīng)功能，可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波，即具有高度可控性和快速響應(yīng)性等特點(diǎn)，同時(shí)還可抑制閃變，補(bǔ)償無(wú)功，有一機(jī)多能的特點(diǎn)，而且其濾波特性不受系統(tǒng)阻抗等的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)［4］，但裝置造價(jià)較高。

我們綜合考慮了無(wú)源濾波器成本低和有源濾波器性能優(yōu)越的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合銅箔廠的實(shí)際情況，將湖南大學(xué)電力工程學(xué)院成熟的混合型有源濾波技術(shù)的科研成果進(jìn)行了轉(zhuǎn)化。

銅箔廠現(xiàn)有的主整流器為12脈波整流，產(chǎn)生的特征諧波多為11、13次諧波，故在10kV高壓兩路進(jìn)線上分別各安裝一套混合型有源濾波裝置，優(yōu)先考慮采用針對(duì)11和13次諧波的兩組無(wú)源單調(diào)諧濾波器，來(lái)濾除大量的11、13次諧波，以降低有源濾波器的容量，針對(duì)電網(wǎng)中還存在其它次數(shù)的諧波，則采用串聯(lián)諧振注入型的有源濾波器，來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)治理，迅速響應(yīng)諧波頻率與大小發(fā)生的變化［5］。

混合型有源濾波系統(tǒng)中的11次和13次無(wú)源濾波支路分別可補(bǔ)償無(wú)功930KVR和620KVR，有源濾波器注入支路可補(bǔ)償無(wú)功0KVR－600KVR。就無(wú)功而言，混合型有源濾波系統(tǒng)提供的無(wú)功在0KVR－2150KVR之間可調(diào)，能夠滿足不同工況的要求［6］，保證1#，2#高壓進(jìn)線處功率因數(shù)達(dá)到1.0≥COSφ≥0.93。

銅箔廠正常生產(chǎn)時(shí)，存在以下四種工況:

(1)僅投運(yùn)一套整流裝置，且負(fù)荷較小;

(2)僅投運(yùn)一套整流裝置，但負(fù)荷較大;

(3)兩套整流裝置都投運(yùn)，其中一套負(fù)荷較大，另一套負(fù)荷較小;

(4)兩套整流裝置都投運(yùn)，且負(fù)荷都較大。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和整流器廠家提供的數(shù)據(jù)，通過(guò)電力系統(tǒng)仿真軟件PSIM，對(duì)四種典型工況下采用本方案進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償和諧波治理時(shí)的系統(tǒng)狀況進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)［1］。

表2 諧波治理仿真表

改造后的系統(tǒng)圖如圖所示:

圖2 改造后系統(tǒng)圖

改造后兩段進(jìn)線的功率因素都能保證在0.93以上，在11，13次無(wú)源濾波器對(duì)單次諧波有效治理的基礎(chǔ)上，有源濾波器還對(duì)電網(wǎng)中其它次數(shù)的諧波，例如:5，7次諧波進(jìn)行了動(dòng)態(tài)治理，使系統(tǒng)的所有諧波分量都控制在國(guó)標(biāo)限值以內(nèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

混合型有源濾波方式既能濾除特定的諧波，又能動(dòng)態(tài)響應(yīng)諧波的頻率與大小的變化，而且無(wú)功補(bǔ)償容量也動(dòng)態(tài)可調(diào)，具有較大的靈活性，可以很好地適應(yīng)各種工況的變化。實(shí)踐表明，采用混合型有源濾波技術(shù)是解決工廠動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題的有效途徑。

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［2］張怡榮.江銅－耶茲銅箔有限公司電能質(zhì)量論證報(bào)告［R］.南昌:江西省電力試驗(yàn)研究院，2005:23－29.

［3］Robert BHickey.電氣工程師便攜手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002:9－14.

［4］電力安全工作規(guī)程［K］.北京:國(guó)家電網(wǎng)公司，2009:11－18.

［5］陳宏國(guó)，黃摯雄.電力諧波治理裝置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.可編程控制器與工廠自動(dòng)化，2010(3):71111－14，110.

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The Application and Analysis on Hybrid Active Filtering Device

LIU Jian－ping，JIE Bing－you，LU Xi－kun

(Jiangxi Copper－Yates Foils Co.Ltd，Nanchang，Jiangxi 330096，China)

Through analyzing the harmonic wave over－standard reasons of the high 11th，13th harmonic of 110kV power supply and combining advantages of passive filter and active passive filter，the article discusses the settlement method of harmonic elimination，and successful realizes modification.Not only power factor could been kept above 0.93，but also other harmonic waves are controlled in thenational standard.

harmonics eliminating;reactive power compensation;passive filtering;active filtering;hybrid active power filter

TM72

B

1009－3842(2012)05－0080－03

2012－06－21

劉健平(1971－)，男，福建龍巖人，主要從事銅箔公司電氣設(shè)備管理工作。E－mail:ljphaohao@yahoo.com.cn