淺析電力系統(tǒng)中有源濾波器節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

[摘 要]有源濾波器采用的是現(xiàn)代電力電子技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)和先進(jìn)控制理論的電力技術(shù)，它有助于電網(wǎng)諧波的動態(tài)性實時補償，是目前解決諧波污染、改善電能質(zhì)量最有效和最具潛力的途徑之一。探討了電力變壓器節(jié)能技術(shù)的基礎(chǔ)理論以及節(jié)能檢測控制的集中措施，最后提出在有源濾波器中運用節(jié)能技術(shù)應(yīng)注意的技術(shù)問題。

[關(guān)鍵詞]有源濾波器；電力變壓器；節(jié)能

有源電力濾波器（APF）指的是為治理電力系統(tǒng)諧波、改善電能質(zhì)量所采取的有效措施，是改善和提高電能質(zhì)量的有效手段之一。和傳統(tǒng)的無源濾波器（ PF）相比，有源電力濾波器具有能補償各次諧波、抑制閃變、補償無功、自動跟蹤補償變化諧波等技術(shù)上的優(yōu)勢，使得電網(wǎng)電流波形保持正弦，有效提高了電能的整體質(zhì)量。目前，APF主要應(yīng)用在負(fù)荷端有大量非線性負(fù)使用而導(dǎo)致電壓和電流嚴(yán)重畸變的系統(tǒng)之中，它最主要的功能就是消除電力系統(tǒng)電壓和電流之間的諧波分量，從而保留電壓和電流的基波分量。

一、基于諧波消除的電力變壓器節(jié)能理論基礎(chǔ)分析

空載損耗是變壓器運行的最主要損耗。其主要的構(gòu)成要素包括渦流損耗以及磁滯損耗這兩種類型。其中，對于渦流損耗而言，其最主要的產(chǎn)生原理為：鐵芯所對應(yīng)金屬感應(yīng)現(xiàn)象引發(fā)電勢，并于鐵芯內(nèi)部形成渦流現(xiàn)象。在受到電阻因素影響的情況下，最終引發(fā)損耗問題。結(jié)合實踐經(jīng)驗證實：渦流損耗與感應(yīng)電勢的平方數(shù)值呈正比例相關(guān)關(guān)系。具體來說，變壓器渦流損耗的計算方式可通過如下公式實現(xiàn)：

在該計算公式當(dāng)中，C2的取值大小受到了變壓器厚度系數(shù)、硅鋼片材料性質(zhì)的共同影響；Bm的取值大小主要決定于交變磁通狀態(tài)下磁密最大值；f的取值大小則主要決定于變壓器設(shè)備的運行頻率；V的取值大小則主要受到了變壓器鐵磁材料總體體積的影響。

而對于變壓器空載損耗當(dāng)中的磁滯損耗而言，其主要是指變壓器鐵磁材料在反復(fù)性的交變磁環(huán)反應(yīng)過程當(dāng)中所出現(xiàn)的損耗問題。一般來說，磁滯回線所對應(yīng)的面積大小是直接決定變壓器磁滯損耗大小的因素，兩者之間呈反比例相關(guān)關(guān)系，具體的計算方式如下所示：

在該計算公式當(dāng)中，C1的取值大小受到了變壓器硅鋼片材料特性的影響，實際計算中需要綜合對鐵芯磁導(dǎo)率以及鐵芯密度的衡量來計算。

由以上兩式可以看出，變壓器的損耗會受到諧波電流次數(shù)的顯著影響，兩者之間的關(guān)系為正相關(guān)。從這一角度上來說，若能夠?qū)ψ儔浩鞯母叽沃C波進(jìn)行合理的控制，勢必會對變壓器損耗的降低有顯著意義。而這也正是建立在諧波消除基礎(chǔ)之上，實現(xiàn)電力變壓器節(jié)能目的的理論原理所在。

二、有源濾波器的節(jié)能檢測控制

1.補償電流的檢測方法

（1）通過對帶阻濾波器裝置的應(yīng)用，使基波電流能夠流經(jīng)待檢測的電流。通過此種方式，將所獲取的變壓器高次諧波設(shè)定為檢測電流的補償對象。我們通常將此種對補償電流的檢測方式稱之為基波電流減去法。此項方法的優(yōu)勢在于：補償反應(yīng)直觀，且可操作性強，但同樣存在一定的不足之處，即整個有源濾波器在功能實現(xiàn)方面相對比較簡單，僅能夠針對變壓器高次諧波進(jìn)行消除。并且，對帶阻濾波器裝置的應(yīng)用是建立在理想環(huán)境下的，實際環(huán)境中無法達(dá)到理想的應(yīng)用狀態(tài)。因此，在現(xiàn)階段的電力系統(tǒng)建設(shè)中，較少會使用此種檢測方法。

（2）在有關(guān)補償電流檢測方面還有一個關(guān)鍵性的方法，即頻率分析法。此項檢測方法以傅里葉級數(shù)分析法為基礎(chǔ)而形成。在對畸變電流、電壓進(jìn)行檢測的基礎(chǔ)之上，對其實施基于傅里葉式的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)化過程當(dāng)中可將畸變電流、電流分解成分具有高次諧波代數(shù)屬性的組分，最終形成相應(yīng)的補償電流。但由于其建立在傅里葉級數(shù)分析的基礎(chǔ)之上，導(dǎo)致檢測數(shù)據(jù)的分析存在比較大的難度，且相對于實際情況的可調(diào)控性較低。有源濾波器諧波檢測如圖1所示。

2.補償電流控制途徑

現(xiàn)階段，補償電流的控制主要可通過以下幾種途徑實現(xiàn)：

（1）三角載波調(diào)制法。指的是將在檢測環(huán)節(jié)所得到的電流實際值和參考值之間的偏差產(chǎn)生的控制信號與高頻的三角調(diào)制波展開實時比較，最后將所得到的矩形脈沖作為逆變器各個開關(guān)組件的一個控制性的信號，從而在逆變器的輸出端得到所需要的波形。這種調(diào)制方法的最大優(yōu)勢在于開關(guān)的頻率比較固定，響應(yīng)的速度也較快，而且對高開關(guān)頻率的系統(tǒng)具有較好的控制特性。但是這種方法最大的不足在于電流系統(tǒng)的硬件較為復(fù)雜，以致出現(xiàn)的誤差較大，而且調(diào)制器的帶寬是有限的，不能濾除所有調(diào)制性信號的所有脈動，輸出的波型中可能存在與三角載波相同頻率的高頻畸變分量；高頻的三角波會使逆變器一直處于保持高頻工作狀態(tài)，這就會產(chǎn)生較大的開關(guān)損耗和高頻失真，在大功率的系統(tǒng)應(yīng)用中無法正常使用。

（2）滯環(huán)比較調(diào)制法。這種方法是以補償電流的參考值為基準(zhǔn)而設(shè)計的1個滯環(huán)帶，在實際的補償電流將要離開滯環(huán)帶時，逆變器的開關(guān)就會自動工作，使得實際的電流始終停留在滯環(huán)帶以內(nèi)，數(shù)值始終圍繞其參考值的上下在波動。這種調(diào)制方法的優(yōu)勢在于它的硬件電比較路簡單，容易實現(xiàn)，而且動態(tài)的響應(yīng)較快，控制的精度高。但不足是對于無線連接的逆變器而言，若三相間的控制不能獨立，則勢必會產(chǎn)生相間的干擾，這樣就不利于快速暫停的有效控制。

三、有源電力濾波器節(jié)能措施及需要注意的問題

1.有源電力濾波器節(jié)能措施

（1）采用靜止無功補償器（SVC）提高功率因數(shù)，降低變壓器繞組損耗。無功補償能給大型電力用戶帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益，它通過提高功率因數(shù)，使得負(fù)荷電流下降，大大減少了傳輸線路的有功損耗。

（2）實行經(jīng)濟(jì)調(diào)度，提高變壓器運行效率，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運行。為實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)調(diào)度，常根據(jù)負(fù)載率選擇變壓器容量：根據(jù)實際需要采用并列、解列等運行方式，減少冷卻裝置消耗的功率，將冷卻器分組控制和輔機(jī)變速運行。實踐證明，使變壓器經(jīng)濟(jì)運行，可使變壓器能耗下降10%以上。

（3）鐵芯損耗的控制。變壓器損耗中的空載損耗，即鐵損，主要發(fā)生在變壓器鐵芯疊片內(nèi)，主要是因交變的磁力線通過鐵芯產(chǎn)生磁滯及渦流而帶來的損耗。

2.應(yīng)用過程中存在的問題

一是在有源濾波變壓器設(shè)備容量不斷增大，開關(guān)使用頻率持續(xù)提高的背景之下，為了能夠確保對電流控制的快速性，兼顧對電流補償效果的可靠提升，就要求有源濾波變壓器設(shè)備能夠始終保持在高頻率性的運轉(zhuǎn)狀態(tài)之下。因而，如何在有源濾波變壓器的高效運行以及經(jīng)濟(jì)運行方面尋求共贏性的發(fā)展，應(yīng)當(dāng)是各方人員重點關(guān)注并解決的問題。

二是基于對電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性性能的改善，通過對有源濾波器裝置價格的降低以及功能的綜合化發(fā)展，要求能夠達(dá)到逐步緩解并消除電力系統(tǒng)高次諧波的問題，下一步工作的重點應(yīng)當(dāng)放在對有源濾波器性價比的合理提升之上。

四、結(jié)語

有源電力濾波器節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用至關(guān)重要。在實踐工作當(dāng)中，除對西方發(fā)達(dá)國家所積累電子器件制造技術(shù)進(jìn)行借鑒與引入以外，還需要重視對與電力系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范相契合的控制技術(shù)的研發(fā)工作。通過各方人員的通力合作，必定能夠?qū)⒂性措娏V波器的節(jié)能效益充分發(fā)揮出來。

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