有源電力濾波器APF應(yīng)用實(shí)例

文/燕哲

圖1：并聯(lián)型APF系統(tǒng)構(gòu)成

1　諧波治理基礎(chǔ)

1.1　諧波的危害

在系統(tǒng)中日益廣泛采用的電力電子裝置可靈活方便地變換電路形態(tài)，為用戶提供高效使用電能的手段。但是也使得電網(wǎng)的諧波污染問題日趨嚴(yán)重，影響供電質(zhì)量。目前諧波與電磁干擾、功率因數(shù)降低已并列為電力系統(tǒng)的三大公害，電力污染日益嚴(yán)重，電力設(shè)備只有在清潔的、接近正弦波形的電壓和電流下運(yùn)行才能達(dá)到額定的效率。低品質(zhì)的電力供應(yīng)不僅會(huì)增加線路損耗、接觸損耗、發(fā)熱損耗等電能浪費(fèi)，還造成電機(jī)過熱、絕緣老化、干擾設(shè)備運(yùn)行、損害設(shè)備部件、縮短設(shè)備壽命等問題，甚至引起閃絡(luò)和火災(zāi)等安全事故。近幾十年來，各種電力電子裝置的迅速普及使得公用電網(wǎng)的諧波污染日趨嚴(yán)重，由諧波引起的各種故障和事故也不斷發(fā)生，諧波危害的嚴(yán)重性才引起人們高度的關(guān)注。諧波對(duì)公用電網(wǎng)和其它系統(tǒng)的危害大致有以下幾個(gè)方面：

（1）諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的使用效率，大量的3次諧波流過中線時(shí)還會(huì)使線路過熱甚至發(fā)生火災(zāi)；

（2）諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作。諧波對(duì)電機(jī)的影響除引起附加損耗外，還會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴(yán)重過熱。諧波使電容器、電纜等設(shè)備過熱、絕緣老化、壽命縮短以至損壞，對(duì)于補(bǔ)償用電力電容器和串聯(lián)電抗而言，高次諧波電流在通過電容器回路時(shí)，有可能引起串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振現(xiàn)象，引起過熱損壞等事故；

（3）諧波會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作，特別是負(fù)序的影響尤其危險(xiǎn)；

（4）諧波會(huì)導(dǎo)致電氣測(cè)量?jī)x表計(jì)量不準(zhǔn)確；

（5）諧波通過電磁感應(yīng)和傳導(dǎo)耦合等方式會(huì)對(duì)鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者引進(jìn)噪聲，降低通信質(zhì)量，重者導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。

1.2　諧波治理原理簡(jiǎn)介

有源濾波器(APF)產(chǎn)品是一種采用高頻電力電子開關(guān)變換技術(shù)、模擬和數(shù)字混合電路技術(shù)進(jìn)行電流檢測(cè)和電流注入的新型電力電子裝置。用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償諧波無功的新型電力電子裝置，它能對(duì)變化的諧波以及變化的諧波無功進(jìn)行補(bǔ)償，其應(yīng)用可克服LC濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)，獲得比無源濾波器更好的補(bǔ)償特性，是一種理想的補(bǔ)償諧波裝置。APF主要由采樣電流、DSP數(shù)字信號(hào)電路處理和跟蹤電路、PWM驅(qū)動(dòng)電路和IGBT元件組成，軟件編程采用DSP美國得州儀器公司的專用程序。

圖1所示為最基本的有源濾波器系統(tǒng)構(gòu)成的原理圖。圖中，vs表示交流電源，負(fù)載為諧波源，它產(chǎn)生諧波并消耗無功。系統(tǒng)由兩大部分組成，即指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路。其中指令電流運(yùn)算電路的核心是檢測(cè)出補(bǔ)償對(duì)象電流中的諧波和無功等電流分量；補(bǔ)償電流發(fā)生電路的作用是根據(jù)指令電流運(yùn)算電路得出的補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，產(chǎn)生實(shí)際的補(bǔ)償電流。主電路采用PWM變流器組成。

基本工作原理是：檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象的電壓和電流，經(jīng)指令電流運(yùn)算電路計(jì)算得出補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)補(bǔ)償電流發(fā)生電路放大，得出補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中要補(bǔ)償?shù)闹C波及無功等電流抵消，最終得到期望的電源電流。實(shí)現(xiàn)濾除諧波、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無功、抑制諧振、提高功率因數(shù)等功能。用于非線性、沖擊性和不平衡負(fù)載供電的電力網(wǎng)，解決供電質(zhì)量，降低運(yùn)營成本，促進(jìn)宣全生產(chǎn)。

2　補(bǔ)償前現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析

某公司低壓共5臺(tái)變壓器進(jìn)行供電，主要用電設(shè)備為沖床、壓力機(jī)、空氣錘、液壓機(jī)、中頻爐、碎火、鍛壓機(jī)、切片機(jī)、感應(yīng)爐等，我們根據(jù)設(shè)備用電情況及生產(chǎn)工藝要求進(jìn)行節(jié)能改造現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)調(diào)查。做為試點(diǎn)項(xiàng)目，研究決定從諧波污染較嚴(yán)重的電鍍車間開始治理，電鍍車間由5#變1600KVA低壓開火柜引入。

從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的結(jié)果來看，該企業(yè)非線性負(fù)載產(chǎn)生各次諧波，由于諧波含量大，電流總畸變率超標(biāo)，導(dǎo)致波形發(fā)生明顯畸變，引起額外的線路損耗、接觸損耗、鐵心損耗，造成線路和設(shè)備發(fā)熱，也損害了設(shè)備的正常使用壽命（這一點(diǎn)用戶深有體會(huì)，車間配電柜的并聯(lián)電容器組經(jīng)常有熔斷器熔斷而無法投入運(yùn)行）。經(jīng)分析柱狀圖得出，電壓總畸變率達(dá)5.0%，總諧波電流最大畸變率為26.9%，5次諧波電流有116A，7次諧波電流也有26A之多。從測(cè)量的諧波電壓波形圖可以看出，電流諧波比較大，電壓畸變超標(biāo)。諧波的存在，嚴(yán)重地影響各種電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，并不可避免的給用戶帶來附加損耗。

3　效果驗(yàn)證

3.1　一次連接

將APF接至電鍍車間1#和2#自動(dòng)生產(chǎn)線的隔離開關(guān)下端，采用三相三線并聯(lián)接線方式，見圖2。考慮到電容補(bǔ)償柜的諧波放大，故不在380V母線上連接。

3.2　APF內(nèi)部連接

見圖3。

電源接口：APF設(shè)備具有三個(gè)電源接口(U、V、W)，分別連接于被補(bǔ)償供電系統(tǒng)中A、B、C三相電源。相序不可連接錯(cuò)誤，必須保證為正相序。由于電纜中所流過的為諧波電流，因此在電纜線徑的選擇中應(yīng)注意留有余量。

電流互感器接口：該端口用于連接檢測(cè)負(fù)載側(cè)電流互感器的二次，所連接電流互感器要求具有一級(jí)精度，二次電流為5A，一次側(cè)電流額定值應(yīng)與負(fù)載實(shí)際電流的最大值峰值接近。連接時(shí)，如果互感器一次測(cè)的Pl輸入端口面向被補(bǔ)償負(fù)載，則二次側(cè)中的SI端口輸出應(yīng)連接在電流檢測(cè)電路板的輸入端。

3.3　效果驗(yàn)證

測(cè)試儀器采用美國FLUKE 43B電能質(zhì)量分析儀，軟件采用FLUKE公司專用的電能質(zhì)量分析2.0版本。并聯(lián)電容器組投入運(yùn)行，APF投入運(yùn)行前后數(shù)據(jù)分析：

投入前：5次諧波電流I5=116A。

投入后：5次諧波電流15=14.02A，下降87.9%。

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，APF（并聯(lián)）型投運(yùn)后電能質(zhì)量明顯改善，諧波電流控制在國標(biāo)允許范圍以內(nèi)（國標(biāo)《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波GB/T14549-93》規(guī)定5次諧波電流允許值62A）；諧波電壓總畸變由5%降為4.2%。主要次諧波電流補(bǔ)償率平均達(dá)87%以上，濾波性能好，波形基本接近正弦，達(dá)到了預(yù)期的諧波治理效果。

圖2：APF連接電力一次示意圖

圖3：APF連接圖

4　使用注意事項(xiàng)

（1）正確規(guī)范地安裝APF，降低接觸電阻，設(shè)備接地可靠。

（2）采樣電流互感器準(zhǔn)確級(jí)別達(dá)到l級(jí)及以上。

（3）盡量縮短設(shè)備與負(fù)載的引線長度，考慮諧波電流對(duì)電纜的發(fā)熱影響，適當(dāng)增加引線的截面積。

（4）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，合理調(diào)整數(shù)字信號(hào)處理DSP的電流采樣頻率。

（5）安裝完成，需在滿負(fù)荷情況下，調(diào)試采樣電流電壓的跟蹤速度，達(dá)到自動(dòng)跟蹤諧波負(fù)載的目的。

（6）注意采樣電流互感器的二次極性，防止輸出的諧波被放大的現(xiàn)象，對(duì)有電容補(bǔ)償?shù)慕泳€應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況減去電容補(bǔ)償回路的電流。

（7）設(shè)備所有接線要求用屏蔽或磁環(huán)處理，防電磁干擾。