高精密設備有源濾波供電系統(tǒng)

張 超，張 雷，陳 豪

（1合肥高新技術產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)建筑工程質(zhì)量監(jiān)督站，安徽 合肥 230088；2中國建筑第八工程局有限公司，上海 200120）

1 技術背景

合肥市作為全國科技之城，創(chuàng)新高地，擁有中科院物質(zhì)科學研究院為代表的各類科研機構(gòu)200多個，擁有“合肥微尺度物質(zhì)科學國家實驗室”“國家（合肥）同步輻射實驗室”等多個國家重點科研設施，高端科研設施和實驗室里面存在大量先進精密設備，為了保證設備運行效果的準確性，對供電電能質(zhì)量要求非常高。超標的諧波將導致精密設備工作異常，影響運行效果，嚴重時甚至導致設備損壞。而近年來，節(jié)能設計的要求使得用戶負載特性發(fā)生很大的變化；大量變頻、LED、電子設備的普及采用使得用戶配電系統(tǒng)的諧波含量過高，也嚴重影響了用戶配電系統(tǒng)的安全以及設備的正常工作。

2 重難點分析

有源濾波裝置（APF）是一個電氣行業(yè)的高科技電力電子產(chǎn)品，技術門檻很高。目前國內(nèi)品牌基本上都面臨無法長期穩(wěn)定運行或諧波治理效果不明顯的質(zhì)量問題；而少數(shù)國外品牌已經(jīng)被證明是產(chǎn)品質(zhì)量過關，諧波治理效果良好；能很好地改善用戶的電能質(zhì)量問題，降低事故風險。

對于高端行業(yè)精密設備，有源濾波器的選用應該尤為慎重。如果沒有選用真正的有源濾波器裝置，可能會導致重大事故的產(chǎn)生[1]：

1）嚴重降低供電安全，引起斷路器誤判斷誤跳閘；

2）中性線電流過大導致開關跳閘，甚至引發(fā)線路火災；

3）干擾精密醫(yī)療設備的正常運行，縮短設備使用壽命，嚴重時會損壞昂貴的醫(yī)療設備；

4）燒毀電容柜電容及保護元件、母排。

3 研發(fā)過程

3.1 高次諧波執(zhí)行方式的解決問題

所謂諧波指的是在工頻（50 Hz）基礎上的泛在高頻，例如3次諧波即為150 Hz（工頻的3倍頻），在一些高精密項目中生產(chǎn)方與設計方都明確要求諧波治理頻率范圍需要達到2~61次諧波，對應到50 Hz工頻頻率即有源濾波裝置的需要達到100 Hz~3 kHz的濾波范圍。

3 kHz的高頻對應到50 Hz工頻系統(tǒng)即為60次諧波，對應到60 Hz的工頻系統(tǒng)即為50次諧波。由于精美設備的工作易于受到高頻諧波分量的影響，諧波頻段治理范圍需要達到3 kHz的濾波范圍。

實際項目往往高頻諧波的問題在電能質(zhì)量的領域范疇內(nèi)是容易被忽視的，但是一旦形成危害結(jié)果往往比較嚴重。

這主要是因為高次諧波有著一定的隱蔽性：

1）高頻諧波含量不像3、5、7次等常見諧波，一般含量較小。

2）由于變壓器阻抗對于高頻諧波有著較好的阻斷作用，因此高次諧波一般很少回饋電網(wǎng)，電力部門在10 kV或更高電壓等級中很少監(jiān)測到高次諧波的存在，因此在電網(wǎng)層面不夠重視。

3）由于變壓器對高次諧波有較高的阻抗，比較容易在變壓器副邊形成一定的電壓畸變，進而影響所有的供電設備。嚴重時會引起負載與變壓器的諧振。

4）高次諧波容易在線路末端形成串擾，直接影響用電設備。

5）高次諧波一般在線路上和變壓器端直接以線損、變損的形式形成額外的發(fā)熱消耗掉。

6）有源濾波裝置對于高次諧波相當于一個零阻抗通路，會直接吸收線路中的高頻諧波使之無法形成諧波電壓產(chǎn)生諧波串擾。

針對高次諧波的治理其實對有源濾波裝置提出了一定的性能要求。首先在第一級采樣互感器上高次諧波在采集層面就會產(chǎn)生更高的精度誤差（包括幅值與相位），這要求有源濾波裝置必須針對系統(tǒng)采集端就要具有相關的自動糾錯與動態(tài)恢復機制[2]。

其次更高的補償頻譜范圍對于有源濾波設備的開關頻率也提出了更高的要求。以3 kHz的諧波頻率為例要達到90%以上較好的濾波效果設備的開關頻率因不低于30 kHz。這就要求APF設備在面對不同的諧波頻段時能具有不同開關頻率控制方式，并最終確保補償設備在全頻段下有效的濾除諧波。基于動態(tài)自適應開關頻率的技術其目的就是為了在寬頻域范圍內(nèi)讓補償裝置具有最佳的動態(tài)適應能力與補償效果。

3.2 解決關鍵元器件重要性的問題

IGBT是有源逆變設備內(nèi)部的核心部件，該部件對于有源逆變設備的工作穩(wěn)定性起到了至關重要的作用，雖然目前我國的電力電子技術也在快速發(fā)展，但是目前主要集中以購買國外晶圓國內(nèi)做封裝的業(yè)務模式。且國內(nèi)電力電子技術的發(fā)展主要是以高鐵、電力為支柱產(chǎn)業(yè)的大容量功率傳輸。在中小功率的IGBT工業(yè)類產(chǎn)品其性能與穩(wěn)定性還沒有達到國外同類產(chǎn)品的技術水準。由于在醫(yī)療行業(yè)有源濾波設備的重要性決定了設備的核心IGBT部件應采用國際一流品牌的相關元器件。

3.3 解決有源濾波設備的損耗問題

所有的電力電子設備在運行時都存在一定的損耗，目前標準中對于APF設備的損耗要求是小于5%，目前大部分企業(yè)可以將損耗做到3%。這主要是由核心元器件的性能所決定的。APF類補償設備在工作時損耗主要分成兩個環(huán)節(jié)：一是通態(tài)損耗；二是開關損耗從元器件層面現(xiàn)在無法解決的問題，通過應用層面加以突破。目前在大部分的設計應用中設備內(nèi)部主要采用多模塊并聯(lián)的技術加以擴容。主從熱進備一體化控制方案可以根據(jù)負載的波動情況實時調(diào)節(jié)模塊的工作數(shù)量，并實時分配不同模塊的數(shù)據(jù)容量將整套裝置的損耗做最優(yōu)化處理。例如當負載容量較小時，整個成套設備內(nèi)部只有一個模塊在工作，這時其他模塊處于待機狀態(tài)，只有靜態(tài)功耗（3~5W），當負載波動時設備可以根據(jù)負載的大小實時確認投入模塊的運行數(shù)量。這種控制方式可以最大限度降低設備的開關損耗與補償功耗，在負載變化的綜合工況下設備可以實現(xiàn)最優(yōu)化的補償性能，和最少的能量消耗。為了實現(xiàn)這一控制模式，要求成套柜內(nèi)的全部APF設備有集中控制進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)。本項目成套柜內(nèi)僅有第一臺模塊接入外部采樣互感器作為全局調(diào)控設備使用，其他所有的模塊由主機協(xié)調(diào)工作。再配以的綜合控制系統(tǒng)可以將整套設備的性能做最佳發(fā)揮。

3.4 解決有源濾波設備的損耗問題

目前有源濾波柜內(nèi)部多采用多模塊堆疊的應用方案，其成套維護的便捷度已經(jīng)超過了傳統(tǒng)的無功補償柜的運行方式。這主要得益于電子電子技術的進步與整個電能質(zhì)量行業(yè)的發(fā)展?？觳灏蔚某商讘梅绞娇梢栽诤笃诰S護上給用戶帶來巨大的便捷，讓設備可以在10 min內(nèi)定位并更換相關的部件。同時熱插拔模塊也支持逐步增加模塊投資的分布式方案?？梢栽谇捌谙纫?guī)劃整套電能質(zhì)量設備的最大容量，并根據(jù)實際項目建成的進度分布式采買符合容量匹配要求的模塊。熱插拔模塊相較于傳統(tǒng)方式通過端子或銅排接線，熱插拔采用插頭/插座的方式，實現(xiàn)APF模塊主回路與二次回路的快速連接。如下圖模塊上紅框的快插端子頭所示，包括有一次和二次的插針，模塊通過導軌導向，與固定的插座實現(xiàn)電氣連接，可以簡化現(xiàn)場拆接線纜的工作，可以上線帶點情況下的插接。

4 應用效果與總結(jié)

有源濾波裝置投運后，現(xiàn)場諧波電流被有效治理，諧波電流畸變率由44%下降到4%左右，系統(tǒng)電壓畸變率由治理前的3%降低到1%，有源濾波裝置對現(xiàn)場諧波的治理效果非常顯著。如圖1投置參數(shù)（左）投置后參數(shù)（右）為裝置治理前后的數(shù)據(jù)對比（部分配電系統(tǒng)沒有負載，有源濾波裝置無補償前后數(shù)據(jù)）。