淺談有源濾波器在煙草行業(yè)低壓配電系統(tǒng)中應用的分析

摘要：本文介紹了有源濾波器在低壓配電網(wǎng)絡中的應用，通過實時監(jiān)測供電線路中變頻器、變速傳動裝置、各種直流電源等設備產(chǎn)生的高次諧波，動態(tài)抑制高次諧波，消除諧波電流對供電網(wǎng)絡中設備的危害,降低能源的浪費,提高供電質(zhì)量，確保供電設備及用電設備的安全運行。

關鍵詞：配電；諧波；濾波；補償；有源濾波器
0引言

隨著煙草行業(yè)的飛速發(fā)展,設備技術改造接踵而來，業(yè)內(nèi)已開始把節(jié)能減排作為重點工作啟動并實施。在新完成的技術改造項目中，控制設備采用了大量的變頻器設備。但變頻器設備的非線性負載屬性會給生產(chǎn)配電電網(wǎng)系統(tǒng)中注入大量的諧波電流。諧波電流在電網(wǎng)陽抗上產(chǎn)生的壓降，會使電壓波形變成非正弦，造成生產(chǎn)用電環(huán)境惡化，出現(xiàn)變壓器溫度升高、電容補償器損壞,電纜發(fā)熱絕緣下降,自動化生產(chǎn)線通訊網(wǎng)絡嚴重受干擾，設備信息記錄和傳輸數(shù)據(jù)不完整，數(shù)據(jù)丟失等故障發(fā)生。有源濾波器作為在配電網(wǎng)終中抑制或消除高次諧波的設備，可以提高設備運行的可靠性及企業(yè)設備的供電質(zhì)量,減少因設備誤動作而造成的經(jīng)濟損失及諧波電流在輸配電線路上產(chǎn)生的熱損，從而降低用電設備發(fā)熱，提高設備的使用壽命并減少絕緣老化及設備的維護費用，可減少諧波對系統(tǒng)信號傳輸?shù)挠绊?，增加系統(tǒng)可靠性和電網(wǎng)供電質(zhì)量確保供電網(wǎng)絡運行。

1系統(tǒng)介紹

有源電力濾波器是一種可動態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置。其原理是用補償裝置產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等而性相反的補償電流抵消補償對象中檢測出的諧波電流，*終使電網(wǎng)電流只含基波分量。這種濾波器可保護補償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，并對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償。有源電力濾波器具備高度可控性和響應性，其補償性能優(yōu)于傳統(tǒng)方式，能夠克服無源濾波器的各種缺點，具有一機多用的特點,既能補償各次諧波，亦能抑制閃變、補償無功。此外,還具有:

(1)自適應能力強，可自動跟蹤補償頻率和幅值都在變化的諧波，對補償對象快速響應，并實時動態(tài)補償。

(2)可同時對諧波和無功電流進行補償，補償程度連續(xù)可調(diào)。

(3)補償無功功率時不需要儲能元件，補償諧波電流時所需的儲能元件也不大。

(4)濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，不易與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振。

2系統(tǒng)工作原理

有源電力濾波器工作原理如圖1所示。

圖1有源濾波器工作原理

先檢測出補償對象的電流瞬時值，隨后通過指令電流運算電路得出諧波補償電流的指令信號。該信號控制變流器產(chǎn)生的補償電流可抵消負載電流中的諧波成份及無功電流，*終獲得期望的電源電流。其補償諧波的等效電路圖如圖2所示

圖2補償諧波的等效電路圖

從圖2中可以得到電網(wǎng)側的諧波電流，可用下式描述:

I_sh=I_Lh-I_ch

只要控制有源電力濾波器的輸出電流I_ch使其滿足I_ch=l_Lh,即可使電網(wǎng)側的諧波電流I_sh=0。

3低壓配電系統(tǒng)的安裝與應用

本系統(tǒng)選擇廠區(qū)內(nèi)制絲設備、空調(diào)機組、空壓機及除塵設備等3個不同變頻負載用的變壓器作為試驗測試對象，在安裝有源濾波器后，分別進行滿載測試，并詳細記錄相關數(shù)據(jù)，具體結果所述如下:

3#2000KVA變壓器負載主要是制絲車間動力設備，由于制絲設備大量使用變頻器,變頻器作為典型的非線性負載，在工作過程中同時也作為諧波源,發(fā)出了大量的諧波電流，導致變壓器副邊側電流波形發(fā)生嚴重畸變。3#變壓器正常運行負荷電流在1270A左右，在設備正常運行狀態(tài)下測試出5次諧波電流56A,7次諧波電流37A，11次諧波電流30A，電流畸變率達到6.5%，總諧波電流達到1270X6.5%=82.55A。從測試圖上看電流波形已經(jīng)出現(xiàn)嚴重畸變，電能質(zhì)量受到了非常嚴重的影響,在變壓器副邊側并聯(lián)接入一臺150A有源濾波器對諧波進行集中治理。

4#變壓器負載主要是動力車間21組空調(diào)機組，每組空調(diào)機組有2-3臺75kW變頻器變賴器作為典型的非線性負載，在工作過程中同時也作為諧波源,發(fā)出了大量的諧波電流,導致變壓器副邊側電流波形發(fā)生嚴重畸變。4#變正常運行負荷電流在880A左右，在設備正常運行狀態(tài)下測試,5次諧波電流高達185A,7次諧波達到71A，11次諧波達到37A，13次諧波達到18A、19次諧波達到14A23次諧波達到24A，電流畸變率達到23.7%，總諧波電流達到880X23.7%=208.56A。從測試圖上看電流波形已經(jīng)出現(xiàn)嚴重畸變,電能質(zhì)量受到了非常嚴重的影響，在變壓器副邊側并聯(lián)接入兩臺150A有源濾波裝置對諧波進行集中治理。

6#變壓器負載主要是動力車間的4臺空壓機、2臺真空泵及除塵系統(tǒng)，這些設備使用了大功率變頻器。變頻器作為典型的非線性負載，在工作過程中同時也是諧波源，發(fā)出了大量的諧波電流，導致變壓器副邊側電流波形發(fā)生嚴重奇變。6#變運行負荷電流在1800A左右，在設備正常運行狀態(tài)下測試,5次諧波達到223A、7次諧波達到73A、11次諧波達到49、13次諧波達到22A、17次諧波達到23A，電流畸變率達到13.5%，總諧波電流達到1800X13.5%=243A從測試圖上看電流波形已經(jīng)出現(xiàn)嚴重踏變，電能質(zhì)量受到了非常嚴重的影響,在變壓器副邊制并聯(lián)接入2臺150A有源濾波裝置對諧波進行集中治理。

詳見對3#2000kVA變壓器低壓線制補償與補償后測試數(shù)據(jù)的對比圖，見圖3。

圖13#2000KVA變壓器低壓出線側補償

的諧波電流、諧波電壓及波形圖

圖33#2000KVA變壓器低壓出線側補償后的

諧波電流、諧波電壓及波形圖

4數(shù)據(jù)分析

(1)3#2000kVA變壓器補償?shù)碾娏骰兟?THDI)平均為6.5%,補償以后降為2.2%,電壓畸變率(THDU)為2.4%,補償后降為1.6%，電流波形補償后有明顯變化，波形正弦化。諧波電流補償率為87.26%，總補償效果超出75%。補償后總電流有明顯下降，補償效果比較理想。

(2)4#2000kVA變壓器補償?shù)碾娏骰兟?THDI)平均為23.7%,補償以后降為6.4%電壓畸變率(THDU)為4.9%,補償后降為3.0%,電流波形補償后有明顯變化,波形接近正弦。諧波電流補償率為84.92%，總補償效果超出75%。補償后總電流有明顯下降，總的補償效果比較理想。

(3)6#2000kVA變壓器補償?shù)碾娏骰兟?THDI)平均為13.5%,補償以后降為2.9%，電壓畸變率(THDU)為3.3%,補償后降為1.7%,電流波形補償后有明顯變化，波形接近正弦。諧波電流補償率為87.71%,總補償效果超出75%。補償后總電流有明顯下降，總的補償效果比較理想。

(4)系統(tǒng)諧波得到了有效的降低，波形全部均可得到明顯改善。在設備容量之內(nèi)補償率大于75%;當超出設備補償容量時，設備按*大輸出能力補償。變壓器電流畸變率降低到了6.5%以下，電能質(zhì)量會得到有效的提高。

(5)電能消耗得到有效的節(jié)約和控制，經(jīng)過諧波治理，電能消耗可以得到節(jié)約和控制，設備運行總電流得到下降,節(jié)約能耗在10%以上。

5安科瑞APF有源濾波器產(chǎn)品選型

5.1產(chǎn)品特點

(1)DSP+FPGA控制方式，響應時間短，全數(shù)字控制算法，運行穩(wěn)定；

(2)一機多用，既可補諧波，又可兼補無功，可對2～51次諧波進行全補償或特定次諧波進行補償；

(3)具有完善的橋臂過流保護、直流過壓保護、裝置過溫保護功能；

(4)模塊化設計，體積小，安裝便利，方便擴容；

(5)采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏以實現(xiàn)參數(shù)設置和控制，使用方便，易于操作和維護；

(6)輸出端加裝濾波裝置，降低高頻紋波對電力系統(tǒng)的影響；

(7)多機并聯(lián)，達到較高的電流輸出等；

5.2型號說明

5.3尺寸說明

5.4產(chǎn)品實物展示

ANAPF有源濾波器

6安科瑞智能電容器產(chǎn)品選型

6.1產(chǎn)品概述

AZC/AZCL系列智能電容器是應用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節(jié)省能源、降低線損、提高功率因數(shù)和電能質(zhì)量的新一代無功補償設備。它由智能測控單元，晶閘管復合開關電路，線路保護單元，兩臺共補或一臺分補低壓電力電容器構成?？商娲Ｒ?guī)由熔絲、復合開關或機械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在柜內(nèi)和柜面由導線連接而組成的自動無功補償裝置。具有體積更小，功耗更低，維護方便，使用壽命長，可靠性高的特點，適應現(xiàn)代電網(wǎng)對無功補償?shù)母咭蟆?/p>

AZC/AZCL系列智能電容器采用定式LCD液晶顯示器，可顯示三相母線電壓、三相母線電流、三相功率因數(shù)、頻率、電容器路數(shù)及投切狀態(tài)、有功功率、無功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過內(nèi)部晶閘管復合開關電路，自動尋找適宜投入（切除）點，實現(xiàn)過零投切，具有過壓保護、缺相保護、過諧保護、過溫保護等保護功能。

6.2型號說明

AZC系列智能電容器選型：

AZCL系列智能電容器選型：

6.3產(chǎn)品實物展示

AZC系列智能電容模塊AZCL系列智能電容模塊

安科瑞無功補償裝置智能電容方案

7結束語

經(jīng)過諧波治理后，電能質(zhì)量得到提高，用電環(huán)境得到明顯改善，諧波電流在輸配電線路及設備上產(chǎn)生的熱損失減少,絕緣老化程度降低，設備的維護費用減少，設備的使用壽命延長，生產(chǎn)效率得到提高。同時抑制了諧波對信息化管理底層自控網(wǎng)絡的干擾，增加了信息化管理系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性運行,綜合經(jīng)濟效益顯著，對企業(yè)有效快速發(fā)展有著非常重要的意義。