適用于礦山配電系統(tǒng)的混合有源濾波器的研究與選型

張穎姣

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：有源電力濾波器（APF）是一種用于動(dòng)態(tài)抑制電力系統(tǒng)諧波，補(bǔ)償無(wú)功功率的新型電力電子裝置，它能對(duì)大小和頻率變化的諧波以及變化的無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償。本文首先介紹有源濾波器的基本工作原理和分類，然后針對(duì)礦山工況的特點(diǎn)，詳細(xì)介紹一種新型并聯(lián)混合有源濾波器的結(jié)構(gòu)、原理及研究應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：有源濾波；APF；諧波；并聯(lián)混合

1引言

礦山設(shè)備有礦井提升機(jī)、膠帶運(yùn)輸機(jī)、通風(fēng)機(jī)等大型設(shè)備，這些設(shè)備都采用變流器驅(qū)動(dòng)，由于電力電子設(shè)備的固有特性，變流器工作過(guò)程中產(chǎn)生了大量諧波，對(duì)電網(wǎng)造成了嚴(yán)重的諧波污染，需要專門的諧波治理裝置來(lái)進(jìn)行抑制。

20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著電力電子技術(shù)以及PWM控制技術(shù)的發(fā)展，對(duì)供電質(zhì)量提出更高的要求。而傳統(tǒng)的諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償主要采用LC濾波器，它由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，自身存在一定的缺點(diǎn)。而有源電力濾波器（ActivePowerFilter，簡(jiǎn)稱APF）是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)功的新型電力電子裝置，它能夠?qū)Ψ岛皖l率都變化的諧波以及變化的無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償。與無(wú)源濾波器相比，APF具有高度可控性和快速響應(yīng)特性，并能跟蹤補(bǔ)償各次諧波，自動(dòng)產(chǎn)生所需變化的無(wú)功功率。

2無(wú)源濾波器和有源濾波器的性能比較

傳統(tǒng)的諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ遣捎脽o(wú)源濾波器。無(wú)源濾波器由電力電容器、電抗器和電阻器組合而成。其優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)、實(shí)用和可靠。

APF與無(wú)源濾波器相比，有如下特點(diǎn)：

（1）可同時(shí)對(duì)諧波和無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，且補(bǔ)償無(wú)功功率的大小可做到連續(xù)調(diào)節(jié)。

（2）有源濾波裝置是一個(gè)高阻抗電流源，它的接入對(duì)系統(tǒng)阻抗不會(huì)產(chǎn)生影響。

（3）補(bǔ)償無(wú)功功率時(shí)不需要儲(chǔ)能元件。

（4）裝置可以僅輸出所需補(bǔ)償?shù)母叽沃C波電流，不輸出基波無(wú)功功率。

（5）即使補(bǔ)償對(duì)象電流過(guò)大，有源濾波器不會(huì)生過(guò)載，并且能正常發(fā)揮補(bǔ)償作用。

（6）可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，可對(duì)頻率和大小均變化的諧波及變化的無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)補(bǔ)償對(duì)象的變化有極快的響應(yīng)速度。

3APF有源濾波器的原理分析

如下圖1所示為*基本的有源電力濾波器系統(tǒng)的構(gòu)成原理圖。

is

iL

負(fù)載

es

C

ic

R L

主

電

路

指令電流

運(yùn)算電路

HPF

i＊

c

APF

驅(qū)動(dòng)電路

電流跟蹤

控制電路

圖1有源電力濾波器系統(tǒng)的原理圖

圖1中，es表示交流電源，負(fù)載為諧波源，它產(chǎn)生諧波并消耗無(wú)功。有源電力濾波器系統(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)補(bǔ)償電流發(fā)生電路的核心是檢測(cè)出補(bǔ)償對(duì)象電流中的諧波和無(wú)功等電流分量，因此有時(shí)也稱之為諧波和無(wú)功電流檢測(cè)電路。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。在產(chǎn)生補(bǔ)償電流時(shí)，主要由逆變器工作。而在電網(wǎng)向有源電力濾波器直流側(cè)儲(chǔ)能元件充電時(shí)，它就作為整流器工作。兩種工作狀態(tài)無(wú)嚴(yán)格區(qū)分。

4電力有源濾波器的分類

圖2中，負(fù)載為產(chǎn)生諧波的諧波源，變流器和與其相連的電感、直流側(cè)貯能元件（電容）共同組成有源電力濾波器的主回路。與APF并聯(lián)的小容量的一階高通濾波器，主要用于濾除APF所產(chǎn)生的補(bǔ)償電流中開(kāi)關(guān)頻率附近的諧波。

圖3中，并聯(lián)型有源電力濾波器主要補(bǔ)償可看作電流源的諧波源，如直流側(cè)為阻感負(fù)載的整流電路。此時(shí)，APF向電網(wǎng)注入補(bǔ)償電流，抵消諧波源產(chǎn)生的諧波，使電源電流為正弦波。

5新型并聯(lián)混合濾波器的研究

單獨(dú)使用有源濾波器可用在小容量非線性負(fù)載的場(chǎng)合，但是在大容量場(chǎng)合就得采用混合型電力濾波器。按使用的方式可分為兩大類：一類是并聯(lián)混合型電力濾波器，一類是串聯(lián)混合型電力濾波器。在并聯(lián)混合型電力濾波器中，通常需要一個(gè)高帶寬的PWM變流器作為有源濾波器，這又使得現(xiàn)有的混合濾波系統(tǒng)只適應(yīng)于補(bǔ)償對(duì)象在中等功率以下，一般是500KW－10MW。對(duì)于功率大于10MW的非線性負(fù)載，如何抑制所產(chǎn)生的諧波和無(wú)功補(bǔ)償，一直是混合型濾波器研究的重要內(nèi)容。在此介紹一種新型的交流并聯(lián)混合型電力濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得有源濾波器的容量大大減小，小于補(bǔ)償對(duì)象容量的1％，使之應(yīng)用范圍可擴(kuò)展到大功率應(yīng)用場(chǎng)合。

圖4并聯(lián)混合濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖4以單相系統(tǒng)為例，圖中設(shè)置了3次和5次兩條調(diào)諧支路，APF與一個(gè)很小的附加電感La通過(guò)耦合變壓器并聯(lián)后串入無(wú)源濾波器中，耦合變壓起到隔離、匹配PWM變流器的電壓與電流容量的作用。諧波和無(wú)功主要由無(wú)源濾波器補(bǔ)償，而APF的作用是改善無(wú)源濾波器的濾波特性和抑制電網(wǎng)與無(wú)源濾波器之間可能發(fā)生的諧振。

等效電路

sh

對(duì)Ush等效電路

圖5檢測(cè)電網(wǎng)諧波電流控制方法的等效電路作時(shí)，并聯(lián)混合型APF相當(dāng)于受控電流源，其產(chǎn)生的諧波電流如下式所示：

IC＝KS·ISh

只考慮對(duì)ILh的補(bǔ)償特性時(shí)，假設(shè)電源電壓US為正弦波。電源電流的諧波分量ISh、連接點(diǎn)處諧波電壓UTh由下式給出：

式（2）說(shuō)明，對(duì)于ISh而言，圖5a和圖5b是等效的，

由圖看出，這相當(dāng)于給ZSh串接了一個(gè)電阻KsZah或一個(gè)電抗KsZah。如果ZSh＋KSZah垌Zfh＋Zah，則由負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流將流入濾波器。如果KsZah垌Zsh，則濾波特性由Ks決定。

混合型電力濾波器系統(tǒng)對(duì)電源電壓諧波的濾波特性分析，假設(shè)不接負(fù)載（即ILh＝0），此時(shí)有源濾波器相當(dāng)于純電阻KsZah，如圖5c所示。由該等效電路得出

當(dāng)Ks為無(wú)窮大時(shí)，混合型電力濾波器系統(tǒng)可達(dá)到理想的濾波特性如下所示：

從上式看出，當(dāng)Ks足夠大時(shí)，ISh≈0。于是IS＝ISf，即為不含諧波的正弦電流。其優(yōu)點(diǎn)在于將電流引入閉環(huán)控制，不僅能補(bǔ)償ILh產(chǎn)生的IS畸變，而且能補(bǔ)償U(kuò)S畸變引起的IS畸變，并且由以上（4）式（1＋K）sZah的作用，在Zah＋Zfh≈0的情況下，APF能有效抑制電網(wǎng)阻抗和無(wú)源濾波器之間可能發(fā)生的諧振。Ks越大，補(bǔ)償效果越好。

6實(shí)驗(yàn)論證和研究

選用1臺(tái)容量40KVA的新型單相并聯(lián)混合型濾波器的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，對(duì)帶阻感性負(fù)載的單相橋式整流電路進(jìn)行了諧波補(bǔ)償?shù)膶?shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具體參數(shù)如下：

負(fù)載容量：40KVA3次濾波器：L3＝4．25mH，C3＝220μF

5次濾波器：L5＝3．98mH，C3＝87μFLH＝0．43mH

選用儀器：AN87500高性能多通道功率分析儀，普源DS1102C數(shù)字示波器

實(shí)驗(yàn)波形如下圖所示，電力濾波器投入后電源電流波形，分別采用前饋、反饋、復(fù)合控制方式時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖6APF前饋控制—電流波形（左）和頻譜（右）

圖7APF反饋控制—電流波形（左）和頻譜（右）

圖8APF復(fù)合控制—電流波形（左）和頻譜（右）

從波形圖和頻譜圖可以分析出，新型并聯(lián)混合濾波器投入后電源電流的諧波成分大大減少。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，在投入新型并聯(lián)混合濾波器進(jìn)行補(bǔ)償后，電網(wǎng)電流中的3次、5次諧波降低，濾波效果明顯。

7諧波治理的意義

諧波的大量存在，會(huì)造成電力系統(tǒng)電網(wǎng)畸變，使大型礦山的變壓器產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象，網(wǎng)損嚴(yán)重，使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使電氣設(shè)備過(guò)熱、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。對(duì)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行產(chǎn)生影響和危害，直接危及系統(tǒng)的安全運(yùn)行，對(duì)通訊系統(tǒng)的電磁干擾等。利用有源電力濾波器對(duì)煤礦企業(yè)電力系統(tǒng)諧波和無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償?shù)男Ч黠@。諧波的有效治理保證了變壓器的正常運(yùn)行，降低了網(wǎng)損，具有很大的節(jié)能降耗意義。

8安科瑞APF有源濾波器產(chǎn)品選型

8.1產(chǎn)品特點(diǎn)

（1）DSP+FPGA控制方式，響應(yīng)時(shí)間短，全數(shù)字控制算法，運(yùn)行穩(wěn)定；

（2）一機(jī)多能，既可補(bǔ)諧波，又可兼補(bǔ)無(wú)功，可對(duì)2～51次諧波進(jìn)行全補(bǔ)償或指定特定次諧波進(jìn)行補(bǔ)償；

（3）具有完善的橋臂過(guò)流保護(hù)、直流過(guò)壓保護(hù)、裝置過(guò)溫保護(hù)功能；

（4）模塊化設(shè)計(jì)，體積小，安裝便利，方便擴(kuò)容；

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

（6）輸出端加裝濾波裝置，降低高頻紋波對(duì)電力系統(tǒng)的影響；

（7）多機(jī)并聯(lián)，達(dá)到較高的電流輸出等級(jí)；

（8）擁有自主專利技術(shù)。

8.2型號(hào)說(shuō)明

8.3尺寸說(shuō)明

8.4產(chǎn)品實(shí)物展示

ANAPF有源濾波器

9安科瑞智能電容器產(chǎn)品選型

9.1產(chǎn)品概述

AZC/AZCL系列智能電容器是應(yīng)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(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。它由智能測(cè)控單元，晶閘管復(fù)合開(kāi)關(guān)電路，線路保護(hù)單元，兩臺(tái)共補(bǔ)或一臺(tái)分補(bǔ)低壓電力電容器構(gòu)成?？商娲Ｒ?guī)由熔絲、復(fù)合開(kāi)關(guān)或機(jī)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(dǎo)線連接而組成的自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償裝置。具有體積更小，功耗更低，維護(hù)方便，使用壽命長(zhǎng)，可靠性高的特點(diǎn)，適應(yīng)現(xiàn)代電網(wǎng)對(duì)無(wú)功補(bǔ)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(wú)功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過(guò)內(nèi)部晶閘管復(fù)合開(kāi)關(guān)電路，自動(dòng)尋找*佳投入（切除）點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)過(guò)零投切，具有過(guò)壓保護(hù)、缺相保護(hù)、過(guò)諧保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)等保護(hù)功能。

9.2型號(hào)說(shuō)明

AZC系列智能電容器選型：

AZCL系列智能電容器選型：

9.3產(chǎn)品實(shí)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(wú)功補(bǔ)償裝置智能電容方案

10結(jié)束語(yǔ)

有源電力濾波器是諧波治理，改善電能質(zhì)量的重要技術(shù)手段，其應(yīng)用領(lǐng)域涉及到各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。在礦山這樣的大容量用電場(chǎng)合下，由于大量的電力電子變流器的使用，使得電網(wǎng)側(cè)電流存在大量的諧波，而單獨(dú)使用的有源濾波器無(wú)法滿足諧波抑制的需要，而采用并聯(lián)混合型APF由于其便于容量擴(kuò)展，特別適合于礦山工況大容量諧波抑制的需求。因此，該技術(shù)應(yīng)用具有廣闊的市場(chǎng)前景。

審核編輯 黃宇