APF諧波抑制技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

程少煒，潘斌，張挺，邱書明，陳宗源

（1.天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所，天津 300180；2.天津市津安熱電有限公司，天津 300050）

1 引言

20世紀(jì)70年代以來，電力電子技術(shù)迅猛發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通及家庭中的應(yīng)用越來越廣泛，因此公用電網(wǎng)的諧波污染十分嚴(yán)重，而且由諧波引起的各種故障、事故也屢見不鮮。諧波和無功問題引起人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。不少國家和國際學(xué)術(shù)組織也都制定了限制電力系統(tǒng)和用電設(shè)備諧波的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。

電力系統(tǒng)中無諧波是“綠色”的標(biāo)志，要求實(shí)施“綠色電力電子”的呼聲日益高漲。對(duì)諧波的治理也成為電工科學(xué)技術(shù)必須攻克的難關(guān)。在這里介紹一種治理諧波的新方式：并聯(lián)型有源電力濾波PF，以及其現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用。

2 實(shí)例系統(tǒng)和諧波分析

以下為我國某冶煉廠設(shè)備配電系統(tǒng)，如圖1所示。該設(shè)備是1套天車自動(dòng)化系統(tǒng)。工藝分為提升、下降、行走3部分。其中包括升降電動(dòng)機(jī)、前后方向行走電動(dòng)機(jī)和左右方向行走電動(dòng)機(jī)，均采用交流調(diào)速方式，每臺(tái)電機(jī)使用單獨(dú)的變頻器控制。

圖1 生產(chǎn)系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of production system

整流變壓器的容量為400kV·A，變比為6 kV／380V。額定輸出電流為607A。短路壓降為6%。低壓側(cè)進(jìn)線開關(guān)的額定電流為630A。整個(gè)系統(tǒng)采用1臺(tái)進(jìn)線柜，內(nèi)部裝有進(jìn)線開關(guān)、過壓保護(hù)裝置、電壓表和電流表等。通過三相貫通母排，給旁邊并行排列的變頻器控制柜供電。3個(gè)變頻器控制柜分別控制3臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行。電機(jī)額定功率分別為：90kW、60kW 和45kW。眾所周知，通用變頻器的主回路一般為交－直－交系統(tǒng)，包括整流回路和逆變回路。整流單元把380V／50Hz的工頻三相交流電變?yōu)橹绷麟姡俳?jīng)過中間回路的濾波電容，得到穩(wěn)定的直流電壓源。然后通過逆變單元再把直流電壓變?yōu)轭l率可變的三相交流電壓，來驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)。中小功率的變頻器大多采用不可控的二極管組成三相整流橋作為整流單元。整流橋的輸入電流是非正弦的，這樣就會(huì)造成進(jìn)線變壓器的三相輸出電流畸變，使諧波電流增加，功率因數(shù)降低。

在整流回路中，輸入電流的波形為不規(guī)則的矩形波，波形按傅立葉級(jí)數(shù)分解為基波和高次諧波，諧波次數(shù)通常為6N±1（N為自然常數(shù)）。如果電源側(cè)電抗充分小、換流重疊μ可以忽略，那么第K次高次諧波電流的有效值為基波電流的1／K。以下是在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)（無濾波裝置時(shí)），如圖2所示。其中，總電流為113.8 A，電流諧波總畸變率：THDi＝49.8%。其中主要成分是第5次和第7次諧波。其諧波電流含有率分別為I5≈43%，I7≈28%。并同時(shí)含有少量的3，11，13，17和19次諧波。已知變壓器短路阻抗為6%。可得出其380V電網(wǎng)短路容量為5 MV·A。

圖2 治理前測(cè)量數(shù)據(jù)Fig.2 The measurement data before governing

如表1所示，380V公共電網(wǎng)在基準(zhǔn)短路容量 為10MV·A時(shí)，其5次諧波電流要求為62A以下；同理7次諧波電流要求為44A以下。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際短路容量為5MV·A，其允許注入諧波電流如下。

表1 電網(wǎng)諧波電流允許值Tab.1 Harmonic current allowable value

允許5次諧波電流：

二者均超過國家標(biāo)準(zhǔn)，尤其是5次諧波，需要治理。

3 諧波的危害以及處理方案

由諧波分析可知，現(xiàn)場(chǎng)5，7次諧波含量很高，造成過中間繼電器的誤動(dòng)作，導(dǎo)致主回路接觸器線圈意外斷開，導(dǎo)致生產(chǎn)暫停，事后檢查各電氣回路均正常。在生產(chǎn)過程中也出現(xiàn)過工控機(jī)意外死機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控出現(xiàn)問題，嚴(yán)重影響到正常的生產(chǎn)使用，并逐步威脅到相關(guān)工作人員的人身安全，急需濾波裝置對(duì)諧波進(jìn)行治理。

對(duì)于諧波的治理，傳統(tǒng)上多采用LC濾波器，也稱無源濾波器。這種方式雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠。但也存在一些較難克服的缺點(diǎn)。例如，無源濾波器的設(shè)計(jì)大多針對(duì)特定頻率的諧波，只能濾除特定次諧波，存在著與電網(wǎng)發(fā)生諧振的可能性。APF指有源電力濾波器，是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置。它能夠?qū)Υ笮『皖l率都變化的諧波、以及變化的無功進(jìn)行補(bǔ)償。APF技術(shù)的應(yīng)用，克服了傳統(tǒng)濾波器的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償；達(dá)到既補(bǔ)諧波又補(bǔ)無功的現(xiàn)代工業(yè)要求，所以我們選用APF。

APF系統(tǒng)原理如圖3所示，裝置從系統(tǒng)CT檢測(cè)電流后，把信號(hào)傳輸給控制與檢測(cè)系統(tǒng)，經(jīng)過由＋5V供電的16位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS8364處理后由DSP（TMS320F2812）芯片采取基于傅里葉變換的算法計(jì)算各諧波含量，并得出需要補(bǔ)償?shù)乃矔r(shí)電流，然后發(fā)出指令給補(bǔ)償電流發(fā)生電路。功率回路接受到信號(hào)之后發(fā)出PWM調(diào)制信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)IGBT模塊發(fā)出補(bǔ)償電流。補(bǔ)償電流中要補(bǔ)償?shù)闹C波及無功等電流成分相抵消，最終得到期望的電源電流，達(dá)到消除諧波的目的。

圖3 系統(tǒng)原理圖Fig.3 System schematic

基于離散傅里葉變換（DFT）的檢測(cè)方法：設(shè)x（n）是一個(gè)長(zhǎng)度為N的有限長(zhǎng)序列，則定義x（n）的N點(diǎn)離散傅里葉變換為

其中WN＝k＝0，1，…，N－1

當(dāng)需要補(bǔ)償負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流時(shí)，有源電力濾波器檢測(cè)出補(bǔ)償對(duì)象負(fù)載電流il，通過離散傅里葉變換（DFT）得出諧波分量ilh，將其反極性后作為補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，并由補(bǔ)償電流發(fā)生電路產(chǎn)生的補(bǔ)償電流ic與負(fù)載電流中的諧波分量ilh大小相等、方向相反。因此兩者相互抵消，使電源電流中is只含基波，不含諧波。通過此方法抑制諧波的產(chǎn)生。

通過FLUKE 43B單相諧波電能質(zhì)量分析儀檢測(cè)最大諧波電流約為100A左右，所以選取120A的APF來對(duì)諧波進(jìn)行濾除。

經(jīng)計(jì)算可得裝置容量為：±80kvar。對(duì)APF的主電路設(shè)備進(jìn)行選型，其功率單元如圖4所示。

1）主回路進(jìn)線開關(guān)選為額定電流的1.5倍，即3極180A的斷路器即可。

圖4 功率單元圖Fig.4 Power unit map

2）IGBT選取時(shí)應(yīng)考慮期間在任何靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、過載（如短路）的運(yùn)行情況下對(duì)以下參數(shù)給予選擇：①器件耐壓；②承載電流；③開關(guān)頻率。套用以往的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)該選取1 200V，300A的高頻IGBT即可，如：FF300R12KS4。

3）直流側(cè)支撐電容的容量選取是由以往的經(jīng)驗(yàn)公式C＝S／（300π×U×ΔU）計(jì)算可得。（S為容量，U為電壓等級(jí)，ΔU為電壓波動(dòng)）因?yàn)橹绷鱾?cè)電壓等級(jí)大約為750V，電壓波動(dòng)約為10V，則計(jì)算可得C＝ 120×400×■ 3／（300×3.14×750×10）＝11.8mF。

4）APF預(yù)充電電阻的選型：阻值不需要很大，選擇10Ω／200W即可。

4 應(yīng)用結(jié)果分析

冶煉廠選用APF對(duì)該自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行諧波治理。把APF與逆變器并聯(lián)接到進(jìn)線柜輸出的三相貫通母排上，讓變頻器和有源電力濾波器同時(shí)運(yùn)行。應(yīng)用于該自動(dòng)化系統(tǒng)后，我們對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集，用諧波分析儀器檢測(cè)出的數(shù)據(jù)及波形效果如圖5所示。

圖5 治理效果圖Fig.5 Treatment effect diagram

經(jīng)過治理后，效果改善十分明顯，變壓器低壓側(cè)的諧波電流總畸變率降低到4.1%，高次諧波含量明顯減少。電流波形基本接近正弦，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)，而且現(xiàn)場(chǎng)功率因數(shù)接近0.9，并不需要我們的裝置補(bǔ)償無功，故只選用了消除諧波。在近1a多的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用中，再也沒有發(fā)生過因諧波造成的設(shè)備故障損壞。

5 結(jié)論

諧波危害正逐步被人們所重視。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問題的提出，采用APF有源濾波的現(xiàn)代技術(shù)，解決了現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際問題，避免因諧波存在造成的潛在危害。也通過APF濾波裝置在使用前后主回路波形的對(duì)比，證明APF在實(shí)際應(yīng)用的可行性及可靠性。通過實(shí)踐證明，APF有源電力濾波器可以應(yīng)用到如冶金、礦山等更廣泛的領(lǐng)域。

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