有源电力滤波器接入点处配电系统谐波估算.pdf

建 鬯丢 _lI_II I 1黟Ui L 0； NG 2口 1 r - t 年 第1 2 期f l l 有源电力滤波器接入点处配电系统谐波估算 洪文化( 厦 门中福元建筑设计研 究院福建省厦 门市3 6 1 0 0 9 ) Ha r mo n i c Es t i ma t i o n o f Di s t r i b u t i o n S y s t e m a t Ac c e s s Po i n t s o f Ac t i v e Po we r F i l t e r Ho n g W e n h u a ( Xi a m e n Z h o n g f u y u a n I n s t i t u t e o f Ar c h i t e c t u r a l D e s i g n a n d Re s e a r c h， Xi a me n 3 6 1 0 0 9 ，F u j i a n P r o v i n c e ，C h i n a ) Ab s t r a c t T h i s p a p e r b r i e fly d e s c r i b e s t h e b a s i c p r i n c i p l e s o f p a r a l l e l c o n ne c t i o n a c t i v e p o we r fi l t e r a s we l l a s t h e d e s i g n s e l e c t i o n p r i n c i p l e s ， a n d p r o p o s e s a n e s t i ma t i o n me t h o d o f h a r mo n i c c u r r e n t f o r d i s t r i b u t i o n s y s t e m a t a c c e s s p o i n t s o f p a r a l l e l c o n n e c t i o n a c t i v e p o we r fi 1 t e r Ke y wo r ds Ac t i v e p o we r fi l t e r Ha r mo ni e s o u r c e Es t i ma t i o n 摘要 简述并联型有源 电力滤波器的基本原理 及设计选用原则 提 出一种并联型有源电力滤 波器接 入点处配电 系统谐波电流 的估算方法 关 键词 谐 波源 谐 波 电流 有 源 电力滤 波 器 估算 随着电力 电子技术的不断发展及广泛应用 电力 系统中各种非线性设备大规模应用 导致 电网中存在 大量的谐波 和问谐波等 谐波 的危害很多书籍 、文章 都有详细的分析介绍 ，在此不再赘述。实践证 明 ，采 用有源 电力滤波器是谐 波治 理行之有效 的方法之一 然而 在工程设计 过程 中 要取得有 源电力滤波器接 人点 处的谐波电流值却是 困难多多 本文提 出一种谐 波电流的估算方法 1 有源 电力滤 波器的基本原理 治理谐波的技术措施可以从两个方面人手 ：一是 从谐 波源 出发 减 少谐 波的产 生 ：二是 安装 滤波 装 置滤除谐 波 日前 主要有两种滤波装置 ，无源电力 滤波器和有源 电力滤波器 无源 电力滤波器是 由滤波 电容器 、电抗器和 电阻器 适当组合而成 的滤波装置 ， 由于仅针对设计次数的谐 波 ，因此对于谐波 次数较 多 或不 确定的电力 系统滤波效果往往不理想 有源 电力滤波器通过外部 电流互感器 实时检测 36 一旦 曼 0 6 4 4 负载电流 并通过内部数字信号处理器计算 提取 出 负载电流 中的谐波成分 然后输出脉宽调制信号给 内 部绝缘栅双极晶体管 使逆变器产生一个 和负载谐波 电流幅值相等 相位相反 的谐波电流注入 电网中达 到消除谐 波的 目的 有源电力滤波器采用基于快 速傅 里叶变换 的数字分析法或基于瞬时无功功率的谐 波检 测方法 具有很快的响应速度 可 以在检测到谐波后 5 m s 内产生所需 的谐波 电流 有源电力滤波器是种 主动型的补偿装置 具有较好 的实时补偿性能 并联 型有源 电力滤波器原理图 如 图 l 所示 图 l 并联 型 有 源 电 力滤 波器 原 理 图 F i g 1 Sc h ema t i c di a g r a m o f pa r a l l e l c o nn c t i o n a c t i v e po we r fil t e r 流 2 选用 并联型 有源 电力滤 波器应 考虑的主 要问题 电力 系统 的谐波 主要是 负荷 的非 线性 特性 引起 的谐 波电流 的幅值通常只与非线性负荷本身 固有的 非线性特性 和工况有关 与外加 的端 电压及外部阻抗 的变化 几乎无关 因此一般认 为电力系统的非线性 负 荷具有 电流源的特性 实 际工程设计 中 选用并联型有源电力 滤波器 主 要考虑以下几个问题 ： 根据补偿效果最佳及 就地 补偿等原则确定 有 源电力滤波器 的接人点 。 b 根据接入点 的电压等级及 配电系统 的型式确 定有源电力滤波器的电压等级及型式 。 c根据需 补偿点 配 电系统 的谐 波次 数及 幅值 ， 选 用有 源电力 滤波器补 偿 电流谐 波次数 的范 围及谐 波 的幅值 对 于 问题 a 有 源 电力 滤 波器 的接 入 点 一般有 3个位置 ：一是变压器低压母线处 ，滤除该 母线处 的 谐波 ：二是某一 区域配电系统处 ，滤除该处 的谐 波 ； 三是末端某几 台重要设备配电箱处 保护该处 的重要 设备 具体在哪几个地方设置 ，要根据补偿要求 、补 偿效果及经济等 因素来确定 这个 问题对设计人员来 说不算 困难 对于问题 b 因为有源电力滤波器 的产 品规格都 写得很清楚 ，如输入 电压 、相数 、频 率等技术参 数 ， 只要根据接人点的电压 等级及 系统 的型式来选用就可 以了 。 对 于问题 c 很多设计人员感 到很 棘手 因为 没 有一个简单而又相对准确的计算式来计算补偿点处 配 电系统 的谐波电流次数及 幅值 在设 计阶段 电气设 计人员往往难以收集到足够 的电气设 备谐波 数据 某 些大工业设备的谐波数据兴许还能收集到 而对 于民 用建筑就很难了 况且在设计阶段 也无法用仪器仪 表来测量配电系统 的谐波 电流 虽然绝大多数有源 电 力谐波器可 以同时滤除 2 6 1 次 的谐波 但接入点谐 波电流的幅值没有确定 选用有源电力滤波器时也不好 选择 。如果有源 电力滤波器 的滤 波电流值选择小 了 配电系统的谐波滤除达不到效果 ：选择大了又很不经 济 下面介绍一种低压配电系统谐波电流估算方法 3 并联 型有源 电力滤 波器接 入点处 配 电 系 统谐波电流的估算 要想取得电力系统 的谐波数据 可以有以下几个 方法： 利用仪器仪表直接测量，如何测量谐波，这 在 I E C 6 1 0 0 0 4 7 电磁兼容 性第 4 7 章 ：测试 与测量技术 电源系统及其 相连设备 的谐波 、间 谐波测量方法和测量仪 器技术标准有关 章节 中有详 细说明。 利用软件仿真，进行谐波分析计算，但这 要有电力系统模型及设备参数。 采用经验公式对电 力系统谐波电流进行计算。 在工程设计 阶段 采用前两种方法来取得谐 波电 流值 显然是很 困难的。设计 阶段进行有 源电力 滤波 器 的设计选用时 采用经验公式计算接入点的谐 波电 流值 ，是 比较简便实用的。当然 ，工程竣工 ，电力 系 统投入运行后 应采用仪器仪表测量分析接入点 的谐 波 电流 ，以便复核 、修正 、调整 。根据多年来对 多个 工程选用并联型有源电力滤波器所积累的经验 ，笔者 总结 出一种并联型有源电力滤波器接人点处配电系统 谐波 电流的估算方法 ，如下式所示。 三相配电系统 ： 如：-= 一k ( 1 ) V 3 c o s 单相配电系统 ： ， ： ( 2 ) c os 式 中： 接入点处 的谐波电流 ，A； 接入点处的设备计算有功功率 ，k W； 接入点处 的额定电压 ，V； eos 接人点处 的功率因数 ： k 补偿系数 一般取 0 0 5 0 2 补偿系数 k分以下 3 种情况来取值 ： a 0 0 50 0 8适 用于一般 谐 波干扰 的工程 如办公楼 、商住楼 、教学楼 、酒店建筑 、博物馆 、展 览馆 、客运站 、普通病房楼等。 b 0 0 8 0 1 5 适用于中等谐波干扰的工程 如 广播 电视楼的传媒 中心演播室 、影剧院的剧场 、体育 建筑场馆、计算机房 、数据中心等 。 c 0 1 50 2 适用 于强谐 波干扰 的工程 如 电信通讯基站 ，存在 电弧炉 、焊接 、电镀 、电解 、整 流等谐波源设备的工厂 当然 个别行业 或场所可 能存 在很强 的谐 波源 这种情况下 k取值要适 当增大 如果 在工程设 计 中 选取的有源电力滤波器额定电流值小 于接人点处的谐 波电流时 有源 电力滤波器输 出的补偿 电流能够 自动 限流在额定 电流值 ，这种情况下谐 波的滤除不彻底 。 建议在 有源电力滤波器接人点处 以及其它一些重要 有源 电力滤波器接人点处配电系统谐波估算 ( 洪文化 3 7 建 虢电乞。 -_ I 2口1口年第1 2期1 8 U I L ， 0 l N G l - e RI C 鬻V 1 2 5 0 k V A 1 2 5 0 k VA l 0 0 4 k V 1 0 0 4 k V ， ， P =9 4 5 k WkW 厂一 董 c s B E 一 。 多功能表 l 多功能表l - L l 多功能表I 多功能表I 盖 I 多功能表 l 多功能表 ： 亨 ： ： 1 l 一 r 一 亍 变 f 应 急电源供 给 配 电 卜 卜 所 卜 _ J 层 配 电 箱 一 ATSE 一 f A P F t V A P F H P D 2 0 0 0 H P D 2 0 0 0 l I 多功能表l l ： I 土 P = 1 2 0 k W s = 0 7 匝 B P m o o o l P = 8 4 k W c O S = 0 8 I s ： 1 59 6A = 重要医疗设备 多 功 能 表 I l I P P 1 ( Kc 0 隔离 变压器 P J s 8 C 二 ) E S 7 1 0 8 k V A C O s = ， ， l 1 s 4 s ； 1 仪 器 专 用 电 源L 报 警 显 示 、 测 试 单 元 AN4 5 0 4 7 1 I MK2 0 0 7 CB M CN C ) 6 A J 绝缘监视仪 f _ l I 三相耦合仪l 1 0 7 T D 4 7 【 s P D S W2 、 J L S D 4 9 0 l 手术室 I H D 9 9 l I I 2 01 0 Vo 1 2 9 N o 1 2 图 2设置 并 联 型有 源 电力滤 波 器的 配 电系统 图 F i g 2 Di s t r i b u t i o n s y s t e m d i a g r a m w h i c h i n s t a l l i n g p a r a l l e l c o n n e c t i o n a c t i v e p o w e r fi l t e r 场所装设 具有谐 波分 析功 能的多 功能表 进行谐 波 分 析 ，检验谐 波滤除的效果 。下面通过 一个工 程实例来 说 明谐波电流 的估算及有源 电力滤波器 的选用。 4工程实例 某新建 医院工程 包括 一栋 1 6层 的住 院楼及一 栋 1 2层的 门诊综合 楼 住 院楼顶 层为手术层 医技 科室设在 门诊综合楼 。该医院有磁共振成像 、全身螺 旋 C T扫描仪 、心电图机 、脑 电图机 、移动式 X射线 机 、高频 电刀 、心电监 护仪 、超声诊断仪等很多先进 医疗设备 这些设备对供电电源质量要求很高 。特别 是检测人体生物 电信号的仪器设备 由于信号非常微 小 ，如果受到干扰 ，就可能在检测结果如波形 、图像 上叠加一种类似病变的谐波干扰信号 导致畸变 造 成误诊 ，还有可能引起微 电击 。因此 ，为了确保 医疗 仪器设备的安全使用 以及人身的安全 我们采用有 源电力滤 波器 和无源 滤波器 组合应 用 的三级保 护体 系，来滤除配电系统 的谐波 。第一级在变配 电所 的低 压母线段设置有源电力滤波器 H P D 2 0 0 0 第 二级在层 配 电箱处设置无源滤波器 H P D 1 0 0 0 第三级 在重要 医 疗设备处设置无 源滤波器 HP D9 9 如 图 2所示 下面来估算各接人点 A点 、B点 、C点处的谐波 电流 ，本 工程 属 于 医院建 筑 ，k 可 取 0 0 6 对 于 A 点 ，根据式 ( 1 ) ： I h = 一k 、 3 G o c o s p ： 0 0 6 、 了 0 3 80 9 5 = 9 0 7 A 根据接入 点处 的谐波 电流 ， 估算 值为 9 0 7 A， 选择有源电力滤波器的技术参数如下 ：补偿 电流 1 0 0 A 输 入 电压 3 8 0 V，三 相 四线 ，频 率 5 0 Hz 滤 波 范 围 ：26 1次谐波 过 载能力 1 2 0响应时 间小于 1 0 0 tx s 等 ，选用 HP D 2 0 0 0有源电力滤波器。 对于 日点 ，根据式( 1 ) ： p = 一k 、 3 u e e o s q ： 0 0 6 、 了 0 3 80 8 =9 6 A 对 于 C点 ，根据式 ( 2 ) ： p G= 一k ue e o s q ： 旦 一 0 06 0 2 20 8 =2 7 A B、C点 的谐波 电流较小 ，分别选用 H P D 1 0 0 0及 H P D 9 9 无源滤波器就可 以了。另外 ，在低压母线段及 一 些馈线 回路上装设具有 电能质量分析功能 的多功能 表 这些多功能表一般都能测量 2 6 0 次 的谐波 以 及 电流 、电压总谐波 畸变率 。工程竣工系统投入使用 后 可以通过 这些多功能表来检验有源电力滤波器滤 除谐波的效果 。本工程投入使用后 ，在变压器负荷率 为 7 l 的情况 下 有 源 电力滤 波器及谐波保 护器 不 接人时用 多功能表测 得 、曰、C三点 的谐 波 电流值 分别为 7 9 5 4 A、8 7 5 A、2 2 6 A和上面 的估算值 差不多 在 这 里顺 便 强 调 一下 谐 波 检测 电流互 感 器 B E ( 见 图 2 )的要求 和安装 位置。B E要求精度在 0 2 级 以上 ，线性度要好 ，并且要求 具有较快 的响应特性 ， 一 般要求信号延时在 1 0 s 以下 ，最好 能够测量直流 信号 满足这些要求 的 B E一般是基 于霍 尔效应的电 流测量模块 。B E的位置要求安装在 电网 的谐波源侧 这样就不会 因为安装 了有源电力 滤波器而影响谐波电 流的检测 5结束语 多年来 ，在有源电力滤波器上的设 计选用上 笔 者感觉 困难多多。因为在工程设计阶段 几乎没办法 准确计算配电系统 的谐波 电流。本文提 出了一种并联 型有源电力 滤波器接人点处配电系统谐波 电流 的估算 方法 ，希望 能够给 同行提供参考 同时非常希望与业 界同仁交流探讨。如有不当之处 ，敬请指教 。 盏 1 姜齐荣 ，赵东元 ，陈建业 有源电力滤波器 结构 原理 控制 北京 ：科学出版社 2 0 0 5 ：4 0 1 0 2 2 0 1 00 6 2 8来稿 2 0 1 01 1 2 5修回 有源电力滤波器接人点处配电系统谐 波估算 ( 洪文化)