有源电力滤波器及其在煤矿的应用.pdf

2 0 1 1年第 2期 煤炭工程 有源 电力滤波器及 其在煤矿 的应用 杜 占义 ，王 瑜 ，张 毅 ，张秀滢 ( 中煤邯郸设计工程有限责任公 司，河北 邯郸0 5 6 0 3 1 ) 摘要 ：随着电力电子技术的发展 ，非线性用电设备应用越来越广泛，用电系统谐波污染 日 益严重。文章分析 了谐波对 系统产生的危害，介绍 了有源电力滤波器( A P F ) 谐波补偿的基本原理 和特 点 ，对 目前 配 电 系统采 用 的谐 波 治理 方 式进 行 了分 析 比较 ，从 工程 设 计 角度 给 出 了 A P 1 7容 量的选择方法及设计中应注意的事项 ，并结合设计实例进行 了选用说 明。 关键词 ：谐波；有源滤波器；无功补偿 ；电能质量 中图分类号 ：T N 7 1 3 文献标识码 ：B 文章编号：1 6 7 1 0 9 5 9 ( 2 0 1 1 ) 0 2 - 0 0 1 3 -02 低压配 电系统 中 ，随着节 能政 策 的实 施及 对设 备控制 精度要求 的提 高 ，变频 器等 非线 性设 备 应用 越 来越 广 泛 。 大量非线性设备运行时造 成 的谐 波 污染对 系统 安全稳定 构 成潜在的威胁 ，给 电气设 备运行 环境 带来 不利 的影 响 ，电 能质量问题 已引 起 了广泛关 注。有源 电力滤 波器 ( A P F ) 是 一 种动态抑制谐波 和补偿 系统无 功的 电力 电子装置 ，能有 效 的改善电能质 量 ，延长 电气设 备的使 用 寿命 ，为实 现 国 家倡导的绿色能源提供 一定 的技 术保 证。 3 )使线路损耗加大 、电缆过热 、绝缘 老化 ，严 重时会 使 电缆 “ 放炮” 。 4 )影响 电力 系统 中的继 电保护和 自动装置动作 的准确 性 ，严重时会引发设备误动作 。 5 )谐波会使 电气测量仪表准确性降低 。 6 )严重 干扰通信 、计算机系统 、高精度加工 机械 、检 测仪表等用电设备的使用。 7 )导致 中线 电流过大 ，造成 中线发热甚至火灾等。 1 谐 波及 其危 害 2有源 电力滤 波器 谐 波是一个 周期 电量 的正 弦分 量 ，其频率 多为 基波 频 率的整数倍 ，也称为高次谐波，谐波是非线性用电负荷产 生的。随着电力 电子 技术 的发展 ，由电力 电子器件 构成 的 具有非线性特 性的用 电设备 在矿井 、选 煤 厂及其 附属企 业 中的应用越来越 广泛 ，用 电系统 的谐波 含量越 来越 高 ，谐 波污染状况 日益 严重 ，在低 压配 电 网中谐波 污染 问题显 得 尤为突出 ，由谐 波引起 的事 故频频 发生 ，给厂 矿正 常生 产 带来 了严重 的影 响。因此 ，必须采 取有 效 的措 施来 消除 或 抑制 电网中的高次谐波 。 系统 中的谐波 源可分 为两 大类 ：一 是含半 导体 非线性 元件 的谐 波源 ；二是 含 电弧 和铁磁 非 线性 设 备的谐 波 源 。 一 般 说来 ，电力 电子装置是 电力 系统 中数量最大 的谐 波源 ， 这种装 置的主要类 型是多 相换 流装置 ，包 括整 流器 、逆 变 器、变频装置和软启动器等。谐波的危害主要体现在以下 几个方 面： 1 )增加 电力 电容器损耗 、增加无功输 出 、引起 电容器 过压或过流造成其热击穿损坏 。 2 )使旋转 电机 和变压器过热 、振动和 产生噪声 ，降低 变压器额定容量 ，缩短 电机使用寿命 。 有源电力滤波器 ( A P F ) 是一种 基 于电压源 逆变 器 的用 于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置。该装置 实时检测负荷电流中的谐波分量、基波无功分量，经微机 快速运算 ，通过由大容量 I G B T管组成的三相并联 变流器 向 系统注入补偿电流 ，该 补偿 电流与 负荷 电流 中的谐 波 电流 大小相等、方向相反而互相抵消，保证流人电源变压器的 系统电流及其 他负荷 的 电流是纯 净的正 弦波。该装 置可克 服 L C滤波器 等传统谐波抑制设备 的缺点 ，实现动态跟踪补 偿。另外 ，A P F还可以提供超前或滞后的无功电流，用于 改善电网的功率因数和实现动态无功补偿。 A P F按供 电的类 型分 为直流有 源滤波 器和 交流有 源滤 波器两类 ；从 与补偿对 象 的连接 方式来看 ，分 为并联 型有 源滤波器和串联 型有 源滤波 器两 大类。并联 型有源 滤波器 主要是 治理 电流 谐波 ，串联 型有 源滤 波器主要 是治理 电压 谐 波。实 际应用 中 ，大部分 有源 滤波器属 于交 流并联 型有 源电力 滤波器 。A P F及 其在 低压 配 电 系统 中 的安装 方 式 ， 如图 1 所示 。 目前 ，低压配 电 系统谐 波 治理 主要 采用 L C无 源 滤波 器 、A P F有源滤波器两种方式 。 收稿 日期 ：2 0 1 01 1 2 4 作者简介 ：杜 占义 ( 1 9 6 8一) ，男 ，河北冀州人 ，高级 工程 师 ，现在 中煤 邯郸设 计 工程 有限 责任公 司从 事 电气 设计 工 作 。 1 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 1年第 2期 系统 无功补偿 AP F 线性负荷 非线性负荷 图 1 A P F及其在低压配 电系统中的安装方式 在 电网中加 装 L C无 源滤波 器 的是一 种传统 的补偿 方 式，该方式的优点是结构简单，但只能应用在谐波次数相 对 固定的简单应用场所 ，并存在如下明显不 足： 1 )一条 L C支路只能滤 除一 种频率的谐波 ，在现 场谐 波成分复杂的情况下 ，需要加多个滤波支路 。 2 )补偿谐波时，可能产生多余的基波无功，易造成无 功倒送 。 3 )滤波特性受 电网阻抗和运行状态影 响较 大，系统 阻 抗小的场所补偿效果较差 。 4 )系统阻抗改变时易发生并联谐振 ，电源阻抗和滤波 器产生谐振可导致某些谐波放 大。 5 )参数稳 定性 差 ，特别是 电容 参数 容易 变化 ，导 致 失谐 。 6 )滤波 支路 过 载 时 ，容 易 出现 无 法 正 常 运 行 的 现 象等。 电网中的谐波负荷越来越多，谐波问题 日益复杂，上 述缺点使 L C无源滤波器的应用受到限制，补偿效果受到较 大的影 响。 A P F有源滤 波补 偿是一种 先进 的谐 波补偿 方式 ，它克 服了传统 L C无源滤波的固有缺点，从补偿原理上实现了质 的飞跃 。与传统 的 L C滤波器相 比，A P F具有动态滤除高次 谐波 、抑制闪变 、补偿 无功 、 自动跟 踪负荷变 化等技术 优 势；A P F 滤波效果受 系统阻抗 变化影 响小 ，不用 担心 滤波 器与系统阻抗发生并联谐 振问题 ；单台 A P F可对 2 5 0次 谐波进行补偿，装置简单 ，补偿范围广，克服了L c无源滤 波需要多组单调谐滤波支路组合补偿且补偿面窄的缺点 。 3 A P F容量 的选 择 与使用 中应 注意 的问题 3 1 A P F容量 的选择 对整流装置来讲，产生谐波电流的次数为 n=k P 4 - 1 ， 其 中 n为谐波次 数 ；k为正 整数 1 、2 、3 、4等 ；P为 变频 器脉动数( 如 6脉动 、1 2脉动等) 。 对 6脉动整流装 置 ，其特 征谐 波为 5 、7 、1 1 、1 3等， 对 1 2脉动整流装置 ，其 特征谐波 为 1 1 、1 3 、2 3 、2 5等 。n 次特征谐波电流一般为基波 电流 的 1 n ，即 ， =， ， n ( ， 为基 波 电流) ，非特征谐波电流值取决于控制角 、负荷 和系统阻 抗 ，取 L=( O 1 0 3 ) ， n 。 由 于准确计 算谐波 电流值 比较繁 琐 ， 为简化计算 一般 1 4 可取较低 的特 征谐 波电流作为选取 A P F的依据 。工程实际 中，考虑变频器 附带滤波装 置的作用后 ，可取 变频装置 额 定电流的0 2 0 3 倍作为A P F的额定电流值。 A P F在补偿系统高次谐波的同时，如装置尚有富余容 量 ，还 可对 基波 无 功进 行适 当的 补偿 ，补 偿 电流 计 算公 式为 ： r f ， 一 式中， 无功补偿电流，A； ， 滤波器的容量 ，A； ， 谐波补偿 电流，A。 如 ：设 A P F额定 电流为 3 0 A，若补偿 1 5 A谐波后 ，经 计算还能补偿的无功 电流为 2 6 A。 3 2 A P F使 用 中应 注意 的问题 为更好 的配 置有源 电力 滤波装置 ，减 少设备投 资 ，发 挥设备 的最 大使 用价值 ，对一 般低压 配电系统 ，设计 中应 注意以下几个问题 ： 1 )变频装置尽量安装在同一段母线上，可配置一套 A P F进行谐波治理，减少 A P F装置的安装数量，节省设备 投 资。 2 )新建配电室在设备在安装时 ，一般按照进线 柜、无 功补偿柜、A P F柜、馈m柜的顺序进行布置，使系统一 目 了然 ，便于运行 、观察 、维护。 3 )A P F柜 电流取样 信号应 取 自谐波 电 流侧 ，详见 图 1 。对双电源 、单 A P F系统应注意谐波源两侧均应设置谐波 电流检测互感器 ，并随电源进行实时切换 。 4 )对一般 T业用户 ，谐波负荷多为对称负荷 ，可选用 相i线制 A P F系统 ；对商业 、楼宁等非 工业用户 由于 谐波负荷的不对称性 ，则应选用三相四线制 A P F系统。 4结语 随着 A P F在低压配 电系统 中逐步推广，合理的配置 A P F有源电力滤 波器 ，可将变频 装置等非线 性设备产 生的 谐波降到最低，达到净化 电网、降低系统故障的目的，也 会将工程设计水平 提升到一 个新 的高度 ，更 好的 为用 户服 务。在某 矿井锅炉房 ( 21 0+2 6 t h ) 配电设计 中，为 贯 彻国家节能减排的方针 ，根据工艺专业要求，锅炉鼓风机、 引风机 、循环水泵等配套辅机均采用变频器进行控制，变 频设备运行容量约 4 2 0 k W，占该锅炉房用电设备总容量的 8 0 以上。针对该 系统 的特点 ，设计 配置 了 2套额定 最大 谐波 电流 1 5 0 A的 A P F进行谐 波治理 ，收到 了良好 的效 果。 该锅炉房电气设备 运行正 常，系统谐 波 电流 、谐波 电压均 到达 电能质量 公用电网谐波规定的标准。该系统的成 功运行可为今后矿井、选煤厂电气设计工作提供很好的借 鉴作用。 ( 责任编辑赵巧芝) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m