混合型有源濾波裝置應用實例解析

劉健平，揭兵有，魯晰坤

(江銅－耶茲銅箔有限公司，江西南昌 330096)

混合型有源濾波裝置應用實例解析

劉健平，揭兵有，魯晰坤

(江銅－耶茲銅箔有限公司，江西南昌 330096)

通過對10kV電源進線上11、13次諧波超標的原因分析，結合無源及有源濾波器的優勢，有針對性地制訂了治理方案并成功實施改造，改造后不但進線功率因素能保證在0.93以上，而且將系統所有頻次的諧波都很好地控制在國標限值以內。

諧波治理;無功補償;無源濾波;有源濾波;混合型有源濾波

1 引言

整流器屬于銅箔廠的核心設備，是為生箔機提供直流電源的裝置，但由于整流器的工作特性，對其供電電源形成了一個典型的非線性負載，以整流器為代表的工業交、直流變換裝置是公用電網中最主要的諧波源之一。自銅箔廠整流器投運以來，其兩路進線電源就一直存在功率因素偏低，多次諧波超標的狀況，供電部門要求限期整改。因此，研究和選用電網諧波治理和無功補償新技術和新裝備具有十分重要的現實意義。

2 銅箔廠整流器系統分析

銅箔廠共有12脈波可控硅整流裝置4套，分別掛在兩路10kV進線上，每路進線各掛兩套整流裝置，容量均為3150 kVA，最大輸出電流直流50kA，最大輸出電壓直流50V。每套整流裝置所帶負載為6臺生箔機。改造前系統圖如圖1所示。

圖1 改造前系統圖

由供電部門對銅箔廠進行的電能質量專項檢測表明，銅箔廠生產線投運后，諧波污染嚴重，通過兩條電源進線注入系統的諧波電流中11、13次超過國標規定的限值。不但增加了輸電線路的能耗，也影響了電網的安全穩定運行。

表1 諧波頻次數據表［2］

諧波的污染與危害主要表現在影響電力設備安全與信號干擾方面:

(1)在電力危害主面:消耗電力系統的無功儲備;增加輸電線損耗;縮短了旋轉電機的壽命;造成電氣元件及設備的故障與損壞，運行安全性下降;使電能計量產生較大誤差［1］。

(2)在信號干擾方面:對通信系統產生電磁干擾，使電話和網絡通訊質量下降;造成重要和敏感的自動控制和保護裝置工作紊亂，誤動和拒動的現象增加，導致可靠性下降;影響功率處理器的正常運行［2］。

在銅箔廠生產現場因電力與信號的干擾，出現過多起類似情況。如，生箔機的主進液管路上的電磁流量計就曾因為電磁干擾太大，不能正常顯示流量，嚴重影響工藝控制的準確，后經技術人員對檢測回路單獨加裝屏蔽裝置，才確保了流量計的正常工作。主整流器與生箔機的PLC控制系統的網絡通訊也因諧波干擾頻繁誤動作，不能保證生箔機系統的正常運行，后通過將通訊電纜由屏蔽電纜改為光纖，才避免了干擾。

但如果我們不從根源上解決諧波的問題，而只是“頭痛醫頭、腳痛醫腳”，不但會浪費大量的人力、物力，而且會因故障來源的隱蔽性與不確定性，大大影響生產的穩定運行。

3 治理方案

由于整流設備沒有裝配有載調壓，也沒有濾波裝置，因此在不同工況下，系統的功率因數差異很大。滿負荷時功率因數可達到0.8左右，低負荷時，整流裝置控制角α偏大，降低了功率因數，功率因數只有0.2左右，考慮到在電網諧波較大的情況下直接投入電容器進行無功補償會造成高頻諧波的放大，可能引起電網不穩定，造成電容器承受高壓，減少電容器的壽命，甚至損壞電容器，銅箔廠決定對系統進行無功補償的同時也進行諧波治理，既提高功率因數，又大幅度降低諧波，保證配電系統安全穩定運行。

因為濾波器兩種功能兼而有之，不但能濾除諧波，而且還能補償基波無功功率，所以特別適合于銅箔廠的情況。

濾波器分有源濾波與無源濾波。無源濾波利用電容、電感元件的諧振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗支路，從而減小流向電網的諧波電流，無源濾波成本低、效率高、結構簡單、維護方便、技術成熟，缺點是體積大、只能對特定諧波進行濾波，對于諧波次數經常變化的負載諧波效果不好，對某些次諧波還會產生放大作用，甚至出現諧振現象［3］。有源諧波則相當于一個諧波電流發生器，它跟蹤諧波源電流中的諧波分量，產生與其相反的諧波電流，從而抵消諧波源中產生的諧波電流，可以對多個諧波源進行集中治理，具有自適應功能，可自動跟蹤補償變化著的諧波，即具有高度可控性和快速響應性等特點，同時還可抑制閃變，補償無功，有一機多能的特點，而且其濾波特性不受系統阻抗等的影響，可消除與系統阻抗發生諧振的危險［4］，但裝置造價較高。

我們綜合考慮了無源濾波器成本低和有源濾波器性能優越的優點，結合銅箔廠的實際情況，將湖南大學電力工程學院成熟的混合型有源濾波技術的科研成果進行了轉化。

銅箔廠現有的主整流器為12脈波整流，產生的特征諧波多為11、13次諧波，故在10kV高壓兩路進線上分別各安裝一套混合型有源濾波裝置，優先考慮采用針對11和13次諧波的兩組無源單調諧濾波器，來濾除大量的11、13次諧波，以降低有源濾波器的容量，針對電網中還存在其它次數的諧波，則采用串聯諧振注入型的有源濾波器，來實現動態治理，迅速響應諧波頻率與大小發生的變化［5］。

混合型有源濾波系統中的11次和13次無源濾波支路分別可補償無功930KVR和620KVR，有源濾波器注入支路可補償無功0KVR－600KVR。就無功而言，混合型有源濾波系統提供的無功在0KVR－2150KVR之間可調，能夠滿足不同工況的要求［6］，保證1#，2#高壓進線處功率因數達到1.0≥COSφ≥0.93。

銅箔廠正常生產時，存在以下四種工況:

(1)僅投運一套整流裝置，且負荷較小;

(2)僅投運一套整流裝置，但負荷較大;

(3)兩套整流裝置都投運，其中一套負荷較大，另一套負荷較小;

(4)兩套整流裝置都投運，且負荷都較大。

根據現場數據和整流器廠家提供的數據，通過電力系統仿真軟件PSIM，對四種典型工況下采用本方案進行無功補償和諧波治理時的系統狀況進行了仿真實驗［1］。

表2 諧波治理仿真表

改造后的系統圖如圖所示:

圖2 改造后系統圖

改造后兩段進線的功率因素都能保證在0.93以上，在11，13次無源濾波器對單次諧波有效治理的基礎上，有源濾波器還對電網中其它次數的諧波，例如:5，7次諧波進行了動態治理，使系統的所有諧波分量都控制在國標限值以內。

4 結束語

混合型有源濾波方式既能濾除特定的諧波，又能動態響應諧波的頻率與大小的變化，而且無功補償容量也動態可調，具有較大的靈活性，可以很好地適應各種工況的變化。實踐表明，采用混合型有源濾波技術是解決工廠動態電能質量問題的有效途徑。

［1］羅安.電網諧波治理和無功補償技術及裝備［M］.北京:中國電力出版社，2005:67－72.

［2］張怡榮.江銅－耶茲銅箔有限公司電能質量論證報告［R］.南昌:江西省電力試驗研究院，2005:23－29.

［3］Robert BHickey.電氣工程師便攜手冊［M］.北京:機械工業出版社，2002:9－14.

［4］電力安全工作規程［K］.北京:國家電網公司，2009:11－18.

［5］陳宏國，黃摯雄.電力諧波治理裝置數據采集系統設計［J］.可編程控制器與工廠自動化，2010(3):71111－14，110.

［6］張明勛.電力電子設備設計和應用手冊［M］.北京:機械工業出版社，1990:56－59.

The Application and Analysis on Hybrid Active Filtering Device

LIU Jian－ping，JIE Bing－you，LU Xi－kun

(Jiangxi Copper－Yates Foils Co.Ltd，Nanchang，Jiangxi 330096，China)

Through analyzing the harmonic wave over－standard reasons of the high 11th，13th harmonic of 110kV power supply and combining advantages of passive filter and active passive filter，the article discusses the settlement method of harmonic elimination，and successful realizes modification.Not only power factor could been kept above 0.93，but also other harmonic waves are controlled in thenational standard.

harmonics eliminating;reactive power compensation;passive filtering;active filtering;hybrid active power filter

TM72

B

1009－3842(2012)05－0080－03

2012－06－21

劉健平(1971－)，男，福建龍巖人，主要從事銅箔公司電氣設備管理工作。E－mail:ljphaohao@yahoo.com.cn