本
文
摘
要
安科瑞 王晶淼
摘要：由于糖厂配电网络线路长，负荷情况较为复杂，三相不平衡、无功损耗、谐波等电能质量问题突出。市场上出现的无源滤波补偿产品，因其造价大、施工困难和容易与配电系统发生震荡等问题，对比之下有源电力滤波器的的优势更加彰显出来。有源滤波器具备无功、谐波及三相不平衡的动态跟踪与调整功能，在配电网络中得到了广泛的应用。本文基于现场实际应用需求，通过优化装置结构，提出了模块化且安装方便的低压有源电力滤波器治理方案。通过在糖厂实际生产工况下运行测试，对其功能进行验证，证明了其消除低压侧三相不平衡，补偿无功功率，降低谐波的可行性，对提高糖厂配网电能质量具有重要的意义。
关键词：有源电力滤波器；谐波治理；无功补偿；三相不平衡治理
0、前言
西南区位于我国偏远山区，低压配电网用电负荷持续增长、配电网长距离输电造成能耗损失、电网电压不稳定等问题，一直困扰着当地电力运维人员。对电力系统进行无功补偿，可以稳定电网电压，提高功率因数、提高设备利用率和输电能力，提高电力系统运行的安全性。传统的无功补偿方式有同步调相机、开关投切电容器组等。同步调相机投资高，运行、维护复杂，响应速度慢，而开关投切电容器组多采用接触器投切和手动投切，在投切电容器时所产生较大的过电压和冲击电流易造成电容器的损坏。有源电力滤波器(简称APF)与静止无功发生器(简称SVG)是目前治理谐波、无功等电能质量问题的先进补偿设备。传统低压无功功率补偿装置采用晶闸管投切电容或电抗器，输出不能连续可调的容性无功功率，响应时间在2～3个电网周期，施工安装占地面积较大，对系统参数有一定依赖性，并有放大谐波的可能。静止无功发生器采用高频大功率开关器件组成的自换相桥式电路，逆变输出相位和幅值可调的电压，可实现从感性无功到容性无功的双向连续可调，响应速度比传统的无功补偿装置快，自身功耗比静止无功补偿器小，具有很好的应用前景。
本文基于电力电子技术，结合了有源电力滤波器技术，优化现有谐波治理装置的主模块和控制模块，并在相应项目上进行应用。滤波器在容量满足的情况下，可同时进行三相不平衡治理、无功补偿、谐波电流的治理。当补偿对象总容量超过现有模块的补偿容量时，可增加模块与现有模块并联，满足等效容量大于或等于待补偿对象总容量的要求，为后期模块化低压有源电力滤波器的深入推广应用提供了强有力的技术支撑。
1、有源电力滤波器的工作原理及结构
有源电力滤波器的工作原理如图1所示，主要由负载电流分离、指令电流调节、输出电流控制、驱动电路以及主电路组成。它采用电流型变流器，经连接电抗器接入系统，通过调整交流侧逆变输出电压的瞬时幅值与相位，或直接控制交流侧输出电流，使装置发出或吸收宽频谱无功功率。基于电力电子的有源电力滤波器装置并联于电网中，相当于一个可控的无功及谐波电流源，其无功及谐波电流可以快速地跟随负荷无功电流的变化而变化，自动补偿电网系统所需无功及谐波，并且可以实现从感性无功到容性无功的全范围补偿，同时对电网电压进行动态稳定调节。
图1 有源电力滤波器工作原理图
有源电力滤波器的系统结构如图2所示，当滤波器并联在电网上运行时，通过电流互感器检测三相负载电流，通过电压互感器检测三相负载电压，计算出三相负载的无功成分和不平衡成分，并进一步计算相应的补偿指令电流，利用PWM控制电力电子功率开关器件动作，不同的开关组合可以实现补偿指令电流的波形合成。当装置运行时，电网电压与变流器交流侧逆变输出的交流电压共同作用在连接电抗器上，加在连接电抗器上的电压为二者之差，通过连接电抗的电流为加在电抗上的电压除以其等效感抗值。由于电网电压不变，调节变流器输出电压的幅值和相位，即可改变加在连接电抗的电压，进而控制变流器两端的电流，通过控制开关管的开关状态及开关作用时间的长短，即可达到调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位的目的，使电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿。当忽略线路损耗时，存在逆变输出电压幅值大于电网电压幅值时，装置输出感性无功；当逆变输出电压幅值小于电网电压幅值时，装置输出容性无功；当逆变输出电压幅值等于电网电压幅值时，装置不输出无功。实际运行中，线路损耗是必然存在的，考虑这些损耗时，变流器交流侧输出电压与交流侧输出电流的相位差仍为90°，而电网电压与交流侧输出电流的相位差不再是90°，即电网电压与变流器交流侧输出电压有一个相位差，通过改变交流器交流侧输出电压的幅值及该相位差，即可实现改变输出电流的相位与幅值的目的。
当滤波器补偿谐波时，电流互感器检测三相负载电流，计算出三相负载电流的谐波成分，将计算出的谐波成分进行取反作为补偿指令电流，通过PWM控制电力电子功率开关器件动作，实现谐波补偿指令电流的合成，并通过变流器交流侧逆变输出。负载产生的谐波向电网侧反馈，与变流器逆变出的谐波补偿指令电流在并网处相叠加，由于负载产生的谐波电流与逆变出的谐波补偿指令电流大小相等且方向相反，负载产生的谐波电流将被抵消，实现谐波治理；当装置作为三相平衡装置时，由互感器采集三相负载电流，并由系统判断三相负载是否处于不平衡状态，当检测到三相不平衡时，PWM控制负荷电流较大相的开关管动作，经变流器的自换相桥式电路使负荷电流较大相的电流整流为直流电存储在直流侧电容内，某个瞬时，PWM控制负荷电流较小相的开关动作，经变流器逆变输出并释放到负荷电流较小相，实现电流由负荷较大相转移到负荷较小相，实现三相平衡。
图2 有源电力滤波器系统结构图
2、装置设计及功能特点
本文提出的有源电力滤波器可以满足以下应用需求，当网架结构、负荷特性、电源特性等发生变化时，或局部点对无功补偿的需求发生较大的变化时，避免固定式的谐波治理装置被弃而不用的情况发生，同时能快速进行无功补偿，提高电压质量，避免居民用电投诉的发生。有源电力滤波器采用模块化 *** 式设计，集三相不平衡治理、谐波抑制和无功补偿功能为一体，方便运维人员安装拆卸，同时也方便将来用电负荷发生变化扩展补偿容量。
该有源滤波装置主要特点有以下几个方面：
1）补偿方式灵活：既可补谐波，又可兼补无功，可对2-51次谐波进行全补偿或指定特定次谐波进行补偿，同时可治理三相不平衡问题；
2）线性补偿，全响应时间≤5ms；
3）具有人性化的人机交互界面，可通过该界面看到系统和本体的实时电能质量信息，操作简单，可以远控，也可以本控；
4）采用DSP高速检测和运算的数字控制系统和进口IGBT，功率密度大，可靠性高；
5）监控以及显示具备远程通讯接口，可以通过PC机实时监控；
6）标准模块化设计，缩短交付周期，同时提高了使用的可靠性和可维护性。
有源电力滤波器可采用壁挂和整柜方式安装，同时可实现集中和就地治理，如图3所示的产品，给安装、 维护及日后升级带来了便捷，提高了整体的安装效率。
图3 有源电力滤波器产品示意图
3、在西南某糖厂中的应用测试
糖厂在生产过程中，电能消耗大，一方面压榨机直流传动系统所产生高次谐波对电网影响较大，另一方面糖厂大型离心分蜜机在运行过程中频繁启停、升速、降速，负荷变化频繁，因此功率因数偏低，三相不平衡严重。谐波、无功和三相不平衡造成线路损耗大，电压和电流波形畸变，对糖厂电子设备、计量仪表和配电系统存在一定安全隐患。所设计的模块化有源电力滤波器可以很好地解决谐波、无功和三相不平衡问题。因此选取西南某糖厂对设计的模块化有源电力滤波器进行应用测试。
在测试过程中，用Fluke电能质量测试仪检测并记录治理前后的电能质量参数，将无功源、三相不平衡负载和谐波源加入，对比装置在投入前后的数据，测试补偿装置的治理效果。按测试系统的不同组合，共分为7个不同的试验组合进行测试，包括单独治理无功测试，单独治理谐波测试，单独治理三相不平衡测试，同时治理谐波与无功测试，同时治理谐波与三相不平衡测试，同时治理无功与三相不平衡测试及同时治理谐波、无功和三相不平衡测试。无功模拟源输出20A，谐波模拟源输出20A，A、B、C 三相负载电流为50A、30A、30A时有源电力滤波器的综合治理效果如图4、图5。
试验时，系统通电2min后，按试验需求投入不平衡负载、谐波模拟源和无功模拟源，4 min后投入有源电力滤波器装置，通过电能质量测试仪读取
相关分析数据。测试三相不平衡治理效果、测试无功补偿效果和谐波抑制效果时，把对应的模拟源和负载接上即可。需要测试装置的综合治理效果时，把对应需要用到的模拟源或负载进行连接，记录综合测试的相关电能参数。
测试完成，采用4模块并联方式进行安装应用，应用过程中通过系统后台软件对装置进行远程监控，实时检测装置的运行状态，包括故障次数、电压、电流、电能、谐波畸变率、功率因数、三相不平衡度等参数。检测结果如图6、图7和图8。从功能测试数据和应用监控数据分析，经有源电力滤波器治理后，三相不平衡度均小于5%，三相不平衡度减小可达115.6%，且功率因数明显提升，功率因数增加了88%，谐波电流被抵消，电流畸变率补偿前后差较大，并且谐波含量越高，治理效果越好。综合试验结果数据和曲线得出，测试运行的低压配电网快拆快装有源电力滤波器可以快速的补偿无功功率、治理电网谐波、平衡三相负荷。
图4 滤波设备使用前、后无功功率变化
图5 滤波设备使用前、后谐波电流变化
图6 治理前三相电流
图7 治理后三相电流
图8 治理后三相功率及功率因数
4、总结
本文主要介绍了有源电力滤波器模块化集成的结构设计和工作原理，并通过现场实际应用证明了滤波器设备的实用性。通过在西南某糖厂中的应用，验证了有源滤波器设备可快速地治理无功及谐波电流，并且解决糖厂用电负荷增长带来的电能质量恶化问题，对提高糖厂电子设备、仪器仪表的准确计量和整体供电能力、安全运行及经济效益具有重要的意义。
