淺析有源濾波器在選煤廠供電系統諧波治理中的應用與選型

李明君

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要:針對選煤廠供電系統設計中諧波對電機等設備的影響，在研究了諧波危害以及諸多諧波治理方法的基礎上，采用有緣濾波器抑制供電系統中的諧波分量，從而進一步提高供電系統供電質量。應用效果顯示，使用有源濾波器后的系統運行穩定，諧波分量抑制在可接受范圍內，大部分電流諧波被過濾掉，功率因數由0.92提高到0.97，能夠為以后類似的工程項目提供借鑒，改善礦井及選煤廠電網條件差的現狀。

關鍵詞:選煤廠;供電系統;有源濾波器;諧波治理;諧波分量抑制

0引言

現代化的選煤廠一般都采用PLC或DCS進行自動控制，洗選過程中，由流量、壓力、密度等參數與變頻技術結合形成的閉環控制系統得到更多的應用。在自動化程度提高的同時，由于變頻器等應用增多，非線性的設備接入電網，會將產生的諧波電流反饋到電網中，進而通過電網阻抗產生諧波壓降，引起電網電壓的畸變，供電系統的電能質量下降，不利于系統的安全運行。由于煤礦工業系統技術人員對諧波重視程度不夠，沒有采取有效的諧波抑制措施，導致煤礦供電系統電網質量較差，有諧波引起的機電事故屢屢出現。

1諧波產生原因分析

諧波的產生根據其在供電系統中處的位置不同，原因可大致分為3種情況:電源處本身具有的諧波、電源傳輸時產生諧波及變頻器、電焊機等末端用電設備產生的諧波。廠房中照明使用的氣體放電燈的電路本身含有電弧，電弧的負阻特性也會產生諧波。

對選煤廠來說負載中諧波主要是由變頻器產生的，現代化的洗煤廠，洗選過程通常采用“傳感器—控制器—變頻調節”的模式來進行密度、流量、壓力等工藝參數的自動調節。許多設備都需要使用變頻器，變頻器本身需要對正弦波電流進行“破壞重組”，即變頻的“整流—逆變”過程，在這個過程中會向電網反饋大量的諧波電流。雖然目前對變頻器的制作有諧波量的限制，有時還要在變頻器的輸入側增加電抗器，來降低諧波對電網的影響，但從目前來看，變頻器仍然是選煤廠供電系統主要的諧波來源。

2諧波危害

諧波對選煤廠供電系統的危害有以下方面:

(1)對變壓器的危害

諧波電流對變壓器的危害主要表現在會使變壓器產生附加損耗，變壓器運行時產生溫度升高、噪聲增大。另諧波中含有的無功分量會占據部分變壓器容量，使得變壓器的實際輸出容量變小。在諧波環境下運行，加速絕緣老化，變壓器的壽命也會降低。

(2)對供電線路的危害

諧波電流中含有較大的無功分量，會增加線路的損耗，導致電纜過熱，降低其使用壽命。

(3)對無功補償裝置的危害

諧波電流會對系統的無功補償裝置造成了不同程度的影響，流過補償裝置的電流過大會導致無功補償裝置中的保險絲燒斷，甚至會由于電容過熱導致無功補償裝置中的電容炸裂。

電力諧波除直接威脅無功補償裝置的安全外，其對其他電氣設備壽命和線損的影響及對供配電系統安全運行的影響在很多方面是逐步積累的，其作用過程具有漸進性、隱蔽性。另外諧波還會影響到電力系統中微機自動綜合保護裝置的工作，對系統故障做出錯誤判斷，誤動作或者不動作，影響供電系統的安全運行。因此為保證系統的安全性，應對系統的諧波進行治理。

3諧波治理方式

抑制諧波從原理上來說方法較多，例如:采用較高的電壓等級，電壓等級越高，系統的短路容量越大，以某選煤廠為例，洗選系統采用重介洗煤工藝，對諧波的承受能力也就越強;再有就是增加變頻器等變流設備的脈動數，理論上變流設備反饋回電網的只有kP±1(k=1、2、3…，P為脈動數)次的諧波，可見脈動數越多，諧波的產生量越少。

在工程中抑制諧波的手段主要有2種:①無源濾波即在系統中增加濾波電路;②有源濾波。無源濾波可根據系統的諧波含量設計濾波電路，可濾掉固定頻次的諧波，主要由電感、電容和電阻等元器件按照一定的設計參數組合設計構成的濾波電路，可濾除某一次或多次諧波，具有容量較大、結構簡單、經濟性好等優點，但是受本身原理的制約，其在生產以后就只能濾除某頻率范圍內的諧波。

有源電力濾波器是一種主動性的電流補償諧波治理濾波裝置，可通過互感器對系統電流進行采樣，通過控制器分析中其中的諧波成分，然后控制晶閘管動作，產生一個與諧波電流大小一樣、方向相反的電流反饋到電網中，抵消電網中的諧波。有源電力濾波器可濾除系統中多次及高次諧波，治理效果好，但容量一般不大，且經濟性不如無源濾波器。

4有源濾波器的應用

設有兩套重介洗選流程，自動化程度較高，重介淺槽入料泵、磁選尾礦泵、煤泥泵、加壓過濾機入料泵、壓濾機入料泵等設備均需要變頻控制。根據設備分布，其主要諧波源生產車間為主洗車間，該車間設有3臺10/0.69kV變壓器，變壓器容量為1600kVA，其中2臺各自變壓器負擔一套重介系統的所有設備供電，另一臺則負責為2套重介系統配套的共用設備提供電源。其中1臺變壓器下面帶有6臺變頻器(所帶的電機容量*大為350kW)，設有1套480kVar的電容補償裝置。

在工程調試過程中，由于350kW變頻電機啟動時，使選煤廠內一臺2.2kW的小電機燒毀，更換電機后又出現同樣的現象。根據現場的情況進行分析，初步判斷是系統的諧波較大引起的，隨后對系統的諧波進行了檢測，系統的電壓、電流波形如圖1、圖2、圖3所示，系統A、B、C三相電壓、電流及諧波的數據見表1。

可見，系統電流波形已發生嚴重畸變，電流畸變率已超過30%，其中以5次、7次諧波為主。

圖1電壓波形

圖2電流波形

圖3各次諧波分布

表1三相電壓及電流數據

由表1中基本數據可知，B相諧波電流*大，把B相電流Irms=574.5A，B相基波電流IH1=545.6A，B相電流畸變率THDIb=32.6%代入計算公式:

選擇1套YD-APF有源濾波器進行諧波治理,YD-APF有源濾波器為模塊化設計，可根據需補償的電流容量，自由的選擇模塊數量。根據式(1)的計算結果可知，系統的諧波電流約177.9A,選擇有源濾波器容量為225A,含有3個75A濾波模塊有源濾波器在低壓配電室內與低壓柜并排安裝，取樣互感器取自變壓器低壓出線側，根據系統取樣數據,有源濾波器控制系統能自動計算出系統的諧波分量,并生成一個大小一樣、方向相反的補償電流補償至供電系統中，從而抵消供電系統中的諧波分量,使系統恢復平滑的正弦波形態。有源濾波裝置具有以下功能:

(1)實時監測。YD-APF全功能監控系統實時監測配電系統的電能質量，通過監控系統，可實時讀取電網側、負載側的THD,和THD.各相電流大小.補償前后效果波形圖及有源電力濾波器發出的補償電流大小、波形等一系列電能質量數據,操作簡單，讀取數據方便。

(2)系統設置。YD-APF全功能監控系統可設置工作模式、日期、CT變比及補償模式等一系列功能。設置系統需要密碼才可以操作，保證機器獨立安全運行，所有設置項會記憶并保存在系統中。

(3)后臺監控。YD-APF有源濾波器RS485和網口,通過數據線或網線可與計算機進行通訊。在計算機終端安裝后臺監控軟件，即可實現對有源濾波器的遠程操作和控制,為了解有源濾波器的運行提供了很大的便利。

其工作原理如圖4所示

4有源濾波器工作原理

通過安裝在低壓母線上的電流互感器對母線電流進行采樣,通過YD-APF有源濾波器內置控制器對采樣信號進行分析,找出其中的諧波成分,然后控制晶閘管動作，產生一個與諧波電流大小一致、方向相反的電流反饋到母線上,抵消電網中的諧波

5治理效果分析

投入濾波器后電網電流諧波絕大部分被濾除掉,波形顯示為正弦波，總的電流畸變率由32%降為3.3%，補償率達到87%，功率因數由0.92提高到0.97,350kW變頻電機啟動時燒毀小電機的情況沒有再出現。可見投入有源電力濾波器后,電網中的諧波得到了顯著的抑制，并可以快速對變頻器等在運行過程中產生的諧波快速響應，消除諧波，提高系統的電能質量。

6安科瑞APF有源濾波器產品選型

6.1產品特點

(1)DSP+FPGA控制方式，響應時間短，全數字控制算法，運行穩定；

(2)一機多能，既可補諧波，又可兼補無功，可對2～51次諧波進行全補償或特定次諧波進行補償；

(3)具有完善的橋臂過流保護、直流過壓保護、裝置過溫保護功能；

(4)模塊化設計，體積小，安裝便利，方便擴容；

(5)采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏以實現參數設置和控制，使用方便，易于操作和維護；

(6)輸出端加裝濾波裝置，降低高頻紋波對電力系統的影響；

(7)多機并聯，達到較高的電流輸出等級；

6.2型號說明

6.3尺寸說明

6.4產品實物展示

ANAPF有源濾波器

7安科瑞智能電容器產品選型

7.1產品概述

AZC/AZCL系列智能電容器是應用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節省能源、降低線損、提高功率因數和電能質量的新一代無功補償設備。它由智能測控單元，晶閘管復合開關電路，線路保護單元，兩臺共補或一臺分補低壓電力電容器構成。可替代常規由熔絲、復合開關或機械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在柜內和柜面由導線連接而組成的自動無功補償裝置。具有體積更小，功耗更低，維護方便，使用壽命長，可靠性高的特點，適應現代電網對無功補償的更高要求。

AZC/AZCL系列智能電容器采用定式LCD液晶顯示器，可顯示三相母線電壓、三相母線電流、三相功率因數、頻率、電容器路數及投切狀態、有功功率、無功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過內部晶閘管復合開關電路，自動尋找適宜投入（切除）點，實現過零投切，具有過壓保護、缺相保護、過諧保護、過溫保護等保護功能。

7.2型號說明

AZC系列智能電容器選型：

AZCL系列智能電容器選型：

7.3產品實物展示

AZC系列智能電容模塊AZCL系列智能電容模塊

安科瑞無功補償裝置智能電容方案

8結語

隨著選煤技術的發展,變頻器等非線性設備在選煤廠供電系統中得到越來越多的應用，提升了選煤廠的控制水平,但是其在工作過程中也產生了更多的諧波，為供電系統的運行帶來了新的問題，在現代工程中應重視對諧波的治理，維護供電系統安全可靠的運行。

參考文獻

[1]戴蘇偉，**.直掛式電壓電力有源濾波諧波治理技術[.中州煤炭,2013(7):7273.

[2]曹婷.有源濾波器在選煤廠供電系統諧波治理中的應用[J].能源與環 保,

[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.05版.

作者簡介

李明君，男,現任職于安科瑞電氣股份有限公司。