APF谐波抑制技术的实际应用

程少炜，潘斌，张挺，邱书明，陈宗源

（1.天津电气传动设计研究所，天津 300180；2.天津市津安热电有限公司，天津 300050）

1 引言

20世纪70年代以来，电力电子技术迅猛发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用越来越广泛，因此公用电网的谐波污染十分严重，而且由谐波引起的各种故障、事故也屡见不鲜。谐波和无功问题引起人们越来越多的关注。不少国家和国际学术组织也都制定了限制电力系统和用电设备谐波的标准和规定。

电力系统中无谐波是“绿色”的标志，要求实施“绿色电力电子”的呼声日益高涨。对谐波的治理也成为电工科学技术必须攻克的难关。在这里介绍一种治理谐波的新方式：并联型有源电力滤波PF，以及其现场的实际应用。

2 实例系统和谐波分析

以下为我国某冶炼厂设备配电系统，如图1所示。该设备是1套天车自动化系统。工艺分为提升、下降、行走3部分。其中包括升降电动机、前后方向行走电动机和左右方向行走电动机，均采用交流调速方式，每台电机使用单独的变频器控制。

图1 生产系统框图Fig.1 Block diagram of production system

整流变压器的容量为400kV·A，变比为6 kV／380V。额定输出电流为607A。短路压降为6%。低压侧进线开关的额定电流为630A。整个系统采用1台进线柜，内部装有进线开关、过压保护装置、电压表和电流表等。通过三相贯通母排，给旁边并行排列的变频器控制柜供电。3个变频器控制柜分别控制3台电机的运行。电机额定功率分别为：90kW、60kW 和45kW。众所周知，通用变频器的主回路一般为交－直－交系统，包括整流回路和逆变回路。整流单元把380V／50Hz的工频三相交流电变为直流电，再经过中间回路的滤波电容，得到稳定的直流电压源。然后通过逆变单元再把直流电压变为频率可变的三相交流电压，来驱动交流电机。中小功率的变频器大多采用不可控的二极管组成三相整流桥作为整流单元。整流桥的输入电流是非正弦的，这样就会造成进线变压器的三相输出电流畸变，使谐波电流增加，功率因数降低。

在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅立叶级数分解为基波和高次谐波，谐波次数通常为6N±1（N为自然常数）。如果电源侧电抗充分小、换流重叠μ可以忽略，那么第K次高次谐波电流的有效值为基波电流的1／K。以下是在系统实际运行时测得的数据（无滤波装置时），如图2所示。其中，总电流为113.8 A，电流谐波总畸变率：THDi＝49.8%。其中主要成分是第5次和第7次谐波。其谐波电流含有率分别为I5≈43%，I7≈28%。并同时含有少量的3，11，13，17和19次谐波。已知变压器短路阻抗为6%。可得出其380V电网短路容量为5 MV·A。

图2 治理前测量数据Fig.2 The measurement data before governing

如表1所示，380V公共电网在基准短路容量 为10MV·A时，其5次谐波电流要求为62A以下；同理7次谐波电流要求为44A以下。针对现场实际短路容量为5MV·A，其允许注入谐波电流如下。

表1 电网谐波电流允许值Tab.1 Harmonic current allowable value

允许5次谐波电流：

二者均超过国家标准，尤其是5次谐波，需要治理。

3 谐波的危害以及处理方案

由谐波分析可知，现场5，7次谐波含量很高，造成过中间继电器的误动作，导致主回路接触器线圈意外断开，导致生产暂停，事后检查各电气回路均正常。在生产过程中也出现过工控机意外死机，现场监控出现问题，严重影响到正常的生产使用，并逐步威胁到相关工作人员的人身安全，急需滤波装置对谐波进行治理。

对于谐波的治理，传统上多采用LC滤波器，也称无源滤波器。这种方式虽然结构简单，运行可靠。但也存在一些较难克服的缺点。例如，无源滤波器的设计大多针对特定频率的谐波，只能滤除特定次谐波，存在着与电网发生谐振的可能性。APF指有源电力滤波器，是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置。它能够对大小和频率都变化的谐波、以及变化的无功进行补偿。APF技术的应用，克服了传统滤波器的缺点，实现了动态跟踪补偿；达到既补谐波又补无功的现代工业要求，所以我们选用APF。

APF系统原理如图3所示，装置从系统CT检测电流后，把信号传输给控制与检测系统，经过由＋5V供电的16位高速模数转换芯片ADS8364处理后由DSP（TMS320F2812）芯片采取基于傅里叶变换的算法计算各谐波含量，并得出需要补偿的瞬时电流，然后发出指令给补偿电流发生电路。功率回路接受到信号之后发出PWM调制信号，并驱动IGBT模块发出补偿电流。补偿电流中要补偿的谐波及无功等电流成分相抵消，最终得到期望的电源电流，达到消除谐波的目的。

图3 系统原理图Fig.3 System schematic

基于离散傅里叶变换（DFT）的检测方法：设x（n）是一个长度为N的有限长序列，则定义x（n）的N点离散傅里叶变换为

其中WN＝k＝0，1，…，N－1

当需要补偿负载所产生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出补偿对象负载电流il，通过离散傅里叶变换（DFT）得出谐波分量ilh，将其反极性后作为补偿电流的指令信号，并由补偿电流发生电路产生的补偿电流ic与负载电流中的谐波分量ilh大小相等、方向相反。因此两者相互抵消，使电源电流中is只含基波，不含谐波。通过此方法抑制谐波的产生。

通过FLUKE 43B单相谐波电能质量分析仪检测最大谐波电流约为100A左右，所以选取120A的APF来对谐波进行滤除。

经计算可得装置容量为：±80kvar。对APF的主电路设备进行选型，其功率单元如图4所示。

1）主回路进线开关选为额定电流的1.5倍，即3极180A的断路器即可。

图4 功率单元图Fig.4 Power unit map

2）IGBT选取时应考虑期间在任何静态、动态、过载（如短路）的运行情况下对以下参数给予选择：①器件耐压；②承载电流；③开关频率。套用以往的经验应该选取1 200V，300A的高频IGBT即可，如：FF300R12KS4。

3）直流侧支撑电容的容量选取是由以往的经验公式C＝S／（300π×U×ΔU）计算可得。（S为容量，U为电压等级，ΔU为电压波动）因为直流侧电压等级大约为750V，电压波动约为10V，则计算可得C＝ 120×400×■ 3／（300×3.14×750×10）＝11.8mF。

4）APF预充电电阻的选型：阻值不需要很大，选择10Ω／200W即可。

4 应用结果分析

冶炼厂选用APF对该自动化系统进行谐波治理。把APF与逆变器并联接到进线柜输出的三相贯通母排上，让变频器和有源电力滤波器同时运行。应用于该自动化系统后，我们对现场的数据进行了采集，用谐波分析仪器检测出的数据及波形效果如图5所示。

图5 治理效果图Fig.5 Treatment effect diagram

经过治理后，效果改善十分明显，变压器低压侧的谐波电流总畸变率降低到4.1%，高次谐波含量明显减少。电流波形基本接近正弦，实现了预期目标，而且现场功率因数接近0.9，并不需要我们的装置补偿无功，故只选用了消除谐波。在近1a多的现场实际使用中，再也没有发生过因谐波造成的设备故障损坏。

5 结论

谐波危害正逐步被人们所重视。通过现场实际问题的提出，采用APF有源滤波的现代技术，解决了现场的实际问题，避免因谐波存在造成的潜在危害。也通过APF滤波装置在使用前后主回路波形的对比，证明APF在实际应用的可行性及可靠性。通过实践证明，APF有源电力滤波器可以应用到如冶金、矿山等更广泛的领域。

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