高精密设备有源滤波供电系统

张 超，张 雷，陈 豪

（1合肥高新技术产业开发区建筑工程质量监督站，安徽 合肥 230088；2中国建筑第八工程局有限公司，上海 200120）

1 技术背景

合肥市作为全国科技之城，创新高地，拥有中科院物质科学研究院为代表的各类科研机构200多个，拥有“合肥微尺度物质科学国家实验室”“国家（合肥）同步辐射实验室”等多个国家重点科研设施，高端科研设施和实验室里面存在大量先进精密设备，为了保证设备运行效果的准确性，对供电电能质量要求非常高。超标的谐波将导致精密设备工作异常，影响运行效果，严重时甚至导致设备损坏。而近年来，节能设计的要求使得用户负载特性发生很大的变化；大量变频、LED、电子设备的普及采用使得用户配电系统的谐波含量过高，也严重影响了用户配电系统的安全以及设备的正常工作。

2 重难点分析

有源滤波装置（APF）是一个电气行业的高科技电力电子产品，技术门槛很高。目前国内品牌基本上都面临无法长期稳定运行或谐波治理效果不明显的质量问题；而少数国外品牌已经被证明是产品质量过关，谐波治理效果良好；能很好地改善用户的电能质量问题，降低事故风险。

对于高端行业精密设备，有源滤波器的选用应该尤为慎重。如果没有选用真正的有源滤波器装置，可能会导致重大事故的产生[1]：

1）严重降低供电安全，引起断路器误判断误跳闸；

2）中性线电流过大导致开关跳闸，甚至引发线路火灾；

3）干扰精密医疗设备的正常运行，缩短设备使用寿命，严重时会损坏昂贵的医疗设备；

4）烧毁电容柜电容及保护元件、母排。

3 研发过程

3.1 高次谐波执行方式的解决问题

所谓谐波指的是在工频（50 Hz）基础上的泛在高频，例如3次谐波即为150 Hz（工频的3倍频），在一些高精密项目中生产方与设计方都明确要求谐波治理频率范围需要达到2~61次谐波，对应到50 Hz工频频率即有源滤波装置的需要达到100 Hz~3 kHz的滤波范围。

3 kHz的高频对应到50 Hz工频系统即为60次谐波，对应到60 Hz的工频系统即为50次谐波。由于精美设备的工作易于受到高频谐波分量的影响，谐波频段治理范围需要达到3 kHz的滤波范围。

实际项目往往高频谐波的问题在电能质量的领域范畴内是容易被忽视的，但是一旦形成危害结果往往比较严重。

这主要是因为高次谐波有着一定的隐蔽性：

1）高频谐波含量不像3、5、7次等常见谐波，一般含量较小。

2）由于变压器阻抗对于高频谐波有着较好的阻断作用，因此高次谐波一般很少回馈电网，电力部门在10 kV或更高电压等级中很少监测到高次谐波的存在，因此在电网层面不够重视。

3）由于变压器对高次谐波有较高的阻抗，比较容易在变压器副边形成一定的电压畸变，进而影响所有的供电设备。严重时会引起负载与变压器的谐振。

4）高次谐波容易在线路末端形成串扰，直接影响用电设备。

5）高次谐波一般在线路上和变压器端直接以线损、变损的形式形成额外的发热消耗掉。

6）有源滤波装置对于高次谐波相当于一个零阻抗通路，会直接吸收线路中的高频谐波使之无法形成谐波电压产生谐波串扰。

针对高次谐波的治理其实对有源滤波装置提出了一定的性能要求。首先在第一级采样互感器上高次谐波在采集层面就会产生更高的精度误差（包括幅值与相位），这要求有源滤波装置必须针对系统采集端就要具有相关的自动纠错与动态恢复机制[2]。

其次更高的补偿频谱范围对于有源滤波设备的开关频率也提出了更高的要求。以3 kHz的谐波频率为例要达到90%以上较好的滤波效果设备的开关频率因不低于30 kHz。这就要求APF设备在面对不同的谐波频段时能具有不同开关频率控制方式，并最终确保补偿设备在全频段下有效的滤除谐波。基于动态自适应开关频率的技术其目的就是为了在宽频域范围内让补偿装置具有最佳的动态适应能力与补偿效果。

3.2 解决关键元器件重要性的问题

IGBT是有源逆变设备内部的核心部件，该部件对于有源逆变设备的工作稳定性起到了至关重要的作用，虽然目前我国的电力电子技术也在快速发展，但是目前主要集中以购买国外晶圆国内做封装的业务模式。且国内电力电子技术的发展主要是以高铁、电力为支柱产业的大容量功率传输。在中小功率的IGBT工业类产品其性能与稳定性还没有达到国外同类产品的技术水准。由于在医疗行业有源滤波设备的重要性决定了设备的核心IGBT部件应采用国际一流品牌的相关元器件。

3.3 解决有源滤波设备的损耗问题

所有的电力电子设备在运行时都存在一定的损耗，目前标准中对于APF设备的损耗要求是小于5%，目前大部分企业可以将损耗做到3%。这主要是由核心元器件的性能所决定的。APF类补偿设备在工作时损耗主要分成两个环节：一是通态损耗；二是开关损耗从元器件层面现在无法解决的问题，通过应用层面加以突破。目前在大部分的设计应用中设备内部主要采用多模块并联的技术加以扩容。主从热进备一体化控制方案可以根据负载的波动情况实时调节模块的工作数量，并实时分配不同模块的数据容量将整套装置的损耗做最优化处理。例如当负载容量较小时，整个成套设备内部只有一个模块在工作，这时其他模块处于待机状态，只有静态功耗（3~5W），当负载波动时设备可以根据负载的大小实时确认投入模块的运行数量。这种控制方式可以最大限度降低设备的开关损耗与补偿功耗，在负载变化的综合工况下设备可以实现最优化的补偿性能，和最少的能量消耗。为了实现这一控制模式，要求成套柜内的全部APF设备有集中控制进行统一协调。本项目成套柜内仅有第一台模块接入外部采样互感器作为全局调控设备使用，其他所有的模块由主机协调工作。再配以的综合控制系统可以将整套设备的性能做最佳发挥。

3.4 解决有源滤波设备的损耗问题

目前有源滤波柜内部多采用多模块堆叠的应用方案，其成套维护的便捷度已经超过了传统的无功补偿柜的运行方式。这主要得益于电子电子技术的进步与整个电能质量行业的发展。快插拔的成套应用方式可以在后期维护上给用户带来巨大的便捷，让设备可以在10 min内定位并更换相关的部件。同时热插拔模块也支持逐步增加模块投资的分布式方案。可以在前期先规划整套电能质量设备的最大容量，并根据实际项目建成的进度分布式采买符合容量匹配要求的模块。热插拔模块相较于传统方式通过端子或铜排接线，热插拔采用插头/插座的方式，实现APF模块主回路与二次回路的快速连接。如下图模块上红框的快插端子头所示，包括有一次和二次的插针，模块通过导轨导向，与固定的插座实现电气连接，可以简化现场拆接线缆的工作，可以上线带点情况下的插接。

4 应用效果与总结

有源滤波装置投运后，现场谐波电流被有效治理，谐波电流畸变率由44%下降到4%左右，系统电压畸变率由治理前的3%降低到1%，有源滤波装置对现场谐波的治理效果非常显著。如图1投置参数（左）投置后参数（右）为装置治理前后的数据对比（部分配电系统没有负载，有源滤波装置无补偿前后数据）。