有源电力滤波器在污水处理厂中的应用

马建彬,韩海宁,邱俊华,郝华

（1.中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津300381；2.天津昱丞高科工程设计有限公司，天津300381；3.江门电力设计院有限公司，广东江门529000）

有源电力滤波器在污水处理厂中的应用

马建彬1,韩海宁2,邱俊华3,郝华1

（1.中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津300381；2.天津昱丞高科工程设计有限公司，天津300381；3.江门电力设计院有限公司，广东江门529000）

为减少污水处理设备产生的各次谐波，通过确定主要谐波源，检测和计算谐波分量，采用有源电力滤波器进行谐波治理>，大幅降低了电力系统中的三相电流畸变率，提高了电能质量；抑制了谐波分量，减少了由谐波引起的电气设备故障，保证了电力系统的正常运行。

谐波源；谐波补偿；有源电力滤波器；电流；污水

1 引言

当前，我国的水污染问题日益突出，严重阻碍了经济和社会的发展。作为污水处理主要设施的污水处理厂，为保护环境发挥着巨大的作用。污水处理系统的范围大，容量大，设备众多，直接影响着人们的工作和生活。

根据国家规范，城镇中的大中型污水处理厂的用电负荷等级通常按照二级负荷考虑，并由两回高压线路供电，厂内变电站一般设置两台变压器，以确保供电的可靠性。

污水处理厂中的主要用电设备是风机、水泵类。尤其是曝气鼓风机和进水提升泵等设备，单机功率比较大。而且由于工艺需要，采用变频器控制的设备较多，比如曝气鼓风机常采用变频器调速控制，以调节生化池内的曝气量和供气压力，使生化处理达到最佳运行状态，进水提升泵常采用变频器调速，根据泵池液位调节水泵的转速以实现恒液位控制。

污水处理厂的自动化控制水平都比较高，要求对工艺处理流程中的流量、液位、压力和水质分析等进行检测，采集主要工艺、电气设备的运行状态信号，设置自动控制和自动调节系统，以满足工艺设备的运行要求。以上均需要大量的PLC控制器去实现。

2 谐波补偿装置的比较

目前，污水处理厂谐波治理的主要方法是在电力系统中装设谐波补偿装置。谐波补偿装置又分为无源型和有源型。

无源滤波器是一种由滤波电容器、电阻器、电抗器组合成的滤波装置，与谐波源并联，不仅起到滤波作用，还可进行适当的无功补偿。无源滤波器的缺点主要是受电网阻抗和运行状态影响，容易与电力系统产生并联谐振，致使谐波放大，导致滤波器过载或者烧毁。此外，一个滤波器只能对一个固定频率的谐波进行补偿，且补偿效果不是非常理想[2]。

有源滤波器是一种新型电力电子装置，其工作原理是先检测出补偿对象中的谐波电流，随后补偿装置产生一个补偿电流，补偿电流与该谐波电流大小相等而极性相反，两者相互抵消，从而滤除掉电网中的谐波分量。这种滤波器的优点是可以对频率和幅值都变化的谐波进行补偿，并且补偿特性不会受到电网阻抗和运行状态的影响，因此得到了广泛的应用。

3 有源电力滤波器的应用实例

3.1 项目概述

山西某市污水处理厂工程，安装2台SCB10-800/10 800 kVA 10/0.4 kV干式变压器，低压系统采用单母线分段结线，正常情况下，母联断路器打开，2台变压器并列运行，每台变压器的负荷率约为70%。

厂内主要的大功率变频设备为2台90 kW鼓风机和2台75 kW进水提升泵，由变电站内低压变频柜负责供电及控制，变频器安装在变频控制柜内。全厂主要的电动机负载、PLC柜等也都由变电站内低压开关柜供电，因此厂内的主要谐波源都集中在变电站低压系统内。

3.2 谐波电流的检测与计算

头孢呋辛酯口服混悬液用于治疗由化脓性链球菌敏感菌株引起的3个月至12岁的儿童患者的轻度至中度咽炎/扁桃体炎。

为确定低压系统内谐波的情况，采用谐波检测软件对低压系统内的谐波电压和谐波电流进行检测，检测波形和数据见图1。

从图中可以看出：

（1）实测电压波形畸变率约为1.7%，基本符合国家相关规范。

（2）实测电流的畸变率约为7.9%，电流波形畸变较明显，谐波电流主要为3、5、7次谐波产生。

根据厂内变压器的容量、负荷率以及谐波畸变率，对一段母线上的谐波电流进行计算，谐波电流的计算公式如下：

图1 谐波治理前系统内谐波分量的检测数据

式中符号含义：S为变压器容量，K为变压器负荷率，U为变压器二次侧额定电压；IHR为谐波电流；THDi为电流总谐波畸变率，实测为7.9%。

经计算，

3.3 谐波治理方案

由于厂内的谐波源主要集中在变电站的低压开关柜内，故考虑对谐波进行集中补偿，在低压系统内安装有源电力滤波器，并根据上述谐波电流的计算结果，选择最大输出补偿电流为75 A的滤波器。

由于系统中同时存在谐波补偿装置和无功补偿装置，有源电力滤波器的补偿接入点应在无功补偿装置和谐波负载之间，并尽量靠近谐波负载。同时，有源电力滤波器的补偿接入点应处于采样电流互感器的上游，以此保证采样电流互感器的下游不包含容性负荷电流以及有源电力滤波器自身注入的谐波补偿电流。具体补偿方案见图2。

图2 谐波集中补偿方案

3.4 谐波治理效果

安装有源电力滤波器后，再次对低压系统内的谐波电压和谐波电流进行检测，实测结果见图3。

由图2可看出，在应用有源滤波器之后，系统内的三相电压畸变率由1.7%降为1.5%，三相电流畸变率由7.9%降为4.2%，其中主要的3、5、7次谐波含量明显下降。系统内电流波形变成了光滑的正弦曲线，谐波治理效果显著。采用谐波治理装置的效果如下：

大幅降低电力系统中的三相电流畸变率，一般降幅在50%左右，使电流和电压波形变得光滑完整，提高了电能质量；抑制主要次数的谐波分量，减少了由谐波引起的电气设备故障，保证了电力系统的正常运行。

4 总结

在污水处理厂项目中，应根据实际谐波负载的类型、大小和分布情况，科学合理地选择谐波补偿方案。可采用单一补偿方案，也可同时采用多种补偿方案。当电网中需要同时进行谐波和无功补偿时，也可采用混合动态消谐补偿装置。并根据谐波电流计算，选择合适的有源电力滤波器型号，以达到对污水处理厂电网中谐波治理的目的，保证电源质量和电气设备的安全运行。

图3 谐波治理后系统内谐波分量的检测数据

针对污水处理厂的谐波治理建议：采用电力侧谐波与用户侧谐波同时治理的方案；采用靠近谐波源的方式；根据运行经验，用户侧谐波较为严重会造成精密控制设备的烧毁，故在重要的设备处需要加强谐波治理。

[1]孙美君.工业与民用配电设计手册[M].北京：中国电力出版社2005.

[2]王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制与无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，1998.

App lication of Active Power Filter to Sewage Treatment

MA Jian-bin1,HAN Hai-ning2,QIU Jun-hua3and HAO Hua1
(1.North China Municipal Engineering Design&Research Institute,Tianjin 300381,China; 2.Tianjin Yucheng Hi-tech Engineering Design Co.Ltd.,Tianjin 300381,China; 3.Jiangmen Electric Power Design Institute Co.Ltd.,Jiangmen,Huangdong Province 529000,China)

In order to reduce harmonics generating at sewage treatment equipment,measures of determining main harmonic source,measuring and calculating harmonic components and adopting active power filter for harmonic handling substantially lowered three phase current distortion rate in electric system,improved electric energy quality,curbed harmonic components,eliminated electric equipment fault caused by harmonics and ensured the normal running of electric system.

harmonic source;harmonic compensation;active power filter;current;sewage

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.05.013

2016-05-22

2016-06-12

马建彬（1984—），男，硕士，工程师，主要从事电气设计方面的研究工作。