有源电力滤波器APF应用实例

文/燕哲

图1：并联型APF系统构成

1　谐波治理基础

1.1　谐波的危害

在系统中日益广泛采用的电力电子装置可灵活方便地变换电路形态，为用户提供高效使用电能的手段。但是也使得电网的谐波污染问题日趋严重，影响供电质量。目前谐波与电磁干扰、功率因数降低已并列为电力系统的三大公害，电力污染日益严重，电力设备只有在清洁的、接近正弦波形的电压和电流下运行才能达到额定的效率。低品质的电力供应不仅会增加线路损耗、接触损耗、发热损耗等电能浪费，还造成电机过热、绝缘老化、干扰设备运行、损害设备部件、缩短设备寿命等问题，甚至引起闪络和火灾等安全事故。近几十年来，各种电力电子装置的迅速普及使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。谐波对公用电网和其它系统的危害大致有以下几个方面：

（1）谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的使用效率，大量的3次谐波流过中线时还会使线路过热甚至发生火灾；

（2）谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短以至损坏，对于补偿用电力电容器和串联电抗而言，高次谐波电流在通过电容器回路时，有可能引起串联谐振或并联谐振现象，引起过热损坏等事故；

（3）谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，特别是负序的影响尤其危险；

（4）谐波会导致电气测量仪表计量不准确；

（5）谐波通过电磁感应和传导耦合等方式会对邻近的通信系统产生干扰，轻者引进噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。

1.2　谐波治理原理简介

有源滤波器(APF)产品是一种采用高频电力电子开关变换技术、模拟和数字混合电路技术进行电流检测和电流注入的新型电力电子装置。用于动态抑制谐波、补偿谐波无功的新型电力电子装置，它能对变化的谐波以及变化的谐波无功进行补偿，其应用可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点，获得比无源滤波器更好的补偿特性，是一种理想的补偿谐波装置。APF主要由采样电流、DSP数字信号电路处理和跟踪电路、PWM驱动电路和IGBT元件组成，软件编程采用DSP美国得州仪器公司的专用程序。

图1所示为最基本的有源滤波器系统构成的原理图。图中，vs表示交流电源，负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功。系统由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。其中指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量；补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流。主电路采用PWM变流器组成。

基本工作原理是：检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消，最终得到期望的电源电流。实现滤除谐波、动态补偿无功、抑制谐振、提高功率因数等功能。用于非线性、冲击性和不平衡负载供电的电力网，解决供电质量，降低运营成本，促进宣全生产。

2　补偿前现场数据分析

某公司低压共5台变压器进行供电，主要用电设备为冲床、压力机、空气锤、液压机、中频炉、碎火、锻压机、切片机、感应炉等，我们根据设备用电情况及生产工艺要求进行节能改造现场数据调查。做为试点项目，研究决定从谐波污染较严重的电镀车间开始治理，电镀车间由5#变1600KVA低压开火柜引入。

从现场调查的结果来看，该企业非线性负载产生各次谐波，由于谐波含量大，电流总畸变率超标，导致波形发生明显畸变，引起额外的线路损耗、接触损耗、铁心损耗，造成线路和设备发热，也损害了设备的正常使用寿命（这一点用户深有体会，车间配电柜的并联电容器组经常有熔断器熔断而无法投入运行）。经分析柱状图得出，电压总畸变率达5.0%，总谐波电流最大畸变率为26.9%，5次谐波电流有116A，7次谐波电流也有26A之多。从测量的谐波电压波形图可以看出，电流谐波比较大，电压畸变超标。谐波的存在，严重地影响各种电气设备的正常运行，并不可避免的给用户带来附加损耗。

3　效果验证

3.1　一次连接

将APF接至电镀车间1#和2#自动生产线的隔离开关下端，采用三相三线并联接线方式，见图2。考虑到电容补偿柜的谐波放大，故不在380V母线上连接。

3.2　APF内部连接

见图3。

电源接口：APF设备具有三个电源接口(U、V、W)，分别连接于被补偿供电系统中A、B、C三相电源。相序不可连接错误，必须保证为正相序。由于电缆中所流过的为谐波电流，因此在电缆线径的选择中应注意留有余量。

电流互感器接口：该端口用于连接检测负载侧电流互感器的二次，所连接电流互感器要求具有一级精度，二次电流为5A，一次侧电流额定值应与负载实际电流的最大值峰值接近。连接时，如果互感器一次测的Pl输入端口面向被补偿负载，则二次侧中的SI端口输出应连接在电流检测电路板的输入端。

3.3　效果验证

测试仪器采用美国FLUKE 43B电能质量分析仪，软件采用FLUKE公司专用的电能质量分析2.0版本。并联电容器组投入运行，APF投入运行前后数据分析：

投入前：5次谐波电流I5=116A。

投入后：5次谐波电流15=14.02A，下降87.9%。

现场检测数据表明，APF（并联）型投运后电能质量明显改善，谐波电流控制在国标允许范围以内（国标《电能质量公用电网谐波GB/T14549-93》规定5次谐波电流允许值62A）；谐波电压总畸变由5%降为4.2%。主要次谐波电流补偿率平均达87%以上，滤波性能好，波形基本接近正弦，达到了预期的谐波治理效果。

图2：APF连接电力一次示意图

图3：APF连接图

4　使用注意事项

（1）正确规范地安装APF，降低接触电阻，设备接地可靠。

（2）采样电流互感器准确级别达到l级及以上。

（3）尽量缩短设备与负载的引线长度，考虑谐波电流对电缆的发热影响，适当增加引线的截面积。

（4）根据现场实际情况，合理调整数字信号处理DSP的电流采样频率。

（5）安装完成，需在满负荷情况下，调试采样电流电压的跟踪速度，达到自动跟踪谐波负载的目的。

（6）注意采样电流互感器的二次极性，防止输出的谐波被放大的现象，对有电容补偿的接线应根据实际情况减去电容补偿回路的电流。

（7）设备所有接线要求用屏蔽或磁环处理，防电磁干扰。