有源电力滤波器在化工企业中的应用

牛永杰

(正和集团股份有限公司,山东 东营 257300)

有源电力滤波器(Active Power Filter，APF)在化工行业的推广使用是在近几年的事情，应用规模不是很大，很多工厂企业主要还是使用低压无功补偿装置。即使安装了有源电力滤波器，也是后期改造加装的设备。因此配电室改善功率因数的设备出现低压无功补偿器和有源电力滤波器并存的状态。出现这种情况增加设备的投资，挤占配电设备资源。有源滤波器其主要的功能是消除谐波，提高电能质量，其次还有提升功率因数的功能。对于配电用户来说，使用何种方式来配置自己的供电设备，需要我们用户来对有源滤波设备和其他补偿设备进行了解和比较，选择适合自己的电能质量改善方式。

1 当前低压无功补偿器运行存在的问题

一般来讲发展几十年的工厂，它所配备的电器设备主要还是电容加电抗模式的补偿单元。这种低压无功补偿装置，使用时间比较早，结构简单，使用经济。通过旋转开关，接触器等控制设备实现人工手动投退，后期能够实现自动投退和手动投退相结合的方式。在使用中，根据配电母线的功率因数大小，来投退电容器组，以实现提升功率因数的目的。特别是在2000年之后，无功补偿控制设备增加了一些先进的检测设备，自动控制多组容抗设备进行投切。通过这些设备，低压无功补偿器能够补偿无功，提升功率因数，同时也能消除固定频率段谐波。它的运行同时还存在许多问题。

1.1 不能适时改善功率因数

人工投退电容器组，经常存在滞后可能性，特别是无人值守的配电室。会造成线路功率因数过低或过高。过低时补偿无功不足；而过高时，出现过补的情况，抬高网络电压，发生无功到送；或者使电网发生谐振，非常危险。

1.2 电容器故障

实现无功补偿的设备就是由多个充油电容器单元组成的电容柜。这种电容器会因使用不当，譬如发生谐振，或者本身质量原因，发生击穿短路，渗油、鼓包，腐蚀等故障，甚至爆炸。

1.3 附件发生故障

电容投退切换回出现短时过流，致使熔丝烧断，控制接触器触头烧损。接触器配线短路，频繁开合时接触器线圈少烧坏；电力压接线因震动等原因松脱，发热而烧损。

1.4 只消除特定频率段的谐波

低压无功补偿器对消除谐波方面，通过设计配置配件，能做到消除5，7，11,13次谐波，对其类型谐波消除不到，消除谐波功能可调性差，补偿特性受电网阻抗和运行状态的影响大，因此对电气设备产生的谐波消除效果不理想。

2 有源电力滤波器是目前改善电能质量，提高功率因数的良好绿色设备

2.1 有源电力滤波器使用背景

随着国家对绿色能源的要求提高，低压供配电网供电质量指标是380v，上下变动不超过10%，频率50HZ，上下变动不超过0.25%[1]。但是一般化工企业，使用许多非线性负载，如电焊机，金卤灯灯具，以及烘炉等负载。长距离的电缆线路，功率因数较低的压缩机等。而这些设备产生的谐波馈入电网，会使用电设备和线路能耗增高，电子设备特别是继电保护器设备失灵或误动、拒动等情况发生。而静态无功补偿器只能改善特定频率段的谐波。因此以可关断电力电子器件(IGBT)为主要元器件的有源电力滤波器产生并开始运用到工厂配电室中。

2.2 有源滤波器基本原理

有源电力滤波器，是采用现代电力电子技术和基于高速数字信号处理器(DSP)数字信号处理技术制成的新型电力谐波治理专用设备。它由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个主要部分组成。指令电流运算电路实时监视线路中的电流，并将模拟电流信号转换为数字信号，送入高速数字信号处理器(DSP)对信号进行处理，将谐波与基波分离，并以脉宽调制(PWM)信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲，驱动IGBT或IPM功率模块，生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，对谐波电流进行补偿或抵消，主动消除电力谐波。一般化工企业使用有源电力滤波器，采用并联接入母线低压母线系统，它直接检测系统的谐波成分，然后通过自身的设备功能，把系统的谐波转化成幅值相同，方向相反的谐波，以冲抵原来的谐波，它可以补偿2-50次的谐波，也可以选择性补偿谐波。许多厂家已经做成功率模块化，根据负荷设计多个模块一起使用。当然，有源电力滤波器主要的功能是滤除谐波，它也能补偿无功。

2.3 有源电力滤波器主要类别

第一类是混合型动态滤波装置的使用。这种动态滤波补偿装置采用同一控制器实现电容分组投切和有源滤波控制；装置可同时实现分组电容投切和动态快速静止无功补偿功能；装置也具有有源滤波功能，可改善电能质量。这种方式等于把静态无功补偿设备和有源电力滤波器组合在一起，通过同一种控制器实现滤波和无功补偿两种功能。有的厂家把它做成套柜式，按照标准配电柜尺寸规格配置安装在配电室中。

第二种是模块化有源电力滤波器。这种方式是把有源电力滤波器按一定功率做成模块，然后根据现场的电网系统的负载大小进行多个模块的组合在一个柜子中，使用一套控制系统，实现消除谐波和提升功率因数的功能。这种方式一般是利用采用可关断电力电子器件(如IGBT)组成自换相桥式电路，经过电抗器并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流。迅速吸收或者发出所需的无功功率，实现快速动态调节无功的目的。作为有源形补偿装置，不仅可以跟踪冲击型负载的冲击电流，而且可以对谐波电流也进行跟踪补偿。工作中，通过调节逆变桥中IGBT器件的开关，可以控制直流逆变到交流的电压的幅值和相位，因此，整个装置相当于一个调相电源。通过检测系统中所需的无功，可以快速发出大小相等、相位相反的无功，实现无功的就地平衡，保持系统实事高高率因数运行。

3 有源电力滤波器使用前后的比较

这两种有源滤波器使用比较，显然第一种还具有低压无功补偿器使用的特点。在某化工企业催化配电室，低压断路器电流860A，三相电流基本平衡。其主要运行设备统计工频泵类额定功率300kW，变频泵类额定功率120kW，风机工频泵类额定功率120kW。配电室至装置电缆，每条长度300至400米。其他负载还有两套套20kVA的UPS不间断电源，一台直流屏柜。安装两台混合型有源滤波器，2016年投入使用，电源质量明显提升。提升效果如下分析。

图1 设备停机状态

图2 设备运行状态

从图1、图2拍摄时间相差30分钟，期间系统电流数值变化不大，投用混合型动态滤波装置补偿电流80A，总谐波电流有效值与基波电流有效值之比(THDI)由25%下降到14%。

混合型动态滤波装置，是很多企业在用的电能优化设备。能达到消除谐波，提升功率因数的功能。但是从使用情况来看，还存在些许不足。由于使用电抗器，往往会产生很大噪音以及热源。而使用接触器，熔断器，电容器，以及复杂的硬接线，都是容易造成设备事故原因。还有就是这样补偿装置一旦安装并投入使用，滤波器额定功率固定不变，一旦配电室扩容。加装用电设备，补偿容量不够用，无法改装。第二种方式，有源电力滤波模块化安装使用。某化工企业炼制装置，其中一台模块化柜子使用环境，低压断路器进线电流600A，主要使用工频泵类额定功率260KW，变频泵类额定功率135KW，工频风机150KW。2018年装置投入运行，有源电力滤波器以多个模块组合方式，统一控制使用。通过图3～图6对比分析效果。

图3 有源电力滤波器停止时电流波形

图4 有源电力滤波器运行时电流波形

图5 有源电力滤波器停止时系统图

图6 有源电力滤波器运行系统图

从图3和图4对比来看，有源电力滤波器检测负载谐波电流并主动提供对应的补偿电流，补偿后的电流几乎是纯正的正弦波电流。系统电流波形改善明显；从图5和图6对比来看，有源电力滤波器补偿电流数值可观。

加装有源电力滤波器后，起到明显改善电能质量的效果。模块化安装使用的有源电力滤波器，可以根据配电负载大小来确定滤波器数量，然后统一设定、控制，使用方便。多个模块化的有源滤波器组合使用，产生较大抵消谐波电流，降低了整体故障停机率。单个APF发生故障或损坏，进行更换处理，不影响组合中其他APF的继续使用。

5 模块化有源滤波器还有那些问题

有源滤波器虽然不会发生电容鼓包，炸裂的故障，但是同样它是发热的设备，因此它必须有良好的通风，降温措施，特别是多个模块的有源滤波器组合在一起的配电柜，更是要保障降温。在改善功率方面，模块化有源电力滤波器也存在不足之处，就是其提升功率方面还有待提高，现在使用情况是谐波消除满足国家标准，但是就提升功率因数来说，基本在0.9左右。因此很多设计配电室还在配合安装静态无功补偿器来提升功率因数。

6 电力滤波展望

随着经济和技术的快速发展，非线性负荷的广泛应用，以及供配电中网络或设备问题造成的电力波形发生畸变，都深入影响着电力能源安全和能耗。有源电力滤波器检测电网波形，用毫秒级的时间响应，消除谐波，补偿电流。未来电能质量提升，将会借助智能技术，高运算速度计算机在在更短的时间内主动检测和处理更多的数据，更快更平稳还原平滑电流波形，同时，对设备和电网不断出现的不确定的甚至无法建模干扰源，给出满足精度的预测和控制措施[2]。

7 结论

从以上图文分析，使用有源滤波器，系统电流波形平滑，节能效果明显。有源电力滤波器能主动地模拟电网特性，补偿响应速度快，消除谐波频率段宽，从而达到改善电能质量，降低能耗，增强电力安全运行的保障。有源电力滤波器的推广使用，意义重大。改善电能质量，降低电力成本，推广使用新技术、新设备，就是更好地为企业提供绿色发展，节约发展创造条件。