王勝鑫 / 孫先利 / 李 金

1.吉林煙草工業(yè)有限責(zé)任公司延吉卷煙廠， 吉林 延吉 133001 2.延邊巨龍信息技術(shù)有限公司，吉林 延吉 133000

0 引言

隨著煙草行業(yè)的飛速發(fā)展，設(shè)備技術(shù)改造接踵而來，業(yè)內(nèi)已開始把節(jié)能減排作為重點(diǎn)工作全面啟動(dòng)并實(shí)施。在新完成的技術(shù)改造項(xiàng)目中，控制設(shè)備采用了大量的變頻器設(shè)備。但變頻器設(shè)備的非線性負(fù)載屬性會(huì)給生產(chǎn)配電電網(wǎng)系統(tǒng)中注入大量的諧波電流。諧波電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生的壓降，會(huì)使電壓波形變成非正弦，造成生產(chǎn)用電環(huán)境惡化，出現(xiàn)變壓器溫度升高、電容補(bǔ)償器損壞，電纜發(fā)熱絕緣下降，自動(dòng)化生產(chǎn)線通訊網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)重受干擾，設(shè)備信息記錄和傳輸數(shù)據(jù)不完整，數(shù)據(jù)丟失等故障發(fā)生。

有源濾波器作為在配電網(wǎng)絡(luò)中抑制或消除高次諧波的設(shè)備，可以提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性及企業(yè)設(shè)備的供電質(zhì)量，減少因設(shè)備誤動(dòng)作而造成的經(jīng)濟(jì)損失及諧波電流在輸配電線路上產(chǎn)生的熱損，從而降低用電設(shè)備發(fā)熱，提高設(shè)備的使用壽命并減少絕緣老化及設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用，可減少諧波對(duì)系統(tǒng)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，增加系統(tǒng)可靠性和電網(wǎng)供電質(zhì)量，保證供電網(wǎng)絡(luò)高效運(yùn)行。

1 系統(tǒng)介紹

有源電力濾波器是一種可動(dòng)態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置。其原理是用補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等而極性相反的補(bǔ)償電流抵消補(bǔ)償對(duì)象中檢測出的諧波電流，最終使電網(wǎng)電流只含基波分量。這種濾波器可保護(hù)補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，并對(duì)頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償。有源電力濾波器具備高度可控性和響應(yīng)性，其補(bǔ)償性能優(yōu)于傳統(tǒng)方式，能夠克服無源濾波器的各種缺點(diǎn)，具有一機(jī)多能的特點(diǎn)，既能補(bǔ)償各次諧波，亦能抑制閃變、補(bǔ)償無功。此外，還具有：

（1）自適應(yīng)能力強(qiáng)，可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償頻率和幅值都在變化的諧波，對(duì)補(bǔ)償對(duì)象快速響應(yīng)，并實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

（2）可同時(shí)對(duì)諧波和無功電流進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償程度連續(xù)可調(diào)。

（3）補(bǔ)償無功功率時(shí)不需要儲(chǔ)能元件，補(bǔ)償諧波電流時(shí)所需的儲(chǔ)能元件也不大。

（4）濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，不易與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振。

2 系統(tǒng)工作原理

有源電力濾波器工作原理如圖1所示。

圖1 有源電力濾波器工作原理

先檢測出補(bǔ)償對(duì)象的電流瞬時(shí)值，隨后通過指令電流運(yùn)算電路得出諧波補(bǔ)償電流的指令信號(hào)。該信號(hào)控制變流器產(chǎn)生的補(bǔ)償電流可抵消負(fù)載電流中的諧波成份及無功電流，最終獲得期望的電源電流。其補(bǔ)償諧波的等效電路圖如圖2所示。

圖2 補(bǔ)償諧波的等效電路圖

從圖2中可以得到電網(wǎng)側(cè)的諧波電流，可用下式描述：

˙Ish=˙ILh-˙Ich

只要控制有源電力濾波器的輸出電流˙Ich，使其滿足˙Ich=˙ILh，即可使電網(wǎng)側(cè)的諧波電流˙Ish=0。

3 低壓配電系統(tǒng)的安裝與應(yīng)用

本系統(tǒng)選擇廠區(qū)內(nèi)制絲設(shè)備、空調(diào)機(jī)組、空壓機(jī)及除塵設(shè)備等3個(gè)不同變頻負(fù)載用的變壓器作為試驗(yàn)測試對(duì)象，在安裝有源濾波器前后，分別進(jìn)行滿載測試，并詳細(xì)記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，具體結(jié)果所述如下：

3#2000kVA變壓器負(fù)載主要是制絲車間動(dòng)力設(shè)備，由于制絲設(shè)備大量使用變頻器，變頻器作為典型的非線性負(fù)載，在工作過程中同時(shí)也作為諧波源，發(fā)出了大量的諧波電流，導(dǎo)致變壓器副邊側(cè)電流波形發(fā)生嚴(yán)重畸變。3#變壓器正常運(yùn)行負(fù)荷電流在1270A左右，在設(shè)備正常運(yùn)行狀態(tài)下測試出5次諧波電流56A，7次諧波電流37A，11次諧波電流30A，電流畸變率達(dá)到6.5%，總諧波電流達(dá)到1270×6.5%=82.55A。從測試圖上看電流波形已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重畸變，電能質(zhì)量受到了非常嚴(yán)重的影響，在變壓器副邊側(cè)并聯(lián)接入一臺(tái)150A有源濾波器對(duì)諧波進(jìn)行集中治理。

4#變壓器負(fù)載主要是動(dòng)力車間21組空調(diào)機(jī)組，每組空調(diào)機(jī)組有2～3臺(tái)75kW變頻器。變頻器作為典型的非線性負(fù)載，在工作過程中同時(shí)也作為諧波源，發(fā)出了大量的諧波電流，導(dǎo)致變壓器副邊側(cè)電流波形發(fā)生嚴(yán)重畸變。4#變正常運(yùn)行負(fù)荷電流在880A左右，在設(shè)備正常運(yùn)行狀態(tài)下測試，5次諧波電流高達(dá)185A，7次諧波達(dá)到71A，11次諧波達(dá)到37A，13次諧波達(dá)到18A、19次諧波達(dá)到14A、23次諧波達(dá)到24A，電流畸變率達(dá)到23.7%，總諧波電流達(dá)到880×23.7%=208.56A。從測試圖上看電流波形已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重畸變，電能質(zhì)量受到了非常嚴(yán)重的影響，在變壓器副邊側(cè)并聯(lián)接入兩臺(tái)150A有源濾波裝置對(duì)諧波進(jìn)行集中治理。

6#變壓器負(fù)載主要是動(dòng)力車間的4臺(tái)空壓機(jī)、2臺(tái)真空泵及除塵系統(tǒng)，這些設(shè)備使用了大功率變頻器。變頻器作為典型的非線性負(fù)載，在工作過程中同時(shí)也是諧波源，發(fā)出了大量的諧波電流，導(dǎo)致變壓器副邊側(cè)電流波形發(fā)生嚴(yán)重畸變。6#變運(yùn)行負(fù)荷電流在1800A左右，在設(shè)備正常運(yùn)行狀態(tài)下測試，5次諧波達(dá)到223A、7次諧波達(dá)到73A、11次諧波達(dá)到49A、13次諧波達(dá)到22A、17次諧波達(dá)到23A，電流畸變率達(dá)到13.5%，總諧波電流達(dá)到1800×13.5%=243A。從測試圖上看電流波形已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重畸變，電能質(zhì)量受到了非常嚴(yán)重的影響，在變壓器副邊側(cè)并聯(lián)接入2臺(tái)150A有源濾波裝置對(duì)諧波進(jìn)行集中治理。

詳見對(duì)3#2000kVA變壓器低壓線側(cè)補(bǔ)償前與補(bǔ)償后測試數(shù)據(jù)的對(duì)比圖,見圖3。

4 數(shù)據(jù)分析

（1）3#2000kVA變壓器補(bǔ)償前的電流畸變率（THDI）平均為6.5%，補(bǔ)償以后降為2.2%，電壓畸變率（THDU）為2.4%，補(bǔ)償后降為1.6%，電流波形補(bǔ)償前后有明顯變化，波形正弦化。諧波電流補(bǔ)償率為87.26%，總補(bǔ)償效果超出75%。補(bǔ)償后總電流有明顯下降，補(bǔ)償效果比較理想。

圖1 3#2000kVA變壓器低壓出線側(cè)補(bǔ)償前的諧波電流、諧波電壓及波形圖

圖3 3#2000kVA變壓器低壓出線側(cè)補(bǔ)償后的諧波電流、諧波電壓及波形圖

（2）4# 2000kVA變壓器補(bǔ)償前的電流畸變率（THDI）平均為23.7%，補(bǔ)償以后降為6.4%，電壓畸變率（THDU）為4.9%，補(bǔ)償后降為3.0%，電流波形補(bǔ)償前后有明顯變化，波形接近正弦。諧波電流補(bǔ)償率為84.92%，總補(bǔ)償效果超出75%。補(bǔ)償后總電流有明顯下降，總的補(bǔ)償效果比較理想。

（3）6# 2000kVA變壓器補(bǔ)償前的電流畸變率（THDI）平均為13.5%，補(bǔ)償以后降為2.9%，電壓畸變率（THDU）為3.3%，補(bǔ)償后降為1.7%，電流波形補(bǔ)償前后有明顯變化，波形接近正弦。諧波電流補(bǔ)償率為87.71%，總補(bǔ)償效果超出75%。補(bǔ)償后總電流有明顯下降，總的補(bǔ)償效果比較理想。

（4）系統(tǒng)諧波得到了有效的降低，波形全部均可得到明顯改善。在設(shè)備容量之內(nèi)補(bǔ)償率大于75%；當(dāng)超出設(shè)備補(bǔ)償容量時(shí)，設(shè)備按最大輸出能力補(bǔ)償。變壓器電流畸變率降低到了6.5%以下，電能質(zhì)量會(huì)得到有效的提高。

（5）電能消耗得到有效的節(jié)約和控制，經(jīng)過諧波治理，電能消耗可以得到節(jié)約和控制，設(shè)備運(yùn)行總電流得到下降，節(jié)約能耗在10%以上。

5 結(jié)束語

經(jīng)過諧波治理后，電能質(zhì)量得到提高，用電環(huán)境得到明顯改善，諧波電流在輸配電線路及設(shè)備上產(chǎn)生的熱損失減少，絕緣老化程度降低，設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用減少，設(shè)備的使用壽命延長，生產(chǎn)效率得到提高。同時(shí)抑制了諧波對(duì)信息化管理底層自控網(wǎng)絡(luò)的干擾，增加了信息化管理系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性運(yùn)行，綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著，對(duì)企業(yè)高效快速發(fā)展有著非常重要的意義。

［1］國家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 14549-1993電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波[S].1993.

［2］呂潤馀.電力系統(tǒng)高次諧波[M]．北京：中國電力出版社，1998.

［3］陳偉華.電磁兼容實(shí)用手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［4］王兆安.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［5］劉慶偉, 劉向東. 諧波的危害與治理[J]．機(jī)械制造與自動(dòng)化，2011(6).

［6］姜志寧. 淺析電力諧波的危害及治理[J]．通信電源技術(shù)，2009(1).

［7］楊建芳. 1.5T中頻爐諧波檢測與無功補(bǔ)償技術(shù)研究[J]．中國新技術(shù)新產(chǎn)品， 2010(1).