董振斌，董直逵，李付鵬，邱日倫

（1.國(guó)家電網(wǎng)公司 電力需求側(cè)管理指導(dǎo)中心，南京 210024；2.浙江桂容諧平科技有限責(zé)任公司，杭州 310030）

1 背景

1.1 諧波和無(wú)功功率的危害

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，電力電子技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用，變頻調(diào)速裝置、中頻爐、大功率直流電解裝置、鋼鐵行業(yè)的軋機(jī)傳動(dòng)設(shè)備、交直流電弧爐設(shè)備、電氣化鐵道機(jī)車的牽引設(shè)備等大量的大功率電力電子裝置得到了廣泛的應(yīng)用。這些電力電子設(shè)備的應(yīng)用起到了很大的節(jié)能作用，很大程度上促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，但同時(shí)也對(duì)電力系統(tǒng)帶來(lái)很大的電網(wǎng)諧波及無(wú)功功率問(wèn)題，導(dǎo)致供電電源電能質(zhì)量大幅下降，變壓器、開(kāi)關(guān)等輸配電設(shè)備壽命縮短，同時(shí)其他用電設(shè)備受此影響也不能正常工作，同時(shí)產(chǎn)生保護(hù)誤動(dòng)作、通信干擾、設(shè)備過(guò)載、過(guò)熱、電網(wǎng)功率損耗增大等不良影響，使電力系統(tǒng)整體運(yùn)行狀況不斷惡化，因而對(duì)電網(wǎng)諧波治理及電網(wǎng)無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)男枨笠苍诓粩嘣黾印?/p>

此外，由于電網(wǎng)容量的增加，對(duì)電網(wǎng)無(wú)功需求也與日增加。無(wú)功電源如同有功電源一樣，是保證電力系統(tǒng)電能質(zhì)量、降低網(wǎng)絡(luò)損耗以及安全運(yùn)行所不可缺少的部分。在電力系統(tǒng)中，無(wú)功要保持平衡，否則，將會(huì)使系統(tǒng)電壓下降，嚴(yán)重時(shí)，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞，系統(tǒng)解列。此外，網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù)和電壓降低，使電氣設(shè)備得不到充分利用，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸能力下降，損耗增加[1—3]。

1.2 目前主要的解決方案及其存在的問(wèn)題

目前存在的諧波治理產(chǎn)品主要有：有源濾波器、無(wú)源濾波器。其中無(wú)源濾波裝置主要由電抗器和電容器組成，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)碾娍怪岛碗娙葜担蛊渥杩乖谀骋淮沃C波頻率下幾乎為0，形成低阻抗通道，從而使負(fù)載中的該次諧波電流基本上流入此L—C電路，達(dá)到濾除該次諧波電流的目的。通常電力電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生很多次諧波電流，因此無(wú)源濾波器通常需設(shè)有多個(gè)L—C濾波通道，各個(gè)通道被調(diào)諧至不同的諧波頻率上，達(dá)到濾除非線性負(fù)載所產(chǎn)生的主要諧波電流，其典型接線如圖1所示[4—5]。

圖1 無(wú)源濾波裝置典型接線

無(wú)源濾波器的優(yōu)點(diǎn)是在濾波的同時(shí)也提供無(wú)功補(bǔ)償。如果設(shè)計(jì)合理，在電網(wǎng)參數(shù)和負(fù)載變化不大的前提下，無(wú)源濾波器運(yùn)行穩(wěn)定可靠。但是，無(wú)源濾波器有如下公認(rèn)的缺點(diǎn)：①設(shè)備笨重，占地面積大；②濾波性能受電力系統(tǒng)阻抗的影響；③濾波裝置受附近其他諧波源的影響；④無(wú)功補(bǔ)償容量固定且龐大。

為了解決無(wú)源濾波器的上述缺點(diǎn)，誕生了有源濾波技術(shù)。自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了大量的研究[6]。有源濾波器主要是純有源濾波器，純有源濾波器由一電壓源式逆變器和輸出端高頻濾波器構(gòu)成，通過(guò)控制逆變器中的高壓電力半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)（IGBT）的開(kāi)/斷操作，向電網(wǎng)注入與負(fù)載反向的諧波電流，以抵消非線性負(fù)載的諧波電流，達(dá)到濾波的目的。逆變器輸出端高頻濾波器的作用是濾除因IGBT快速開(kāi)/斷而產(chǎn)生的高頻即開(kāi)關(guān)頻率諧波電流，因此該高頻濾波器通常由一簡(jiǎn)單的電抗器構(gòu)成或由一個(gè)LCL電路構(gòu)成。純有源濾波器接入系統(tǒng)如圖2所示，其三相圖如圖3所示。其濾波效果如圖4、圖5、圖6所示。其中圖4為非線性負(fù)載電流，圖5為有源濾波器電流，圖6為濾波后的系統(tǒng)供電電流。從圖4、圖5、圖6可知該有源濾波器起到較好的濾波效果。

圖2 純有源濾波器接入系統(tǒng)示意圖

圖3 純有源濾波器主電路圖

圖4 非線性負(fù)載電流

圖5 有源濾波器電流

圖6 濾波后的系統(tǒng)供電電流

和無(wú)源濾波器相比，這類純有源濾波器有如下優(yōu)點(diǎn)：重量輕，體積小，濾波性能不受系統(tǒng)阻抗影響，不會(huì)產(chǎn)生諧振，諧波電流負(fù)載不受附近諧波源的影響，不會(huì)產(chǎn)生無(wú)功功率過(guò)補(bǔ)償?shù)葐?wèn)題。但是IGBT的電能損耗較高，對(duì)其它用電設(shè)備也可能會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，也不能補(bǔ)償無(wú)功功率（如果通過(guò)降低濾除諧波電流能力來(lái)補(bǔ)償無(wú)功功率則非常不經(jīng)濟(jì)），而且電網(wǎng)的基波電壓全部施加在逆變器上，從而必須采用高電壓等級(jí)的IGBT，因此可靠性不高且成本高。

因此，改進(jìn)當(dāng)前存在的純有源濾波器，以解決它所存在問(wèn)題顯得很有必要。為了克服上述存在的技術(shù)缺陷，一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)組成部件少、成本適中、體積小、可靠性高的有源電力濾波器技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[7]。

2 新型有源濾波裝置基本工作原理

2.1 電路拓?fù)浼捌涔ぷ髟?/h3>

該有源電力濾波器由一個(gè)低壓純有源濾波器和一組電力電容器串接而成，如圖7所示。

圖7 新型有源電力濾波器主電路圖

該有源電力濾波器接入電網(wǎng)后，電網(wǎng)中的基波電壓均施加在電力電容器上。因電容器在高頻率下呈低阻抗，低壓純有源濾波器中的低壓逆變器只需產(chǎn)生比電網(wǎng)基波電壓低很多的諧波電壓就可產(chǎn)生所需的諧波電流通過(guò)電力電容器流入電網(wǎng)來(lái)抵消非線性負(fù)載的諧波電流，達(dá)到濾除諧波的目的，因而低壓逆變器中的直流電壓較電網(wǎng)基波電壓要低很多。

由于該有源濾波器串接了固定電力電容器組，因此還可以補(bǔ)償系統(tǒng)的無(wú)功功率。

2.2 仿真案例

計(jì)算機(jī)仿真實(shí)例如下：

新型濾波器參數(shù)：電力電容器38 μF、高頻濾波電抗器7.2 mH、逆變器直流電容器2 mF、逆變器直流電壓設(shè)定值1 000 V。

系統(tǒng)參數(shù)：電網(wǎng)電壓6 kV，電網(wǎng)頻率50 Hz，電網(wǎng)短路容量72 MVA。

負(fù)載參數(shù)：三相二極管整流電路，輸入交流側(cè)電抗為4 mH；直流側(cè)負(fù)載：200 mH的電抗和80 Ω的電阻串聯(lián)。

初步計(jì)算機(jī)仿真實(shí)例顯示該有源電力濾波器能起到較好的濾波效果，具體效果如圖8—圖11所示。其中,負(fù)載電流波形如圖8，總諧波失真（THD）為25%；濾波器電流波形如圖9，基波電流為31 A；系統(tǒng)電流波形如圖10，THD＝4.6%；逆變器直流電壓波形如圖11。

圖8 負(fù)載電流波形

圖9 濾波器電流波形

圖10 系統(tǒng)電流波形

圖11 逆變器直流電壓波形

2.3 新型有源濾波裝置優(yōu)缺點(diǎn)

對(duì)于400 V的交流系統(tǒng)，該有源濾波器由于串聯(lián)了電力電容器，電網(wǎng)中的基波電壓均施加在電力電容器上，低壓逆變器只需產(chǎn)生很低的諧波電壓就可以滿足輸出的諧波電流要求，其低壓逆變器中的直流電壓只有120～150 V，而普通的純有源濾波器將達(dá)到650～700 V，因此IGBT的額定電壓可選更低，這樣IGBT的開(kāi)關(guān)損耗也更低（開(kāi)關(guān)損耗和直流電壓成正比），對(duì)周圍設(shè)備的電磁幅射干擾?。姶欧浜蚫u/dt成正比）。同理，如果低壓逆變器使用同樣的直流側(cè)電壓，則這種新型有源濾波器交流側(cè)系統(tǒng)電壓將可以達(dá)到更高，甚至可以使用在中壓系統(tǒng)中。

當(dāng)然，由于串聯(lián)的是固定電容器組，因此其補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率是不可調(diào)的。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程介紹

某企業(yè)藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐配電系統(tǒng)由交流400 V電源通過(guò)變壓器變換成交流50 V電源供電，配電系統(tǒng)中采用可控硅斬波器控制電流有效值以控制電爐功率，進(jìn)而控制長(zhǎng)晶爐中的溫度達(dá)到熔煉藍(lán)寶石的目的。

3.1.1 配電一次系統(tǒng)圖

電路如圖12所示，35 kV主變壓器下有若干臺(tái)10 kV變壓器，每臺(tái)10 kV變壓器均帶有許多負(fù)載，負(fù)載主要是長(zhǎng)晶爐設(shè)備，長(zhǎng)晶爐設(shè)備單臺(tái)容量不大（45 kW），但設(shè)備數(shù)量龐大（每臺(tái)變壓器下均有32臺(tái)設(shè)備）。

圖12 某企業(yè)藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐配電系統(tǒng)電路圖

長(zhǎng)晶爐供電電路圖如下圖13所示，主要由可控硅斬波器、降壓變壓器2部分組成?？煽毓钄夭ㄆ鞯闹饕饔檬强刂齐娏饔行е祻亩_(dá)到控制電爐功率的目的。降壓變壓器的主要功能是將電壓降到適合爐子的低電壓。

圖13 長(zhǎng)晶爐電路原理圖

3.1.2 長(zhǎng)晶爐供電電路存在問(wèn)題

圖14是輸入電壓（相電壓）和輸入電流的波形。圖中可以看到，通過(guò)控制觸發(fā)角α的大小，就可以達(dá)到控制電流有效值的目的。當(dāng)觸發(fā)角α不等于0時(shí)，電流是一個(gè)非正弦波，因此存在諧波，并且電流滯后于電壓。觸發(fā)角α越大，電流越滯后于電壓，功率因數(shù)越低[8—9]。

圖14 長(zhǎng)晶爐波形原理圖

從圖14知道：通過(guò)改變觸發(fā)角α的大小，就可以控制電流有效值。觸發(fā)角α越大電流有效值越小，功率因數(shù)也越低。而輸入有功功率的大小和電流有效值的平方成正比，即P=R·I2(α)。

因此通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)角α的大小，從而可以調(diào)節(jié)有功功率。

從以上原理可以看出該長(zhǎng)晶爐配電電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且控制策略簡(jiǎn)單，但是該電路也存在問(wèn)題：①功率因數(shù)低,下表1為實(shí)測(cè)單臺(tái)長(zhǎng)晶爐功率因數(shù)。從表1可以看出，長(zhǎng)晶爐裝置功率因數(shù)只有0.59左右；②諧波含量高，圖15為實(shí)測(cè)單臺(tái)長(zhǎng)晶爐電壓電流波形圖。

表1 功率（單臺(tái)爐子）統(tǒng)計(jì)報(bào)表

圖15 單臺(tái)長(zhǎng)晶爐電壓電流波形圖

從圖15可以看出，長(zhǎng)晶爐裝置諧波含量相當(dāng)大。

3.1.3 整個(gè)系統(tǒng)存在問(wèn)題

當(dāng)大量的長(zhǎng)晶爐設(shè)備在系統(tǒng)中運(yùn)行時(shí)，必然會(huì)在系統(tǒng)產(chǎn)生大量的問(wèn)題：①功率因數(shù)低，下表2為實(shí)測(cè)整個(gè)配電系統(tǒng)功率因數(shù)。從表2可以看出，長(zhǎng)晶爐裝置功率因數(shù)只有0.59左右；②諧波含量高，圖16為實(shí)測(cè)整個(gè)配電系統(tǒng)電壓電流波形圖。從圖16可以看出，整個(gè)配電系統(tǒng)諧波含量相當(dāng)大；③因諧波和無(wú)功功率造成的損耗增加，設(shè)備老化加速，容易造成設(shè)備使用壽命縮短，影響設(shè)備運(yùn)行；④在同樣的有功功率下，視在功率高，導(dǎo)致上級(jí)變壓器安裝容量大，造成容量電費(fèi)增加，設(shè)備費(fèi)用增加。

表2 功率（整個(gè)配電系統(tǒng)）統(tǒng)計(jì)報(bào)表

圖16 配電系統(tǒng)電壓電流波形圖

圖17 長(zhǎng)晶爐電能質(zhì)量治理方案圖

3.2 解決方案描述

鑒于該長(zhǎng)晶爐配電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能質(zhì)量問(wèn)題，考慮到無(wú)功補(bǔ)償和諧波治理同時(shí)需要而且需求均很大，因此采用兼顧無(wú)功補(bǔ)償功能的有源濾波器及低壓可投切無(wú)功補(bǔ)償裝置結(jié)合使用較為經(jīng)濟(jì)合理。

本方案為該長(zhǎng)晶爐配電系統(tǒng)安裝若干臺(tái)兼顧無(wú)功補(bǔ)償功能的有源濾波器，在濾波同時(shí)補(bǔ)償無(wú)功功率，同時(shí)在總進(jìn)線處安裝一套低壓可投切式無(wú)功補(bǔ)償裝置，以解決系統(tǒng)存在的諧波及無(wú)功問(wèn)題。

該方案一次系統(tǒng)圖如下圖17所示。配電系統(tǒng)中，每4臺(tái)長(zhǎng)晶爐配電設(shè)備就近提供1臺(tái)有源濾波器進(jìn)行治理，在配電系統(tǒng)總進(jìn)線處再提供若干臺(tái)有源濾波器及低壓可投切式無(wú)功補(bǔ)償裝置進(jìn)行集中治理。有源濾波器可以提供濾除諧波電流及補(bǔ)償無(wú)功的功能，可以就近治理長(zhǎng)晶爐配電設(shè)備產(chǎn)生的電能質(zhì)量問(wèn)題，使其不會(huì)流入配電線路中，降低配電線路中的無(wú)功及諧波損耗，降低輸電線路電流值，減小輸電線路成本，其余部分無(wú)功功率及諧波電流通過(guò)總進(jìn)線處安裝的低壓可投切式無(wú)功補(bǔ)償裝置及有源濾波器進(jìn)行治理。

3.3 治理效果

3.3.1 測(cè)試數(shù)據(jù)

本次測(cè)試是在其中一臺(tái)變壓器（型號(hào)SCB10-2500/10，Dyn11）總出線處的各次諧波電流及功率?？紤]到未進(jìn)行治理時(shí)負(fù)載全部投入運(yùn)行系統(tǒng)負(fù)載容量將會(huì)超過(guò)變壓器可承受容量值，同時(shí)又為了能夠把治理前后系統(tǒng)的情況進(jìn)行對(duì)比，因此本次以系統(tǒng)一半負(fù)載投入時(shí)，有源濾波器裝置也投入一半容量投入時(shí)的情況進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表3—表6所示。

治理前測(cè)試數(shù)據(jù)如表3、4所示。

表3 諧波電流（治理前）統(tǒng)計(jì)報(bào)表

表4 功率（治理前）統(tǒng)計(jì)報(bào)表

治理后測(cè)試數(shù)據(jù)如下表5、表6所示。

3.3.2 治理前后數(shù)據(jù)對(duì)比

由于各臺(tái)長(zhǎng)晶爐設(shè)備參數(shù)特性均相同，運(yùn)行情況也相同，測(cè)試時(shí)令系統(tǒng)負(fù)載為一半數(shù)量總負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行且有源濾波裝置也為一半數(shù)量總?cè)萘窟\(yùn)行狀態(tài)下，因此可以以測(cè)試數(shù)據(jù)推算滿載時(shí)的情況以進(jìn)行分析。下列數(shù)據(jù)均是參照測(cè)試數(shù)據(jù)折算成滿負(fù)荷（按用戶現(xiàn)有32臺(tái)長(zhǎng)晶爐等設(shè)備）狀態(tài)下治理前后的諧波電流數(shù)據(jù)。

表7是諧波電流（按用戶現(xiàn)有32臺(tái)長(zhǎng)晶爐）治理前后數(shù)據(jù)。

表8是功率（按用戶現(xiàn)有32臺(tái)長(zhǎng)晶爐）治理前后數(shù)據(jù)。

表5 諧波電流（治理后）統(tǒng)計(jì)報(bào)表

表6 功率（治理后）統(tǒng)計(jì)報(bào)表

4 結(jié)論

本文對(duì)兼顧無(wú)功補(bǔ)償功能的有源濾波裝置進(jìn)行研究及效果驗(yàn)證，通過(guò)在某企業(yè)配電系統(tǒng)項(xiàng)目的實(shí)例運(yùn)行及取得的效果及經(jīng)濟(jì)效益來(lái)看，兼顧無(wú)功補(bǔ)償功能的有源濾波裝置具備無(wú)功補(bǔ)償和諧波治理的綜合效果，具有安全可靠、經(jīng)濟(jì)效益高、實(shí)用性強(qiáng)、技術(shù)先進(jìn)及節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)，可以有效地治理相關(guān)兼顧無(wú)功補(bǔ)償及諧波治理問(wèn)題的場(chǎng)所，具有在配電系統(tǒng)內(nèi)大力推廣應(yīng)用的需要。

表7 諧波電流治理前后數(shù)據(jù)

表8 功率治理前后統(tǒng)計(jì)報(bào)表

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