牛永杰

(正和集團(tuán)股份有限公司,山東 東營(yíng) 257300)

有源電力濾波器(Active Power Filter，APF)在化工行業(yè)的推廣使用是在近幾年的事情，應(yīng)用規(guī)模不是很大，很多工廠企業(yè)主要還是使用低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置。即使安裝了有源電力濾波器，也是后期改造加裝的設(shè)備。因此配電室改善功率因數(shù)的設(shè)備出現(xiàn)低壓無(wú)功補(bǔ)償器和有源電力濾波器并存的狀態(tài)。出現(xiàn)這種情況增加設(shè)備的投資，擠占配電設(shè)備資源。有源濾波器其主要的功能是消除諧波，提高電能質(zhì)量，其次還有提升功率因數(shù)的功能。對(duì)于配電用戶來(lái)說(shuō)，使用何種方式來(lái)配置自己的供電設(shè)備，需要我們用戶來(lái)對(duì)有源濾波設(shè)備和其他補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行了解和比較，選擇適合自己的電能質(zhì)量改善方式。

1 當(dāng)前低壓無(wú)功補(bǔ)償器運(yùn)行存在的問(wèn)題

一般來(lái)講發(fā)展幾十年的工廠，它所配備的電器設(shè)備主要還是電容加電抗模式的補(bǔ)償單元。這種低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置，使用時(shí)間比較早，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用經(jīng)濟(jì)。通過(guò)旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)，接觸器等控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)人工手動(dòng)投退，后期能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)投退和手動(dòng)投退相結(jié)合的方式。在使用中，根據(jù)配電母線的功率因數(shù)大小，來(lái)投退電容器組，以實(shí)現(xiàn)提升功率因數(shù)的目的。特別是在2000年之后，無(wú)功補(bǔ)償控制設(shè)備增加了一些先進(jìn)的檢測(cè)設(shè)備，自動(dòng)控制多組容抗設(shè)備進(jìn)行投切。通過(guò)這些設(shè)備，低壓無(wú)功補(bǔ)償器能夠補(bǔ)償無(wú)功，提升功率因數(shù)，同時(shí)也能消除固定頻率段諧波。它的運(yùn)行同時(shí)還存在許多問(wèn)題。

1.1 不能適時(shí)改善功率因數(shù)

人工投退電容器組，經(jīng)常存在滯后可能性，特別是無(wú)人值守的配電室。會(huì)造成線路功率因數(shù)過(guò)低或過(guò)高。過(guò)低時(shí)補(bǔ)償無(wú)功不足；而過(guò)高時(shí)，出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)的情況，抬高網(wǎng)絡(luò)電壓，發(fā)生無(wú)功到送；或者使電網(wǎng)發(fā)生諧振，非常危險(xiǎn)。

1.2 電容器故障

實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑O(shè)備就是由多個(gè)充油電容器單元組成的電容柜。這種電容器會(huì)因使用不當(dāng)，譬如發(fā)生諧振，或者本身質(zhì)量原因，發(fā)生擊穿短路，滲油、鼓包，腐蝕等故障，甚至爆炸。

1.3 附件發(fā)生故障

電容投退切換回出現(xiàn)短時(shí)過(guò)流，致使熔絲燒斷，控制接觸器觸頭燒損。接觸器配線短路，頻繁開(kāi)合時(shí)接觸器線圈少燒壞；電力壓接線因震動(dòng)等原因松脫，發(fā)熱而燒損。

1.4 只消除特定頻率段的諧波

低壓無(wú)功補(bǔ)償器對(duì)消除諧波方面，通過(guò)設(shè)計(jì)配置配件，能做到消除5，7，11,13次諧波，對(duì)其類型諧波消除不到，消除諧波功能可調(diào)性差，補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)的影響大，因此對(duì)電氣設(shè)備產(chǎn)生的諧波消除效果不理想。

2 有源電力濾波器是目前改善電能質(zhì)量，提高功率因數(shù)的良好綠色設(shè)備

2.1 有源電力濾波器使用背景

隨著國(guó)家對(duì)綠色能源的要求提高，低壓供配電網(wǎng)供電質(zhì)量指標(biāo)是380v，上下變動(dòng)不超過(guò)10%，頻率50HZ，上下變動(dòng)不超過(guò)0.25%[1]。但是一般化工企業(yè)，使用許多非線性負(fù)載，如電焊機(jī)，金鹵燈燈具，以及烘爐等負(fù)載。長(zhǎng)距離的電纜線路，功率因數(shù)較低的壓縮機(jī)等。而這些設(shè)備產(chǎn)生的諧波饋入電網(wǎng)，會(huì)使用電設(shè)備和線路能耗增高，電子設(shè)備特別是繼電保護(hù)器設(shè)備失靈或誤動(dòng)、拒動(dòng)等情況發(fā)生。而靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器只能改善特定頻率段的諧波。因此以可關(guān)斷電力電子器件(IGBT)為主要元器件的有源電力濾波器產(chǎn)生并開(kāi)始運(yùn)用到工廠配電室中。

2.2 有源濾波器基本原理

有源電力濾波器，是采用現(xiàn)代電力電子技術(shù)和基于高速數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)制成的新型電力諧波治理專用設(shè)備。它由指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路兩個(gè)主要部分組成。指令電流運(yùn)算電路實(shí)時(shí)監(jiān)視線路中的電流，并將模擬電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入高速數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，將諧波與基波分離，并以脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)形式向補(bǔ)償電流發(fā)生電路送出驅(qū)動(dòng)脈沖，驅(qū)動(dòng)IGBT或IPM功率模塊，生成與電網(wǎng)諧波電流幅值相等、極性相反的補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)，對(duì)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償或抵消，主動(dòng)消除電力諧波。一般化工企業(yè)使用有源電力濾波器，采用并聯(lián)接入母線低壓母線系統(tǒng)，它直接檢測(cè)系統(tǒng)的諧波成分，然后通過(guò)自身的設(shè)備功能，把系統(tǒng)的諧波轉(zhuǎn)化成幅值相同，方向相反的諧波，以沖抵原來(lái)的諧波，它可以補(bǔ)償2-50次的諧波，也可以選擇性補(bǔ)償諧波。許多廠家已經(jīng)做成功率模塊化，根據(jù)負(fù)荷設(shè)計(jì)多個(gè)模塊一起使用。當(dāng)然，有源電力濾波器主要的功能是濾除諧波，它也能補(bǔ)償無(wú)功。

2.3 有源電力濾波器主要類別

第一類是混合型動(dòng)態(tài)濾波裝置的使用。這種動(dòng)態(tài)濾波補(bǔ)償裝置采用同一控制器實(shí)現(xiàn)電容分組投切和有源濾波控制；裝置可同時(shí)實(shí)現(xiàn)分組電容投切和動(dòng)態(tài)快速靜止無(wú)功補(bǔ)償功能；裝置也具有有源濾波功能，可改善電能質(zhì)量。這種方式等于把靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備和有源電力濾波器組合在一起，通過(guò)同一種控制器實(shí)現(xiàn)濾波和無(wú)功補(bǔ)償兩種功能。有的廠家把它做成套柜式，按照標(biāo)準(zhǔn)配電柜尺寸規(guī)格配置安裝在配電室中。

第二種是模塊化有源電力濾波器。這種方式是把有源電力濾波器按一定功率做成模塊，然后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的電網(wǎng)系統(tǒng)的負(fù)載大小進(jìn)行多個(gè)模塊的組合在一個(gè)柜子中，使用一套控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)消除諧波和提升功率因數(shù)的功能。這種方式一般是利用采用可關(guān)斷電力電子器件(如IGBT)組成自換相橋式電路，經(jīng)過(guò)電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側(cè)電流。迅速吸收或者發(fā)出所需的無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)無(wú)功的目的。作為有源形補(bǔ)償裝置，不僅可以跟蹤沖擊型負(fù)載的沖擊電流，而且可以對(duì)諧波電流也進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償。工作中，通過(guò)調(diào)節(jié)逆變橋中IGBT器件的開(kāi)關(guān)，可以控制直流逆變到交流的電壓的幅值和相位，因此，整個(gè)裝置相當(dāng)于一個(gè)調(diào)相電源。通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)中所需的無(wú)功，可以快速發(fā)出大小相等、相位相反的無(wú)功，實(shí)現(xiàn)無(wú)功的就地平衡，保持系統(tǒng)實(shí)事高高率因數(shù)運(yùn)行。

3 有源電力濾波器使用前后的比較

這兩種有源濾波器使用比較，顯然第一種還具有低壓無(wú)功補(bǔ)償器使用的特點(diǎn)。在某化工企業(yè)催化配電室，低壓斷路器電流860A，三相電流基本平衡。其主要運(yùn)行設(shè)備統(tǒng)計(jì)工頻泵類額定功率300kW，變頻泵類額定功率120kW，風(fēng)機(jī)工頻泵類額定功率120kW。配電室至裝置電纜，每條長(zhǎng)度300至400米。其他負(fù)載還有兩套套20kVA的UPS不間斷電源，一臺(tái)直流屏柜。安裝兩臺(tái)混合型有源濾波器，2016年投入使用，電源質(zhì)量明顯提升。提升效果如下分析。

圖1 設(shè)備停機(jī)狀態(tài)

圖2 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)

從圖1、圖2拍攝時(shí)間相差30分鐘，期間系統(tǒng)電流數(shù)值變化不大，投用混合型動(dòng)態(tài)濾波裝置補(bǔ)償電流80A，總諧波電流有效值與基波電流有效值之比(THDI)由25%下降到14%。

混合型動(dòng)態(tài)濾波裝置，是很多企業(yè)在用的電能優(yōu)化設(shè)備。能達(dá)到消除諧波，提升功率因數(shù)的功能。但是從使用情況來(lái)看，還存在些許不足。由于使用電抗器，往往會(huì)產(chǎn)生很大噪音以及熱源。而使用接觸器，熔斷器，電容器，以及復(fù)雜的硬接線，都是容易造成設(shè)備事故原因。還有就是這樣補(bǔ)償裝置一旦安裝并投入使用，濾波器額定功率固定不變，一旦配電室擴(kuò)容。加裝用電設(shè)備，補(bǔ)償容量不夠用，無(wú)法改裝。第二種方式，有源電力濾波模塊化安裝使用。某化工企業(yè)煉制裝置，其中一臺(tái)模塊化柜子使用環(huán)境，低壓斷路器進(jìn)線電流600A，主要使用工頻泵類額定功率260KW，變頻泵類額定功率135KW，工頻風(fēng)機(jī)150KW。2018年裝置投入運(yùn)行，有源電力濾波器以多個(gè)模塊組合方式，統(tǒng)一控制使用。通過(guò)圖3～圖6對(duì)比分析效果。

圖3 有源電力濾波器停止時(shí)電流波形

圖4 有源電力濾波器運(yùn)行時(shí)電流波形

圖5 有源電力濾波器停止時(shí)系統(tǒng)圖

圖6 有源電力濾波器運(yùn)行系統(tǒng)圖

從圖3和圖4對(duì)比來(lái)看，有源電力濾波器檢測(cè)負(fù)載諧波電流并主動(dòng)提供對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償電流，補(bǔ)償后的電流幾乎是純正的正弦波電流。系統(tǒng)電流波形改善明顯；從圖5和圖6對(duì)比來(lái)看，有源電力濾波器補(bǔ)償電流數(shù)值可觀。

加裝有源電力濾波器后，起到明顯改善電能質(zhì)量的效果。模塊化安裝使用的有源電力濾波器，可以根據(jù)配電負(fù)載大小來(lái)確定濾波器數(shù)量，然后統(tǒng)一設(shè)定、控制，使用方便。多個(gè)模塊化的有源濾波器組合使用，產(chǎn)生較大抵消諧波電流，降低了整體故障停機(jī)率。單個(gè)APF發(fā)生故障或損壞，進(jìn)行更換處理，不影響組合中其他APF的繼續(xù)使用。

5 模塊化有源濾波器還有那些問(wèn)題

有源濾波器雖然不會(huì)發(fā)生電容鼓包，炸裂的故障，但是同樣它是發(fā)熱的設(shè)備，因此它必須有良好的通風(fēng)，降溫措施，特別是多個(gè)模塊的有源濾波器組合在一起的配電柜，更是要保障降溫。在改善功率方面，模塊化有源電力濾波器也存在不足之處，就是其提升功率方面還有待提高，現(xiàn)在使用情況是諧波消除滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但是就提升功率因數(shù)來(lái)說(shuō)，基本在0.9左右。因此很多設(shè)計(jì)配電室還在配合安裝靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器來(lái)提升功率因數(shù)。

6 電力濾波展望

隨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的快速發(fā)展，非線性負(fù)荷的廣泛應(yīng)用，以及供配電中網(wǎng)絡(luò)或設(shè)備問(wèn)題造成的電力波形發(fā)生畸變，都深入影響著電力能源安全和能耗。有源電力濾波器檢測(cè)電網(wǎng)波形，用毫秒級(jí)的時(shí)間響應(yīng)，消除諧波，補(bǔ)償電流。未來(lái)電能質(zhì)量提升，將會(huì)借助智能技術(shù)，高運(yùn)算速度計(jì)算機(jī)在在更短的時(shí)間內(nèi)主動(dòng)檢測(cè)和處理更多的數(shù)據(jù)，更快更平穩(wěn)還原平滑電流波形，同時(shí)，對(duì)設(shè)備和電網(wǎng)不斷出現(xiàn)的不確定的甚至無(wú)法建模干擾源，給出滿足精度的預(yù)測(cè)和控制措施[2]。

7 結(jié)論

從以上圖文分析，使用有源濾波器，系統(tǒng)電流波形平滑，節(jié)能效果明顯。有源電力濾波器能主動(dòng)地模擬電網(wǎng)特性，補(bǔ)償響應(yīng)速度快，消除諧波頻率段寬，從而達(dá)到改善電能質(zhì)量，降低能耗，增強(qiáng)電力安全運(yùn)行的保障。有源電力濾波器的推廣使用，意義重大。改善電能質(zhì)量，降低電力成本，推廣使用新技術(shù)、新設(shè)備，就是更好地為企業(yè)提供綠色發(fā)展，節(jié)約發(fā)展創(chuàng)造條件。