張煜，叢嘉慶，高宇

1 引言

隨著低壓變頻電機(jī)和低壓永磁電機(jī)在水泥和砂石骨料生產(chǎn)線項(xiàng)目中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，直流驅(qū)動(dòng)裝置及其他非線性負(fù)載也越來(lái)越多地投入使用并產(chǎn)生諧波。負(fù)載諧波電流通過(guò)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)反饋至系統(tǒng)電網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生不良影響，導(dǎo)致電氣設(shè)備性能下降，電氣設(shè)備使用壽命縮短，嚴(yán)重時(shí)可能造成人員傷亡。目前，我國(guó)各類(lèi)工業(yè)園區(qū)投入使用的電力電子設(shè)備越來(lái)越多，這些設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中均會(huì)產(chǎn)生諧波電流，消耗電網(wǎng)中的無(wú)功功率，造成電能質(zhì)量下降，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí){電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 我國(guó)電能質(zhì)量參數(shù)指標(biāo)及諧波治理方法

在理想狀態(tài)下，三相交流電力系統(tǒng)的電壓和電流的幅值及頻率是定值，電壓和電流的波形為完美的正弦波。但在電力供配電系統(tǒng)中，其實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)與理想狀態(tài)存在一定偏差，為了表征這種偏差，我國(guó)制定了電能質(zhì)量的參數(shù)指標(biāo)，包括：電壓偏差、頻率偏差、諧波含量、電壓波動(dòng)和閃變及三相不平衡度等。

為更好地提升電能質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家和電力工程技術(shù)研究人員對(duì)能夠有效改善電網(wǎng)電能質(zhì)量的電力電子裝置開(kāi)展了深入研究，并開(kāi)發(fā)出了無(wú)源電力濾波裝置、靜止無(wú)功發(fā)生器、串聯(lián)電容器、晶閘管控制電容電抗裝置、動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置、自愈式低壓并聯(lián)電容器及有源濾波裝置等眾多可用于無(wú)功補(bǔ)償和諧波治理的電氣設(shè)備。

一般來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生諧波的設(shè)備包括含有半導(dǎo)體的非線性設(shè)備及含有鐵磁和電弧的非線性設(shè)備[2]，其中，含有半導(dǎo)體的非線性設(shè)備是指各類(lèi)整流器、變頻裝置、交直流換流裝置及晶閘管控制設(shè)備；含有鐵磁和電弧的非線性設(shè)備是指熒光燈具、電焊設(shè)備和電弧爐等。在水泥或骨料生產(chǎn)線項(xiàng)目中，往往采用了大量變頻電機(jī)或永磁電機(jī)，需相應(yīng)配置變頻器裝置（含有半導(dǎo)體的非線性設(shè)備），進(jìn)而在使用時(shí)產(chǎn)生諧波。該諧波會(huì)造成電力線路發(fā)熱、變壓器附加損耗增加、開(kāi)關(guān)設(shè)備過(guò)熱，影響設(shè)備的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成火災(zāi)。

治理低壓設(shè)備的諧波，首先，應(yīng)合理設(shè)置變頻裝置的技術(shù)參數(shù)，如，增加變頻裝置的脈沖數(shù)，采用12脈沖以上的變頻裝置取代6脈沖的變頻裝置，主動(dòng)減少諧波源。其次，應(yīng)采用有源濾波裝置（Active Powert Filter，APF），利用補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行諧波的被動(dòng)治理。GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》對(duì)公用電網(wǎng)諧波電壓畸變率和電流畸變率的限制值提出了要求。為了抑制各種非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波，在電氣設(shè)計(jì)中可采用有源濾波裝置。有源濾波裝置在電氣自動(dòng)化系統(tǒng)中主要應(yīng)用于[1]：變頻設(shè)備；電氣化鐵路；不穩(wěn)定負(fù)荷；節(jié)能燈和空調(diào)集中的場(chǎng)所；高精度自動(dòng)化生產(chǎn)線等。

3 有源濾波裝置原理及特性

有源濾波裝置（APF）是一種可用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)功的電力電子裝置，其基本工作原理是，以并聯(lián)方式將有源濾波裝置接入電網(wǎng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)負(fù)載諧波分量，當(dāng)負(fù)載諧波電流超過(guò)規(guī)定限值，利用PWM變換技術(shù)，在系統(tǒng)中產(chǎn)生一個(gè)與負(fù)載諧波分量大小相等、方向相反的諧波電流，與負(fù)載諧波電流相抵消[2]。

有源濾波裝置的分類(lèi)見(jiàn)圖1。如圖1所示，按照電網(wǎng)接入方式的不同，有源濾波裝置分為并聯(lián)型、串聯(lián)型和混合型；按電源相數(shù)的不同，有源濾波裝置分為單相和三相；按儲(chǔ)能元件的不同，有源濾波裝置分為電流型和電壓型；按接入系統(tǒng)的不同，有源濾波裝置分為直接接入系統(tǒng)和間接接入系統(tǒng)兩種方式。

圖1 有源濾波裝置的分類(lèi)

在水泥或骨料生產(chǎn)線項(xiàng)目中，若有大量的非線性負(fù)載，應(yīng)考慮配置有源濾波裝置，并根據(jù)計(jì)算選取恰當(dāng)?shù)挠性礊V波裝置補(bǔ)償容量。工程項(xiàng)目中往往采用的是并聯(lián)型直接接入系統(tǒng)有源濾波裝置，其工作原理可用下述公式闡明：

式中：

iLf——負(fù)載的基波電流

iLh——諧波電流

iC——補(bǔ)償電路輸出的補(bǔ)償電流

分析可知，有源濾波裝置最大的優(yōu)勢(shì)是具有優(yōu)秀的動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償特性。

由劉方[2]的研究可知，當(dāng)系統(tǒng)諧波電流含量達(dá)到30%時(shí)，會(huì)產(chǎn)生20%的電氣線路損耗和100%的變壓器銅損；諧波電壓會(huì)使配電變壓器的鐵芯磁化曲線產(chǎn)生畸變，造成變壓器鐵損大幅增大；諧波電流在配電變壓器中會(huì)產(chǎn)生較大的渦流損耗，占用變壓器的容量，造成變壓器負(fù)載升高，引發(fā)過(guò)載等問(wèn)題。如何合理選擇有源濾波裝置的容量，是電氣設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。

4 有源濾波裝置容量計(jì)算公式的選取

諧波電流值的計(jì)算一般采用式（5）~（7），式（5）為集中濾波方式下的諧波電流計(jì)算公式，式（6）為部分濾波方式下的諧波電流計(jì)算公式，式（7）為局部濾波方式下的諧波電流計(jì)算公式。

式中：

S——變壓器額定容量

U——變壓器二次側(cè)額定電壓

K——負(fù)荷率

Un——設(shè)備額定線電壓

P——總功率

In——設(shè)備額定電流

THD——總諧波電流畸變率

集中濾波是在變壓器二次側(cè)進(jìn)行諧波集中治理；部分濾波是在已知設(shè)備功率的情況下，據(jù)此計(jì)算諧波電流值；局部濾波是指在負(fù)載的輸入端進(jìn)行就地濾波，據(jù)此計(jì)算出的諧波電流值。

在水泥或骨料生產(chǎn)線項(xiàng)目中，一般都是在電力室集中配置有源濾波裝置，不采用局部濾波的方式，因此，式（7）不適用于一般的水泥或骨料生產(chǎn)線項(xiàng)目，下面按式（5）和式（6）計(jì)算水泥或骨料生產(chǎn)線項(xiàng)目諧波電流值。

主要行業(yè)諧波電流畸變數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。由表1可以看到，工業(yè)用電的諧波電流畸變率（THD）最為嚴(yán)重，尤其以冶金化工行業(yè)為甚，其諧波電流畸變率可以達(dá)到30%，這是因?yàn)橐苯鸹ば袠I(yè)大量采用了變頻及整流裝置。而以砂石骨料和水泥生產(chǎn)為主的建材行業(yè)，因無(wú)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明其諧波電流畸變率，所以筆者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇與其相近的礦產(chǎn)開(kāi)采行業(yè)為參考，將建材行業(yè)的諧波電流畸變率按25%計(jì)算，舉例如下：

表1 主要行業(yè)諧波電流畸變數(shù)據(jù)

（1）實(shí)例一

某熟料生產(chǎn)線項(xiàng)目的窯頭電力室車(chē)間負(fù)荷，此窯頭電力室車(chē)間配置了兩臺(tái)2 000kVA配電變壓器，1號(hào)配電變壓器負(fù)荷率為69.8%，2號(hào)配電變壓器負(fù)荷率為66.6%；1號(hào)低壓母線車(chē)間額定負(fù)荷為1 650kW，2號(hào)低壓母線車(chē)間額定負(fù)荷為1 582kW；1號(hào)低壓母線下，變頻器負(fù)載額定負(fù)荷為1 179kW，2號(hào)低壓母線下，變頻器負(fù)載額定負(fù)荷為887kW。

按式（5）可計(jì)算出，1號(hào)配電變壓器下諧波補(bǔ)償容量Ih=514A，2號(hào)配電變壓器下的諧波補(bǔ)償容量Ih=491A；按式（6）可計(jì)算出，1號(hào)配電變壓器下的諧波補(bǔ)償容量Ih=320A，2號(hào)配電變壓器下的諧波補(bǔ)償容量Ih=230A。

（2）實(shí)例二

某骨料生產(chǎn)線項(xiàng)目的選粉制砂電力室車(chē)間負(fù)荷，該電力室車(chē)間配置了一臺(tái)2 500kVA的配電變壓器，車(chē)間額定負(fù)荷約為2 488kW。其中，變頻負(fù)載額定負(fù)荷約為1 129kW，變壓器負(fù)荷率約為68.7%。

按式（5）可計(jì)算出該低壓母線段的諧波補(bǔ)償容量Ih=633A，按式（6）可計(jì)算出其諧波補(bǔ)償容量Ih=304A。

由上述兩個(gè)實(shí)例可以看到，式（5）和式（6）計(jì)算出的結(jié)果存在一定的偏差，尤其是在第一個(gè)實(shí)例中，按式（5）計(jì)算，在容量相同、計(jì)算負(fù)荷率基本一致的情況下，雖然兩個(gè)車(chē)間配電變壓器變頻負(fù)載的功率不一致，但其諧波補(bǔ)償容量計(jì)算結(jié)果卻相差很小。筆者認(rèn)為式（5）更適用于無(wú)詳細(xì)低壓變頻負(fù)載、需利用配電變壓器容量估算有源濾波裝置諧波補(bǔ)償容量的情況，而式（6）更適用于水泥或骨料生產(chǎn)線項(xiàng)目的施工圖設(shè)計(jì)階段，此時(shí)配電變壓器容量、負(fù)荷率及變頻器負(fù)載的技術(shù)參數(shù)均可通過(guò)計(jì)算得出。

在施工圖設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)者計(jì)算諧波補(bǔ)償容量時(shí)，因計(jì)算公式系數(shù)較多，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)計(jì)算偏差，筆者根據(jù)水泥或骨料生產(chǎn)線項(xiàng)目的實(shí)際情況，在式（5）的基礎(chǔ)上，總結(jié)出了一個(gè)簡(jiǎn)化的有源濾波裝置諧波補(bǔ)償容量計(jì)算公式：

式中：

P——某變壓器下的全部低壓變頻器額定功率

C——常數(shù)，水泥或骨料生產(chǎn)線項(xiàng)目中的總諧波電流畸變率取值一般比較固定，部分計(jì)算結(jié)果可固定為常數(shù)，C值為0.4

K——變壓器負(fù)荷率

按式（8）計(jì)算可得實(shí)例一中，1號(hào)配電變壓器下的諧波補(bǔ)償容量Ih=330A，2號(hào)配電變壓器下諧波補(bǔ)償容量Ih=236A；實(shí)例二中，低壓母線段的諧波補(bǔ)償容量Ih=310A。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，式（8）計(jì)算結(jié)果與式（6）計(jì)算結(jié)果比較接近，偏差不大，且此公式計(jì)算簡(jiǎn)便快速，更適用于水泥或骨料生產(chǎn)線項(xiàng)目。同時(shí)，筆者建議在安裝有源濾波裝置的相應(yīng)低壓母線進(jìn)線柜處，安裝可以檢測(cè)諧波分量的計(jì)量裝置，以檢測(cè)有源濾波裝置投運(yùn)前后的諧波參數(shù)。

5 有源濾波裝置關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)、選型與接線

5.1 有源濾波裝置關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

除了關(guān)注有源濾波裝置的容量，在進(jìn)行電氣設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)關(guān)注有源濾波裝置的其他關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。對(duì)于工程總承包項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，電氣專(zhuān)業(yè)應(yīng)在技術(shù)文件中明確在基本工作條件下滿足有源濾波裝置性能指標(biāo)。若項(xiàng)目處于特殊氣象或地質(zhì)環(huán)境工作條件，應(yīng)將信息及時(shí)反饋設(shè)備廠家，并調(diào)整相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)。有源濾波裝置基本工作條件如下：

（1）環(huán)境溫度:-20℃~+50℃

（2）相對(duì)濕度:日平均值≯95%，月平均值≯90%，無(wú)凝露。

（3）海拔高度：≤2 000m

（4）抗震等級(jí)：7級(jí)

（5）空氣中無(wú)足以損壞絕緣體和腐蝕金屬的氣體，無(wú)導(dǎo)電及易燃易爆的介質(zhì)存在。

在技術(shù)標(biāo)書(shū)中，必須先明確有源濾波裝置的相關(guān)技術(shù)參數(shù)后，再編制并確定有源濾波裝置的技術(shù)招標(biāo)文件，要求設(shè)備廠家核實(shí)并確認(rèn)參數(shù)和偏差情況。如明確有源濾波裝置容量（150A）、IGBT品牌（德國(guó)英飛凌或其他）、接線方式（三相三線或三相四線）、接入的電壓和頻率（380V±20%或其他，50Hz±10%或其他）、濾波范圍（2~50次諧波全補(bǔ)償或指定次數(shù)補(bǔ)償）、整機(jī)效率（97%）、響應(yīng)時(shí)間（5ms）、有功損耗（<3%）、接入電網(wǎng)方式（并聯(lián)入網(wǎng)）、補(bǔ)償率、通訊方式（RS485接口）、機(jī)柜IP防護(hù)等級(jí)（IP3X）、機(jī)柜安裝方式（落地整柜或壁裝）、機(jī)柜尺寸等。

在上述有源濾波裝置的技術(shù)參數(shù)中，裝置容量、補(bǔ)償次數(shù)、補(bǔ)償率、響應(yīng)時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)是電氣設(shè)計(jì)時(shí)必須予以明確的。有源濾波裝置容量的定義與其他三相交流設(shè)備容量的定義相同，但有源濾波裝置供應(yīng)商一般采用的是電流標(biāo)稱(chēng)，如50A、75A、150A、250A等；需要注意的是，有源濾波裝置輸出電流不是任何頻次電流都可以達(dá)到額定值，補(bǔ)償次數(shù)需在招標(biāo)時(shí)與供應(yīng)商澄清具體要求；有源濾波裝置的補(bǔ)償率為針對(duì)典型負(fù)載的補(bǔ)償率；有源濾波裝置的響應(yīng)時(shí)間，是指諧波負(fù)載投入后，電網(wǎng)諧波電流被完全濾除或達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需時(shí)間。

5.2 有源濾波裝置的選型

目前，在水泥或骨料生產(chǎn)線項(xiàng)目中，常用的有源濾波裝置是整柜式，有源濾波裝置整柜可與低壓柜并柜，也可獨(dú)立設(shè)置，可根據(jù)工程項(xiàng)目的具體情況選擇采取何種形式。同時(shí)，在電氣設(shè)計(jì)階段，應(yīng)了解不同廠家有源濾波裝置的柜型及模塊參數(shù)的區(qū)別。三個(gè)不同廠家有源濾波裝置柜型及模塊參數(shù)對(duì)比如表2所示。由表2可以看到，三個(gè)廠家在柜型尺寸、單組模塊、單柜最大容量均略有差別。在施工圖設(shè)計(jì)階段，應(yīng)關(guān)注設(shè)備的選型和參數(shù)的選擇。如，計(jì)算所得諧波補(bǔ)償容量Ih=310A，按廠家A和廠家C情況，可以選擇補(bǔ)償容量為350A的有源濾波柜；按廠家B情況，則可以選擇325A的有源濾波柜，這些均需根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)行選型。目前，有些電能質(zhì)量保障設(shè)備廠家，將用于低壓母線的有源濾波裝置和低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置結(jié)合在一起，組成電能質(zhì)量改善電氣設(shè)備，這可能會(huì)成為提升電能質(zhì)量的另一種解決方案。

表2 不同廠家有源濾波裝置柜型及模塊參數(shù)

5.3 有源濾波裝置的接線

有源濾波裝置的接線，分為信號(hào)電纜和動(dòng)力電纜，信號(hào)電纜用于連接電流互感器和濾波器，一般選擇屏蔽電纜，而動(dòng)力電纜在工程實(shí)踐中一般按截面相同的四芯電纜選型。動(dòng)力電纜規(guī)格見(jiàn)表3。

表3 動(dòng)力電纜規(guī)格

6 結(jié)語(yǔ)

在水泥或骨料生產(chǎn)線項(xiàng)目中，選擇有源濾波裝置不僅能夠達(dá)到良好的節(jié)能效果，也能取得一定的經(jīng)濟(jì)效益，需根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際非線性負(fù)載情況，通過(guò)計(jì)算，選擇合適的容量。

在諧波電流計(jì)算理論公式的基礎(chǔ)上，筆者根據(jù)水泥或骨料生產(chǎn)線項(xiàng)目的實(shí)際情況，總結(jié)出了一個(gè)簡(jiǎn)化的有源濾波裝置諧波補(bǔ)償容量計(jì)算公式，利用此經(jīng)驗(yàn)公式，在施工圖階段可快速準(zhǔn)確計(jì)算出不同低壓母線所需的有源濾波裝置容量。計(jì)算實(shí)例顯示，此經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果與理論值很接近，可用于實(shí)際工程項(xiàng)目選型計(jì)算。

在總承包項(xiàng)目中，需根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，合理選擇有源濾波裝置的技術(shù)參數(shù)，尤其是有源濾波裝置的補(bǔ)償容量、補(bǔ)償次數(shù)、補(bǔ)償率和響應(yīng)時(shí)間。同時(shí)，應(yīng)注意不同有源濾波裝備廠家的設(shè)備參數(shù)差異，優(yōu)化有源濾波裝置的選型，建議在各個(gè)電力室的低壓進(jìn)線柜處，裝設(shè)可測(cè)量諧波分量的多功能測(cè)量表，獲取不同車(chē)間典型負(fù)荷下的THD，進(jìn)而在多個(gè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，得到更精確的建材行業(yè)THD值。