張煜，叢嘉慶，高宇

1 引言

隨著低壓變頻電機和低壓永磁電機在水泥和砂石骨料生產(chǎn)線項目中的應(yīng)用越來越廣泛，直流驅(qū)動裝置及其他非線性負載也越來越多地投入使用并產(chǎn)生諧波。負載諧波電流通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)反饋至系統(tǒng)電網(wǎng)，對電網(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，嚴重時可能造成人員傷亡。目前，我國各類工業(yè)園區(qū)投入使用的電力電子設(shè)備越來越多，這些設(shè)備在運行過程中均會產(chǎn)生諧波電流，消耗電網(wǎng)中的無功功率，造成電能質(zhì)量下降，嚴重時甚至會威脅電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

2 我國電能質(zhì)量參數(shù)指標及諧波治理方法

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，其實際運行狀態(tài)與理想狀態(tài)存在一定偏差，為了表征這種偏差，我國制定了電能質(zhì)量的參數(shù)指標，包括：電壓偏差、頻率偏差、諧波含量、電壓波動和閃變及三相不平衡度等。

為更好地提升電能質(zhì)量，國內(nèi)外科學家和電力工程技術(shù)研究人員對能夠有效改善電網(wǎng)電能質(zhì)量的電力電子裝置開展了深入研究，并開發(fā)出了無源電力濾波裝置、靜止無功發(fā)生器、串聯(lián)電容器、晶閘管控制電容電抗裝置、動態(tài)無功補償裝置、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功補償和諧波治理的電氣設(shè)備。

一般來說，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)線項目中，往往采用了大量變頻電機或永磁電機，需相應(yīng)配置變頻器裝置（含有半導(dǎo)體的非線性設(shè)備），進而在使用時產(chǎn)生諧波。該諧波會造成電力線路發(fā)熱、變壓器附加損耗增加、開關(guān)設(shè)備過熱，影響設(shè)備的使用壽命，嚴重時會造成火災(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，主動減少諧波源。其次，應(yīng)采用有源濾波裝置（Active Powert Filter，APF），利用補償技術(shù)進行諧波的被動治理。GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》對公用電網(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載產(chǎn)生的諧波，在電氣設(shè)計中可采用有源濾波裝置。有源濾波裝置在電氣自動化系統(tǒng)中主要應(yīng)用于[1]：變頻設(shè)備；電氣化鐵路；不穩(wěn)定負荷；節(jié)能燈和空調(diào)集中的場所；高精度自動化生產(chǎn)線等。

3 有源濾波裝置原理及特性

有源濾波裝置（APF）是一種可用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的電力電子裝置，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)，實時監(jiān)測負載諧波分量，當負載諧波電流超過規(guī)定限值，利用PWM變換技術(shù)，在系統(tǒng)中產(chǎn)生一個與負載諧波分量大小相等、方向相反的諧波電流，與負載諧波電流相抵消[2]。

有源濾波裝置的分類見圖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

在水泥或骨料生產(chǎn)線項目中，若有大量的非線性負載，應(yīng)考慮配置有源濾波裝置，并根據(jù)計算選取恰當?shù)挠性礊V波裝置補償容量。工程項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——負載的基波電流

iLh——諧波電流

iC——補償電路輸出的補償電流

分析可知，有源濾波裝置最大的優(yōu)勢是具有優(yōu)秀的動態(tài)跟蹤補償特性。

由劉方[2]的研究可知，當系統(tǒng)諧波電流含量達到30%時，會產(chǎn)生20%的電氣線路損耗和100%的變壓器銅損；諧波電壓會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產(chǎn)生較大的渦流損耗，占用變壓器的容量，造成變壓器負載升高，引發(fā)過載等問題。如何合理選擇有源濾波裝置的容量，是電氣設(shè)計時需重點關(guān)注的內(nèi)容。

4 有源濾波裝置容量計算公式的選取

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

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)此計算諧波電流值；局部濾波是指在負載的輸入端進行就地濾波，據(jù)此計算出的諧波電流值。

在水泥或骨料生產(chǎn)線項目中，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)線項目，下面按式（5）和式（6）計算水泥或骨料生產(chǎn)線項目諧波電流值。

主要行業(yè)諧波電流畸變數(shù)據(jù)見表1。由表1可以看到，工業(yè)用電的諧波電流畸變率（THD）最為嚴重，尤其以冶金化工行業(yè)為甚，其諧波電流畸變率可以達到30%，這是因為冶金化工行業(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)，因無文獻數(shù)據(jù)說明其諧波電流畸變率，所以筆者根據(jù)經(jīng)驗選擇與其相近的礦產(chǎn)開采行業(yè)為參考，將建材行業(yè)的諧波電流畸變率按25%計算，舉例如下：

表1 主要行業(yè)諧波電流畸變數(shù)據(jù)

（1）實例一

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

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

（2）實例二

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

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

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

在施工圖設(shè)計階段，設(shè)計者計算諧波補償容量時，因計算公式系數(shù)較多，有時會出現(xiàn)計算偏差，筆者根據(jù)水泥或骨料生產(chǎn)線項目的實際情況，在式（5）的基礎(chǔ)上，總結(jié)出了一個簡化的有源濾波裝置諧波補償容量計算公式：

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)線項目中的總諧波電流畸變率取值一般比較固定，部分計算結(jié)果可固定為常數(shù)，C值為0.4

K——變壓器負荷率

按式（8）計算可得實例一中，1號配電變壓器下的諧波補償容量Ih=330A，2號配電變壓器下諧波補償容量Ih=236A；實例二中，低壓母線段的諧波補償容量Ih=310A。

根據(jù)計算結(jié)果可知，式（8）計算結(jié)果與式（6）計算結(jié)果比較接近，偏差不大，且此公式計算簡便快速，更適用于水泥或骨料生產(chǎn)線項目。同時，筆者建議在安裝有源濾波裝置的相應(yīng)低壓母線進線柜處，安裝可以檢測諧波分量的計量裝置，以檢測有源濾波裝置投運前后的諧波參數(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，在進行電氣設(shè)計時，還應(yīng)關(guān)注有源濾波裝置的其他關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。對于工程總承包項目來說，電氣專業(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。若項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）相對濕度:日平均值≯95%，月平均值≯90%，無凝露。

（3）海拔高度：≤2 000m

（4）抗震等級：7級

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

在技術(shù)標書中，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)招標文件，要求設(shè)備廠家核實并確認參數(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次諧波全補償或指定次數(shù)補償）、整機效率（97%）、響應(yīng)時間（5ms）、有功損耗（<3%）、接入電網(wǎng)方式（并聯(lián)入網(wǎng)）、補償率、通訊方式（RS485接口）、機柜IP防護等級（IP3X）、機柜安裝方式（落地整柜或壁裝）、機柜尺寸等。

在上述有源濾波裝置的技術(shù)參數(shù)中，裝置容量、補償次數(shù)、補償率、響應(yīng)時間等關(guān)鍵參數(shù)是電氣設(shè)計時必須予以明確的。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稱，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到額定值，補償次數(shù)需在招標時與供應(yīng)商澄清具體要求；有源濾波裝置的補償率為針對典型負載的補償率；有源濾波裝置的響應(yīng)時間，是指諧波負載投入后，電網(wǎng)諧波電流被完全濾除或達到穩(wěn)定狀態(tài)所需時間。

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，也可獨立設(shè)置，可根據(jù)工程項目的具體情況選擇采取何種形式。同時，在電氣設(shè)計階段，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。三個不同廠家有源濾波裝置柜型及模塊參數(shù)對比如表2所示。由表2可以看到，三個廠家在柜型尺寸、單組模塊、單柜最大容量均略有差別。在施工圖設(shè)計階段，應(yīng)關(guān)注設(shè)備的選型和參數(shù)的選擇。如，計算所得諧波補償容量Ih=310A，按廠家A和廠家C情況，可以選擇補償容量為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)工程實際進行選型。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功補償裝置結(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，分為信號電纜和動力電纜，信號電纜用于連接電流互感器和濾波器，一般選擇屏蔽電纜，而動力電纜在工程實踐中一般按截面相同的四芯電纜選型。動力電纜規(guī)格見表3。

表3 動力電纜規(guī)格

6 結(jié)語

在水泥或骨料生產(chǎn)線項目中，選擇有源濾波裝置不僅能夠達到良好的節(jié)能效果，也能取得一定的經(jīng)濟效益，需根據(jù)項目實際非線性負載情況，通過計算，選擇合適的容量。

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

在總承包項目中，需根據(jù)項目實際情況，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償容量、補償次數(shù)、補償率和響應(yīng)時間。同時，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，建議在各個電力室的低壓進線柜處，裝設(shè)可測量諧波分量的多功能測量表，獲取不同車間典型負荷下的THD，進而在多個項目數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，得到更精確的建材行業(yè)THD值。