有源濾波在諧波治理中的應用

劉鳴峰

（江蘇中天鋼鐵集團有限公司自動化處，江蘇常州213011）

有源濾波在諧波治理中的應用

劉鳴峰

（江蘇中天鋼鐵集團有限公司自動化處，江蘇常州213011）

介紹了常州中天鋼鐵第三軋鋼廠輔傳動系統產生諧波的主要情況，根據測試該變壓器的各次諧波結果，設計選用ABB PQFM型有源濾波器，通過測試濾波前后的相電流和三相電流電壓波形，并進行比較分析，得出結論：濾波器的濾波效率明顯，超過95%。

有源濾波；選型；測試參數

1 前言

中天鋼鐵集團第三軋鋼廠在籌建初期主要是生產螺紋鋼，后來迫于市場價格的不斷下滑壓力，利用現有設備進行技術改造，改造后主要進行?30～?110圓鋼的生產。

2 問題的提出

首先介紹一下三軋廠的輔傳動供配電及傳動系統，圖1為輔傳動系統改造前的電氣控制單線原理圖。圖2為改造后的輔傳動電氣控制單線原理圖。

圖1 輔傳動系統改造前的電氣控制單線原理圖

圖2 改造后的輔傳動電氣控制單線原理圖

在眾多的改造中，輔傳動部分改動最大，增加了輥道電機100多個，更換了大的變頻器。起初一切正常，但在正常生產數個月之后，在輥道供電系統中，有幾臺小容量的變頻器在旁邊的大變頻器啟動時偶爾會發生小變頻器過壓燒毀的事故，嚴重影響了正常的生產節奏。

3 問題分析

通過對該輔傳動系統電能質量檢測，發現該系統中存在大量的諧波電流。在大變頻器啟動時，負荷沖擊電流非常大（大約是正常電流的3～4倍），同時伴隨著非常大的諧波電流的沖擊。因此判斷正是過大的諧波電流沖擊造成了小變頻器的損壞，因為小變頻器耐壓低。

圖3～圖8是部分檢測圖片數據。

量程說明：由于電流鉗的量程是10倍，所以所有的電流和功率都要將示數乘以10才是實際數值。

圖3 負荷穩定時的電壓和電流波形

圖4 負荷穩定時的諧波頻譜

圖5 負荷穩定時的功率和功率因數

圖6 功率和功率因數記錄

圖7 系統運行時的電壓與電流

圖8 系統啟動時的電壓與電流

從圖3中可以看出，5次和7次諧波是主電路上的主要諧波成分。該輔傳動系統中的諧波含量高達62%，諧波比例非常高。

從圖7、圖8中可以看出，系統在運行時，有非常大的電流沖擊，有時甚至比穩態運行電流高出3～4倍。

我們知道電網質量與供電的波幅、頻率和波形畸變等因素有關。供電的波幅、頻率很大程度上由發電廠控制，而電流和電壓波形的畸變則歸因于用電的設備和負載。線性負載，如白熾燈泡、電阻發熱絲或電容器組，它們的電流波形和正常電網電壓波形是一致的正弦波。而如今使用的大部分負載是非線性的，如變頻調速設備、整流器、不間斷電源等等，這些負載的電流波形不再和電網的正弦電壓波形一致，因而產生畸變現象。對于三軋廠的輔傳動系統變頻器的大量使用就是諧波產生的來源。

4 治理方案的確定

4.1 有源濾波器與無源濾波器的比較

因電力部門要求，功率因數補償要達到0.90以上，因此實際的工程項目中功率因數均在0.92左右。因無源濾波器是根據功率因數的高低投切電容器以濾除諧波，因此在電網功率因數很高但諧波很大的場合濾波效果差，而有源濾波器根據諧波電流大小控制濾波，采用閉環技術，精度佳，濾波效率高。無源濾波器只能濾除某一次諧波。如需要同時濾除多次諧波，則體積龐大，價格昂貴，而有源濾波器可同時濾除20種諧波，即可同時濾除3、5、7、11、13、17、19等多次諧波。可濾除最高達50次的諧波。無源濾波器容易過載，當因過載旁路后，無任何濾波效果。有源濾波器不會發生過載，只根據濾波電源大小和本身能力濾波，電力電子技術給我們生活生產及工作帶來方便、高效及節能等巨大利益的同時，它的非線性、高動態性和不平衡用電特性，對公網注入大量的諧波和沖擊無功功率，電能質量有明顯惡化的趨勢。傳統的諧波抑制和無功補償方法是無源濾波技術，即使用由電力電容器和濾波電抗器等無源器件構成無源濾波器。

近年來，由于以IGBT技術為代表的電力電子器件及其控制技術的發展，有源濾波技術的發展逐步走向成熟。與無源濾波器相比，有源濾波具有高度可控制性和快速響應性，并且能跟蹤補償各次諧波、自動產生所需變化的無功功率，其特性不受系統影響，無濾波放大危險，相對體積重量較小等突出優點，因而已成為電力諧波抑制和無功補償的重要手段。

有源濾波產品是一種基于電流檢測和電流注入技術的電力電子產品。工作原理為：通過實時檢測負載電流波形，濾除波形中的基波（50/60 Hz）成分，將剩余部分的波形反向，通過控制IGBT的觸發，將反向電流注入供電系統中，實現濾除（抵消）諧波、動態補償系統波動、抑制諧振、提高功率因數等功能。

綜上所述，本設計考慮選用有源濾波器。

4.2 有源濾波器連接方式的選擇

有源濾波器有串聯和并聯兩種連接方式。

4.2.1串聯方式

（1）缺少靈活性，有較大的損耗。（2）會像無源濾波一樣容易過載。

（3）有源濾波器存在質量問題會影響整條線路的供電，降低供電可靠性。

4.2.2并聯方式

（1）靈活性好,可容易地連接到配電系統的任意位置，實現局部補償，部分補償或總補償。

（2）擴容性好，非線性負載增大時，可直接并聯擴容，簡單方便。（3）安全性好，可保證對負荷的連續安全供電。綜上所述，本方案考慮的有源濾波器是以并聯形式連接的。

5 有源濾波器的選型

根據綜合性能比較，本方案選用ABB的有源濾波器，具體配置如下：

諧波電流有效值：225 A（400 V/50 Hz）；

型號：PQFM；

數量：1套；

附件：PQF-Manager、PQF-link（配置和管理軟件）。

6 具體方案

最終確定的方案如圖9所示。

圖9 最終確定的方案

7 有源濾波器的效果

PQFM濾波器設置：設置濾除3次、5次、7次、11次、13次、17次、19次諧波。

濾波器前后三相電流波形對照如圖10、11。

圖10 濾波前波形

圖11 濾波后波形

從圖上數據可以看出：濾波器安裝正確，工作正常，濾波器的濾波效率明顯，超過95%。總體上看，濾波器的效果達到了方案預想的目標。

8 調試結果分析

（1）從設備安裝情況看，設備都安裝正確，都能夠正常啟動和投入運行，狀況穩定，各項參數都能按照既定的要求進行設定。

（2）從目前投入濾波的濾波器的效果來看，諧波的濾除比例超過95%，效果達到了工程預先設計的目標。

（3）用戶技術人員基本上能熟練操作濾波設備，能正確使用相應軟件和控制儀器，熟練調整各種參數處理基本常見故障。

[1]GB/T 149549-93，電能質量公用電網諧波[S].

[2]潘晨湘，蔣麥占.通用變頻器的輸入電流及其諧波[J].電氣工程應用，2001，（3）.

[3]王兆安.諧波抑制和無功功率補償[M].北京：機械工業出版社，1998.

Application of Active Power Filter in Harmonic Suppressing

LIU Mingfeng
(Zenith Iron&Steel Group Co.,Ltd.,Changzhou,Jiangsu 213011,China)

The main harmonics situation of the auxiliary transmission system of No.3 rolling mill of Zenith Iron&Steel Group Co.,Ltd.is introduced.On the basis of harmonics test results of the transformer,ABB PQFM active power filter is selected in design.The phase current and the three phase current and voltage waveform before and after filtering are tested and compared.It is concluded that filtering efficiency of the filter is obvious and more than 95%.

active power filter;type selection;parameter testing

TN713

B

1006-6764(2013)07-0007-05

2012-12-03

劉鳴峰（1977-），男，畢業于河海大學電氣技術及自動控制專業，工程師，現從事自動化控制技術管理工作。