電力系統中有源濾波器節能技術的應用探討

摘要：有源濾波器采用的是現代電力電子技術、數字信號處理技術和先進控制理論的電力技術，它有助于電網諧波的動態性實時補償，是目前解決諧波污染、改善電能質量最有效和最具潛力的途徑之一。探討了電力變壓器節能技術的基礎理論以及節能檢測控制的集中措施，最后提出在有源濾波器中運用節能技術應注意的技術問題。

關鍵詞：有源濾波器；電力變壓器；節能

作者簡介：張偉浩（1976-），男，廣東湛江人，中國石化茂名分公司煉油分部，工程師。（廣東 茂名 525000）

中圖分類號：TM711 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）27-0208-02

有源電力濾波器（APF）指的是為治理電力系統諧波、改善電能質量所采取的有效措施，是改善和提高電能質量的有效手段之一。和傳統的無源濾波器（ PF）相比，有源電力濾波器具有能補償各次諧波、抑制閃變、補償無功、自動跟蹤補償變化諧波等技術上的優勢，使得電網電流波形保持正弦，有效提高了電能的整體質量。[1]目前，APF主要應用在負荷端有大量非線性負使用而導致電壓和電流嚴重畸變的系統之中，它最主要的功能就是消除電力系統電壓和電流之間的諧波分量，從而保留電壓和電流的基波分量。

一、基于諧波消除的電力變壓器節能理論基礎分析

空載損耗是變壓器運行的最主要損耗。其主要的構成要素包括渦流損耗以及磁滯損耗這兩種類型。其中，對于渦流損耗而言，其最主要的產生原理為：鐵芯所對應金屬感應現象引發電勢，并于鐵芯內部形成渦流現象。在受到電阻因素影響的情況下，最終引發損耗問題。結合實踐經驗證實：渦流損耗與感應電勢的平方數值呈正比例相關關系。具體來說，變壓器渦流損耗的計算方式可通過如下公式實現：

在該計算公式當中，C2的取值大小受到了變壓器厚度系數、硅鋼片材料性質的共同影響；Bm的取值大小主要決定于交變磁通狀態下磁密最大值；f的取值大小則主要決定于變壓器設備的運行頻率；V的取值大小則主要受到了變壓器鐵磁材料總體體積的影響。

而對于變壓器空載損耗當中的磁滯損耗而言，其主要是指變壓器鐵磁材料在反復性的交變磁環反應過程當中所出現的損耗問題。一般來說，磁滯回線所對應的面積大小是直接決定變壓器磁滯損耗大小的因素，兩者之間呈反比例相關關系，具體的計算方式如下所示：

在該計算公式當中，C1的取值大小受到了變壓器硅鋼片材料特性的影響，實際計算中需要綜合對鐵芯磁導率以及鐵芯密度的衡量來計算。

由以上兩式可以看出，變壓器的損耗會受到諧波電流次數的顯著影響，兩者之間的關系為正相關。從這一角度上來說，若能夠對變壓器的高次諧波進行合理的控制，勢必會對變壓器損耗的降低有顯著意義。而這也正是建立在諧波消除基礎之上，實現電力變壓器節能目的的理論原理所在。

二、有源濾波器的節能檢測控制

1.補償電流的檢測方法

（1）通過對帶阻濾波器裝置的應用，使基波電流能夠流經待檢測的電流。通過此種方式，將所獲取的變壓器高次諧波設定為檢測電流的補償對象。我們通常將此種對補償電流的檢測方式稱之為基波電流減去法。[2]此項方法的優勢在于：補償反應直觀，且可操作性強，但同樣存在一定的不足之處，即整個有源濾波器在功能實現方面相對比較簡單，僅能夠針對變壓器高次諧波進行消除。并且，對帶阻濾波器裝置的應用是建立在理想環境下的，實際環境中無法達到理想的應用狀態。因此，在現階段的電力系統建設中，較少會使用此種檢測方法。

（2）在有關補償電流檢測方面還有一個關鍵性的方法，即頻率分析法。此項檢測方法以傅里葉級數分析法為基礎而形成。在對畸變電流、電壓進行檢測的基礎之上，對其實施基于傅里葉式的轉換。轉化過程當中可將畸變電流、電流分解成分具有高次諧波代數屬性的組分，最終形成相應的補償電流。但由于其建立在傅里葉級數分析的基礎之上，導致檢測數據的分析存在比較大的難度，且相對于實際情況的可調控性較低。有源濾波器諧波檢測如圖1所示。

2.補償電流控制途徑

現階段，補償電流的控制主要可通過以下幾種途徑實現：

（1）三角載波調制法。指的是將在檢測環節所得到的電流實際值和參考值之間的偏差產生的控制信號與高頻的三角調制波展開實時比較，最后將所得到的矩形脈沖作為逆變器各個開關組件的一個控制性的信號，從而在逆變器的輸出端得到所需要的波形。這種調制方法的最大優勢在于開關的頻率比較固定，響應的速度也較快，而且對高開關頻率的系統具有較好的控制特性。但是這種方法最大的不足在于電流系統的硬件較為復雜，以致出現的誤差較大，而且調制器的帶寬是有限的，不能濾除所有調制性信號的所有脈動，輸出的波型中可能存在與三角載波相同頻率的高頻畸變分量；高頻的三角波會使逆變器一直處于保持高頻工作狀態，這就會產生較大的開關損耗和高頻失真，在大功率的系統應用中無法正常使用。

（2）滯環比較調制法。這種方法是以補償電流的參考值為基準而設計的1個滯環帶，在實際的補償電流將要離開滯環帶時，逆變器的開關就會自動工作，使得實際的電流始終停留在滯環帶以內，數值始終圍繞其參考值的上下在波動。[3]這種調制方法的優勢在于它的硬件電比較路簡單，容易實現，而且動態的響應較快，控制的精度高。但不足是對于無線連接的逆變器而言，若三相間的控制不能獨立，則勢必會產生相間的干擾，這樣就不利于快速暫停的有效控制。

三、有源電力濾波器節能措施及需要注意的問題

1.有源電力濾波器節能措施

（1）采用靜止無功補償器（SVC）提高功率因數，降低變壓器繞組損耗。無功補償能給大型電力用戶帶來明顯的經濟效益，它通過提高功率因數，使得負荷電流下降，大大減少了傳輸線路的有功損耗。

（2）實行經濟調度，提高變壓器運行效率，實現經濟運行。為實現經濟調度，常根據負載率選擇變壓器容量：根據實際需要采用并列、解列等運行方式，減少冷卻裝置消耗的功率，將冷卻器分組控制和輔機變速運行。實踐證明，使變壓器經濟運行，可使變壓器能耗下降10%以上。

（3）鐵芯損耗的控制。變壓器損耗中的空載損耗，即鐵損，主要發生在變壓器鐵芯疊片內，主要是因交變的磁力線通過鐵芯產生磁滯及渦流而帶來的損耗。

2.應用過程中存在的問題

一是在有源濾波變壓器設備容量不斷增大，開關使用頻率持續提高的背景之下，為了能夠確保對電流控制的快速性，兼顧對電流補償效果的可靠提升，就要求有源濾波變壓器設備能夠始終保持在高頻率性的運轉狀態之下。因而，如何在有源濾波變壓器的高效運行以及經濟運行方面尋求共贏性的發展，應當是各方人員重點關注并解決的問題。

二是基于對電力系統運行穩定性性能的改善，通過對有源濾波器裝置價格的降低以及功能的綜合化發展，要求能夠達到逐步緩解并消除電力系統高次諧波的問題，下一步工作的重點應當放在對有源濾波器性價比的合理提升之上。

四、結束語

有源電力濾波器節能技術的應用至關重要。在實踐工作當中，除對西方發達國家所積累電子器件制造技術進行借鑒與引入以外，還需要重視對與電力系統標準規范相契合的控制技術的研發工作。通過各方人員的通力合作，必定能夠將有源電力濾波器的節能效益充分發揮出來。

參考文獻：

[1]趙良炳，馬維新等.現代電力電子學及其在電力系統中的應用——在電力系統中應用的電力電子裝置[J].電網技術，2010，（5）.

[2]胡銘，陳絎.有源濾波技術及其應用[J].電力系統自動化，2009，

28（3）：33-38.

[3]馬曉軍，陳建業，等.單相并聯型有源濾波器的研究[J].清華大學學報，2011，35（7）：39-43.

[4]鄧恒，殷波，查曉明，等.綜合電能質量控制器[J].電網技術，

2012，25（14）：60-63.