采用APF進行諧波治理和無功補償的工程應用

容志亮

（廣東強盈電氣廠有限公司，廣東 江門 529100）

引言

隨著我國工業化進程的不斷推進，諧波成為影響工業用電的主要問題，對我國的工業發展帶來嚴重的阻礙。大部分工礦企業的用電情況復雜，大量非線性負荷使供電系統中高次諧波含量增加，引起電網電壓畸變，常規無功補償設備無法有效應對。

一、諧波的危害及產生原因

諧波使電能傳輸和利用的效率降低，使電氣設備過熱，并使絕緣老化、縮短使用壽命，甚至發生故障或燒毀。諧波可引起電力系統局部并聯諧振或串聯諧振，使諧波電流放大幾倍甚至數十倍，造成過電流，使電容器等設備燒毀。諧波還會引起繼電保護和自動裝置誤動作，使測量儀表計量不準確。諧波對通信設備和電子設備會產生嚴重干擾。諧波產生的危害日益嚴重，迫使供電公司對一些用電量大的單位進行嚴格管制，限制其產生諧波電流的大小，以此來消除諧波污染帶來的電能質量問題。同時，國家也出臺了相關的標準和規范對諧波的控制和治理進行督導。對于一些以變頻器、開關電源、電弧爐等驅動和用電設備為主的工礦企業，其電源系統容易出現諧波含量高、功率因數低等狀況。

造成諧波含量超標的原因：①電力電子設備主要包括整流器、變頻器、開關電源、靜態換流器、晶閘管系統及其他SCR控制系統的使用。②沖擊性負荷如電弧爐、軋鋼機、提升機等設備及氣體電光源設備的廣泛應用。隨著電力電子裝置的日益增多，這部分諧波源產生的諧波所占的比重越來越大，目前它已成為電力系統中諧波的主要來源。

二、治理方案對比

（一）無源濾波器

無源濾波器由電感、電容和電阻元件組合而成，通過調諧來控制吸收諧波電流。這種裝置造價較低，在目前的諧波治理領域應用較為廣泛。該裝置的主要缺點是易和系統產生并聯諧振。因此在設計時，需要充分考慮電容器容量、母線短路容量以及串聯電抗器電抗率之間的關系，避免因設計不合理造成濾波支路的諧振引起系統過電壓和過電流。采用傳統的無源濾波方案，存在的主要問題有：

（1）電容和電抗器僅針對某次諧波濾波，系統工況變化后濾波效果明顯下降；

（2）濾除諧波同時兼顧無功補償，設計不善有可能造成系統發生諧振，導致系統崩潰，設備損壞。

（3）諧波環境下的表現差，LC方案為電容和電抗串聯，有阻抗、元器件對諧波形成回路，容易過載，諧波會加速電容器容值衰減，影響設備使用壽命；

（4）LC濾波回路與電壓關系密切，LC的濾波和無功補償量與電網電壓的平方呈正比，當電網電壓跌落時，濾波和無功補償量下降較多。

（二）APF

隨著大功率可關斷電力電子器件IGBT控制技術的成熟，應用于跟隨電網的波形快速變化進行諧波治理技術的產品APF逐漸成為電力濾波的主流產品。APF由指令電流運算電路和補償電流發生電路兩個主要部分組成，指令電流運算電路通過外部采集負載的電流和電壓信號，并將模擬電流信號轉換為數字信號，送入高速數字信號處理器DSP對信號進行處理，將諧波與基波分離，并以脈寬調制PWM信號形式向補償電流發生電路送出驅動脈沖，驅動IGBT或IPM功率模塊，生成與電網諧波電流幅值相等、極性相反的補償電流注入電網，對諧波電流進行補償或抵消，主動消除電力諧波。

三、諧波治理應用及治理效果案例

某工礦企業1#變壓器型號為SCB10-1250/10/0.4kV，變壓器運行中升溫過快、系統供電不穩定、無功補償電容器經常性爆裂、加工設備的穩定性較差。經實地考察，變壓器低壓側負載驅動裝置以變頻器、開關電源為主。低壓供電設備為固定式開關柜，型號為GGD，低壓補償柜分主柜和副柜共2臺，補償容量分別為250kvar和125kvar。

（一）參數測試與分析

為詳細了解該企業存在的電能質量問題，采用KN-2000QPQExplorer電能質量分析設備對1#變壓器0.4kV出線端進行電能質量檢測和分析，測試依據是GB/T14549-93《電能質量公用電網諧波》、GB17626.7-1998《供電系統及所連接設備諧波和間諧波的測量和測量儀器類別》。主要檢測內容為運行電壓、電流、電壓偏差、閃變、三相不平衡度、有功功率、無功功率、功率因數、頻率諧波等。

（二）諧波治理及實施方案

（1）APF采用三電平拓撲電路，三電平設計使得IGBT承受反向電壓僅為兩電平的1/2，所以IGBT運行速度更快、損耗更低且更加穩定安全。（2）三電平設計使得逆變電路紋波電流特別小，所以濾波器的濾波電感和電容也比兩電平逆變電路小得多。這樣使得APF的散熱減小、效率更高、體積更小、重量更輕，更適合現場緊湊的安裝環境，或者在已定的空間內，安裝容量最大化。（3）APF模塊在現場安裝時作業量小，只需要簡單做1-2次導線的連接，施工時間短，施工質量有保證。（4）相同容量模塊的APF單機之間的尺寸、結構、內部元器件排列均完全統一，安裝工藝美觀大方，而整柜式APF在安裝生產時卻需要根據現場實際情況經常變動濾波器尺寸、結構及內部元器件的排列方式。

結語

總之，采用APF對電源系統進行諧波治理和無功補償，系統諧波濾除率達90%以上，設備自身不會放大系統諧波，且對50次以內諧波有較強的濾除作用，不會像無源濾波器隨著電力電容容量衰減，LC電路諧振點會偏移，存在諧振風險；設備對于三相負載不平衡性能上也會有較大的改進，三相交流電通過直流側連接，可以調配功率；設備能快速響應電壓突變，抑制電網電壓波動和閃變，穩定了電網的電壓，從而有效提升了電壓合格率。采用APF能夠有效降低電網線損，提高供電質量和用電效率，延長變壓器、變頻器等設備的使用壽命。因此，在非線性負荷系統中采用APF進行濾波補償，不僅能節能降耗，產生巨大的經濟效益，而且在保障系統安全運行方面也發揮了巨大的作用。