有源電力濾波器在化工企業中的應用

牛永杰

(正和集團股份有限公司,山東 東營 257300)

有源電力濾波器(Active Power Filter，APF)在化工行業的推廣使用是在近幾年的事情，應用規模不是很大，很多工廠企業主要還是使用低壓無功補償裝置。即使安裝了有源電力濾波器，也是后期改造加裝的設備。因此配電室改善功率因數的設備出現低壓無功補償器和有源電力濾波器并存的狀態。出現這種情況增加設備的投資，擠占配電設備資源。有源濾波器其主要的功能是消除諧波，提高電能質量，其次還有提升功率因數的功能。對于配電用戶來說，使用何種方式來配置自己的供電設備，需要我們用戶來對有源濾波設備和其他補償設備進行了解和比較，選擇適合自己的電能質量改善方式。

1 當前低壓無功補償器運行存在的問題

一般來講發展幾十年的工廠，它所配備的電器設備主要還是電容加電抗模式的補償單元。這種低壓無功補償裝置，使用時間比較早，結構簡單，使用經濟。通過旋轉開關，接觸器等控制設備實現人工手動投退，后期能夠實現自動投退和手動投退相結合的方式。在使用中，根據配電母線的功率因數大小，來投退電容器組，以實現提升功率因數的目的。特別是在2000年之后，無功補償控制設備增加了一些先進的檢測設備，自動控制多組容抗設備進行投切。通過這些設備，低壓無功補償器能夠補償無功，提升功率因數，同時也能消除固定頻率段諧波。它的運行同時還存在許多問題。

1.1 不能適時改善功率因數

人工投退電容器組，經常存在滯后可能性，特別是無人值守的配電室。會造成線路功率因數過低或過高。過低時補償無功不足；而過高時，出現過補的情況，抬高網絡電壓，發生無功到送；或者使電網發生諧振，非常危險。

1.2 電容器故障

實現無功補償的設備就是由多個充油電容器單元組成的電容柜。這種電容器會因使用不當，譬如發生諧振，或者本身質量原因，發生擊穿短路，滲油、鼓包，腐蝕等故障，甚至爆炸。

1.3 附件發生故障

電容投退切換回出現短時過流，致使熔絲燒斷，控制接觸器觸頭燒損。接觸器配線短路，頻繁開合時接觸器線圈少燒壞；電力壓接線因震動等原因松脫，發熱而燒損。

1.4 只消除特定頻率段的諧波

低壓無功補償器對消除諧波方面，通過設計配置配件，能做到消除5，7，11,13次諧波，對其類型諧波消除不到，消除諧波功能可調性差，補償特性受電網阻抗和運行狀態的影響大，因此對電氣設備產生的諧波消除效果不理想。

2 有源電力濾波器是目前改善電能質量，提高功率因數的良好綠色設備

2.1 有源電力濾波器使用背景

隨著國家對綠色能源的要求提高，低壓供配電網供電質量指標是380v，上下變動不超過10%，頻率50HZ，上下變動不超過0.25%[1]。但是一般化工企業，使用許多非線性負載，如電焊機，金鹵燈燈具，以及烘爐等負載。長距離的電纜線路，功率因數較低的壓縮機等。而這些設備產生的諧波饋入電網，會使用電設備和線路能耗增高，電子設備特別是繼電保護器設備失靈或誤動、拒動等情況發生。而靜態無功補償器只能改善特定頻率段的諧波。因此以可關斷電力電子器件(IGBT)為主要元器件的有源電力濾波器產生并開始運用到工廠配電室中。

2.2 有源濾波器基本原理

有源電力濾波器，是采用現代電力電子技術和基于高速數字信號處理器(DSP)數字信號處理技術制成的新型電力諧波治理專用設備。它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。指令電流運算電路實時監視線路中的電流，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。一般化工企業使用有源電力濾波器，采用并聯接入母線低壓母線系統，它直接檢測系統的諧波成分，然后通過自身的設備功能，把系統的諧波轉化成幅值相同，方向相反的諧波，以沖抵原來的諧波，它可以補償2-50次的諧波，也可以選擇性補償諧波。許多廠家已經做成功率模塊化，根據負荷設計多個模塊一起使用。當然，有源電力濾波器主要的功能是濾除諧波，它也能補償無功。

2.3 有源電力濾波器主要類別

第一類是混合型動態濾波裝置的使用。這種動態濾波補償裝置采用同一控制器實現電容分組投切和有源濾波控制；裝置可同時實現分組電容投切和動態快速靜止無功補償功能；裝置也具有有源濾波功能，可改善電能質量。這種方式等于把靜態無功補償設備和有源電力濾波器組合在一起，通過同一種控制器實現濾波和無功補償兩種功能。有的廠家把它做成套柜式，按照標準配電柜尺寸規格配置安裝在配電室中。

第二種是模塊化有源電力濾波器。這種方式是把有源電力濾波器按一定功率做成模塊，然后根據現場的電網系統的負載大小進行多個模塊的組合在一個柜子中，使用一套控制系統，實現消除諧波和提升功率因數的功能。這種方式一般是利用采用可關斷電力電子器件(如IGBT)組成自換相橋式電路，經過電抗器并聯在電網上，適當地調節橋式電路交流側輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側電流。迅速吸收或者發出所需的無功功率，實現快速動態調節無功的目的。作為有源形補償裝置，不僅可以跟蹤沖擊型負載的沖擊電流，而且可以對諧波電流也進行跟蹤補償。工作中，通過調節逆變橋中IGBT器件的開關，可以控制直流逆變到交流的電壓的幅值和相位，因此，整個裝置相當于一個調相電源。通過檢測系統中所需的無功，可以快速發出大小相等、相位相反的無功，實現無功的就地平衡，保持系統實事高高率因數運行。

3 有源電力濾波器使用前后的比較

這兩種有源濾波器使用比較，顯然第一種還具有低壓無功補償器使用的特點。在某化工企業催化配電室，低壓斷路器電流860A，三相電流基本平衡。其主要運行設備統計工頻泵類額定功率300kW，變頻泵類額定功率120kW，風機工頻泵類額定功率120kW。配電室至裝置電纜，每條長度300至400米。其他負載還有兩套套20kVA的UPS不間斷電源，一臺直流屏柜。安裝兩臺混合型有源濾波器，2016年投入使用，電源質量明顯提升。提升效果如下分析。

圖1 設備停機狀態

圖2 設備運行狀態

從圖1、圖2拍攝時間相差30分鐘，期間系統電流數值變化不大，投用混合型動態濾波裝置補償電流80A，總諧波電流有效值與基波電流有效值之比(THDI)由25%下降到14%。

混合型動態濾波裝置，是很多企業在用的電能優化設備。能達到消除諧波，提升功率因數的功能。但是從使用情況來看，還存在些許不足。由于使用電抗器，往往會產生很大噪音以及熱源。而使用接觸器，熔斷器，電容器，以及復雜的硬接線，都是容易造成設備事故原因。還有就是這樣補償裝置一旦安裝并投入使用，濾波器額定功率固定不變，一旦配電室擴容。加裝用電設備，補償容量不夠用，無法改裝。第二種方式，有源電力濾波模塊化安裝使用。某化工企業煉制裝置，其中一臺模塊化柜子使用環境，低壓斷路器進線電流600A，主要使用工頻泵類額定功率260KW，變頻泵類額定功率135KW，工頻風機150KW。2018年裝置投入運行，有源電力濾波器以多個模塊組合方式，統一控制使用。通過圖3～圖6對比分析效果。

圖3 有源電力濾波器停止時電流波形

圖4 有源電力濾波器運行時電流波形

圖5 有源電力濾波器停止時系統圖

圖6 有源電力濾波器運行系統圖

從圖3和圖4對比來看，有源電力濾波器檢測負載諧波電流并主動提供對應的補償電流，補償后的電流幾乎是純正的正弦波電流。系統電流波形改善明顯；從圖5和圖6對比來看，有源電力濾波器補償電流數值可觀。

加裝有源電力濾波器后，起到明顯改善電能質量的效果。模塊化安裝使用的有源電力濾波器，可以根據配電負載大小來確定濾波器數量，然后統一設定、控制，使用方便。多個模塊化的有源濾波器組合使用，產生較大抵消諧波電流，降低了整體故障停機率。單個APF發生故障或損壞，進行更換處理，不影響組合中其他APF的繼續使用。

5 模塊化有源濾波器還有那些問題

有源濾波器雖然不會發生電容鼓包，炸裂的故障，但是同樣它是發熱的設備，因此它必須有良好的通風，降溫措施，特別是多個模塊的有源濾波器組合在一起的配電柜，更是要保障降溫。在改善功率方面，模塊化有源電力濾波器也存在不足之處，就是其提升功率方面還有待提高，現在使用情況是諧波消除滿足國家標準，但是就提升功率因數來說，基本在0.9左右。因此很多設計配電室還在配合安裝靜態無功補償器來提升功率因數。

6 電力濾波展望

隨著經濟和技術的快速發展，非線性負荷的廣泛應用，以及供配電中網絡或設備問題造成的電力波形發生畸變，都深入影響著電力能源安全和能耗。有源電力濾波器檢測電網波形，用毫秒級的時間響應，消除諧波，補償電流。未來電能質量提升，將會借助智能技術，高運算速度計算機在在更短的時間內主動檢測和處理更多的數據，更快更平穩還原平滑電流波形，同時，對設備和電網不斷出現的不確定的甚至無法建模干擾源，給出滿足精度的預測和控制措施[2]。

7 結論

從以上圖文分析，使用有源濾波器，系統電流波形平滑，節能效果明顯。有源電力濾波器能主動地模擬電網特性，補償響應速度快，消除諧波頻率段寬，從而達到改善電能質量，降低能耗，增強電力安全運行的保障。有源電力濾波器的推廣使用，意義重大。改善電能質量，降低電力成本，推廣使用新技術、新設備，就是更好地為企業提供綠色發展，節約發展創造條件。