有源電力濾波器在電除塵諧波治理中的應用

楊卓權

（廣東電力發展股份有限公司 沙角A 電廠，廣東 東莞 523900）

沙角A 電廠4 號機組電除塵電場采用高壓脈沖電源進行超低排放改造后，粉塵排放濃度和電源能耗都有了明顯下降，存在可觀的經濟效益和社會效益。但是，電除塵器高壓脈沖電源是一種由大量晶閘管等整流及換流設備構成的逆變式電源，這些電力電子元件使得除塵配電段的非線性負載增加，大量諧波電流注入到電網中，導致電壓電流波形畸變，使電能質量下降，對廠用電源及其他電氣設備的安全穩定運行造成危害。特別是諧波污染影響了上級6kV 配電系統除塵變綜合保護裝置的安全運行, 保護裝置出現間隙性死機現象，無法保證保護功能正常使用[1]。

經過方案研討，結合其他行業經驗，沙角A 電廠采用有源電力濾波器對4 號機組380V 除塵4A、4B 段進行諧波治理，通過濾除除塵段系統中由高壓脈沖電源產生的5 次、7 次等奇次諧波，減小其對本級用電設備及上游保護裝置的不良影響，從而確保廠用電安全穩定的運行。

1 治理前系統情況

沙角A 電廠4 號機組380V 除塵配電系統主接線為單母線分段結構，正常工作時兩臺1000kVA 變壓器及兩路低壓進線同時工作，低壓母聯斷開，每段含兩臺高壓脈沖電源負載。高頻脈沖電源利用EMI 濾波器和三相整流橋，將三相380V 工作電源整流得到高壓直流電，再經過IBGT 逆變模塊和諧振網絡輸出20KHz 的高頻交流電，最后高頻變壓器將其升壓整流后形成高頻高壓脈動直流送至電除塵器[2]。大量的諧波電流因電除塵器高壓脈沖電源的使用而注入到除塵段系統中，通過科陸CL316變送器電能表現場校驗儀測試得出4 號機組4A、4B 除塵變高壓側電流諧波含量非常高，以5 次和7 次等奇次諧波為主，其中5 次諧波含量17%，7 次諧波含量13%，奇次諧波電流達150A。

2 有源電力濾波器

目前國內外諧波治理及抑制的主要技術有無源濾波及有源濾波兩種。無源濾波裝置通過電容和電抗構建結構簡單的LC低阻抗回路進行濾除特定頻率的諧波，因此，無源濾波裝置成本價格比有源濾波裝置低，技術也比較成熟，但存在著補償效果差、受系統阻抗和負載變化影響等難以克服的缺陷。綜合比較，以IGBT 為核心元件的有源濾波裝置有著無可比擬的性能優勢[3]。

如圖1 所示，有源電力濾波器利用電流互感器實時檢測系統中的負載電流，并反饋到其內部的DSP 和IGBT 控制逆變器等電能變換設備，從而主動向電網輸出一個和負載諧波電流大小相等，方向相反的補償電流，達到去除諧波分量的目的[1]。

圖1 有源電力濾波器裝置一次原理圖

3 治理方案和實施效果

由治理前的諧波測量數據可知，沙角A 電廠4 號機組380V 除塵配電系統諧波問題較為突出，計劃在每段變壓器低壓側母線下加裝一臺KHAPF3(4)-150A/400/G 有源電力濾波器，濾波器輸出額定電流150A，通過實時跟蹤除塵配電段中的電流來補償每段母線負載產生的最大諧波電流。

3.1 治理方案

有源濾波器安裝接線如圖2 所示，A 段裝設的有源濾波器的動力電源取自380V 除塵4A 段母排，經空氣開關至裝置本體；B 段裝設的有源濾波器的動力電源取自380V 除塵4B 段母排，經空氣開關至裝置本體。因380V 除塵4A、4B 段#1 柜已安裝有電流互感器，不用重復裝設CT，只需將有源濾波器的CT回路串接進#1 柜的原有CT 回路。因此，需新增電纜從380V 除塵A 段#1 柜CT 端子至A 段有源濾波柜TX接線端子；新增電纜從380V 除 塵B 段#1 柜CT 端子至B 段有源濾波柜TX 接線端子。

圖2 有源濾波器安裝接線示意圖

3.2 試驗數據

安裝調試完成后，當負荷正常運行（55%-90%負荷率）時，用電能質量分析儀重點檢測4 號機組380V 除塵4A、4B 段開啟和關閉有源濾波器的兩種狀態的電源質量情況。（圖3、4、5、6）

圖3 除塵4A 段變壓器諧波治理前電源質量測量情況

圖4 除塵4A 段變壓器諧波治理后電源質量測量情況

圖5 除塵4B 段變壓器諧波治理前電源質量測量情況

圖6 除塵4B 段變壓器諧波治理后電源質量測量情況

3.3 對比結果

從上面測量情況分析可得出諧波治理前后數據如表1。

表1 濾波前后諧波數據對比情況

可以明顯看出，原有除塵系統中電壓波形和電流波形被污染現象較為嚴重，安裝有源濾波器后，除塵4A段線路中的諧波含量控制在1.6%，除塵4B段線路中的諧波含量控制在1.3%，均小于國標要求的低壓配電系統電壓總諧波畸變不大于5%的規定值[4]，4 號機組除塵段中諧波污染的現象得到了明顯的改善，諧波濾除率均控制在90%以上。從測試結果看，有源濾波器的應用使得除塵段的諧波含量顯著降低，有較好諧波治理效果。同時，經過諧波治理后，上級6kV 配電系統除塵變綜合保護裝置間歇性死機現象消失，故障率明顯下降。

4 結論

沙角A 電廠4 號機組380V 除塵4A、4B 段加裝有源濾波器改造項目，通過濾除除塵段的奇次諧波，減小了其對除塵系統的不良影響，綜合保護裝置功能恢復正常使用，在運行中故障的幾率大大降低，確保了廠用電的安全運行，保證了用電設備正常使用。隨著我們對碳達峰、碳中和等工作的持續推進,我國環保質量標準也將會不斷的完善和提高,排放監督與控制也會更加嚴格。為了滿足我國及地方的環保政策和法規的要求，作為沿海城市的重點企業，沙角A 電廠為響應國家的政策要求，降低污染負荷，必須規避影響電除塵器除塵效率的一系列問題。有源濾波器改造項目減少了對電除塵配電系統及其綜合保護裝置的損害和干擾，提高了除塵配電段供電的安全性和可靠性，確保電除塵設備安全可靠運行，這將有助于改善區域環境治理，為電廠持續改善環境質量，推動超低排放、綠色低碳發展增添助力。本項目是在電除塵高壓脈沖電源諧波治理上的成功案例，對國內電廠在諧波治理上起到啟示借鑒作用，具有良好的經濟效益和社會效益。