有源濾波裝置容量計算與設備選型

張煜，叢嘉慶，高宇

1 引言

隨著低壓變頻電機和低壓永磁電機在水泥和砂石骨料生產線項目中的應用越來越廣泛，直流驅動裝置及其他非線性負載也越來越多地投入使用并產生諧波。負載諧波電流通過系統網絡反饋至系統電網，對電網電能質量產生不良影響，導致電氣設備性能下降，電氣設備使用壽命縮短，嚴重時可能造成人員傷亡。目前，我國各類工業園區投入使用的電力電子設備越來越多，這些設備在運行過程中均會產生諧波電流，消耗電網中的無功功率，造成電能質量下降，嚴重時甚至會威脅電網系統的穩定運行。

2 我國電能質量參數指標及諧波治理方法

在理想狀態下，三相交流電力系統的電壓和電流的幅值及頻率是定值，電壓和電流的波形為完美的正弦波。但在電力供配電系統中，其實際運行狀態與理想狀態存在一定偏差，為了表征這種偏差，我國制定了電能質量的參數指標，包括：電壓偏差、頻率偏差、諧波含量、電壓波動和閃變及三相不平衡度等。

為更好地提升電能質量，國內外科學家和電力工程技術研究人員對能夠有效改善電網電能質量的電力電子裝置開展了深入研究，并開發出了無源電力濾波裝置、靜止無功發生器、串聯電容器、晶閘管控制電容電抗裝置、動態無功補償裝置、自愈式低壓并聯電容器及有源濾波裝置等眾多可用于無功補償和諧波治理的電氣設備。

一般來說，產生諧波的設備包括含有半導體的非線性設備及含有鐵磁和電弧的非線性設備[2]，其中，含有半導體的非線性設備是指各類整流器、變頻裝置、交直流換流裝置及晶閘管控制設備；含有鐵磁和電弧的非線性設備是指熒光燈具、電焊設備和電弧爐等。在水泥或骨料生產線項目中，往往采用了大量變頻電機或永磁電機，需相應配置變頻器裝置（含有半導體的非線性設備），進而在使用時產生諧波。該諧波會造成電力線路發熱、變壓器附加損耗增加、開關設備過熱，影響設備的使用壽命，嚴重時會造成火災。

治理低壓設備的諧波，首先，應合理設置變頻裝置的技術參數，如，增加變頻裝置的脈沖數，采用12脈沖以上的變頻裝置取代6脈沖的變頻裝置，主動減少諧波源。其次，應采用有源濾波裝置（Active Powert Filter，APF），利用補償技術進行諧波的被動治理。GB/T 14549-1993《電能質量公用電網諧波》對公用電網諧波電壓畸變率和電流畸變率的限制值提出了要求。為了抑制各種非線性負載產生的諧波，在電氣設計中可采用有源濾波裝置。有源濾波裝置在電氣自動化系統中主要應用于[1]：變頻設備；電氣化鐵路；不穩定負荷；節能燈和空調集中的場所；高精度自動化生產線等。

3 有源濾波裝置原理及特性

有源濾波裝置（APF）是一種可用于動態抑制諧波、補償無功的電力電子裝置，其基本工作原理是，以并聯方式將有源濾波裝置接入電網，實時監測負載諧波分量，當負載諧波電流超過規定限值，利用PWM變換技術，在系統中產生一個與負載諧波分量大小相等、方向相反的諧波電流，與負載諧波電流相抵消[2]。

有源濾波裝置的分類見圖1。如圖1所示，按照電網接入方式的不同，有源濾波裝置分為并聯型、串聯型和混合型；按電源相數的不同，有源濾波裝置分為單相和三相；按儲能元件的不同，有源濾波裝置分為電流型和電壓型；按接入系統的不同，有源濾波裝置分為直接接入系統和間接接入系統兩種方式。

圖1 有源濾波裝置的分類

在水泥或骨料生產線項目中，若有大量的非線性負載，應考慮配置有源濾波裝置，并根據計算選取恰當的有源濾波裝置補償容量。工程項目中往往采用的是并聯型直接接入系統有源濾波裝置，其工作原理可用下述公式闡明：

式中：

iLf——負載的基波電流

iLh——諧波電流

iC——補償電路輸出的補償電流

分析可知，有源濾波裝置最大的優勢是具有優秀的動態跟蹤補償特性。

由劉方[2]的研究可知，當系統諧波電流含量達到30%時，會產生20%的電氣線路損耗和100%的變壓器銅損；諧波電壓會使配電變壓器的鐵芯磁化曲線產生畸變，造成變壓器鐵損大幅增大；諧波電流在配電變壓器中會產生較大的渦流損耗，占用變壓器的容量，造成變壓器負載升高，引發過載等問題。如何合理選擇有源濾波裝置的容量，是電氣設計時需重點關注的內容。

4 有源濾波裝置容量計算公式的選取

諧波電流值的計算一般采用式（5）~（7），式（5）為集中濾波方式下的諧波電流計算公式，式（6）為部分濾波方式下的諧波電流計算公式，式（7）為局部濾波方式下的諧波電流計算公式。

式中：

S——變壓器額定容量

U——變壓器二次側額定電壓

K——負荷率

Un——設備額定線電壓

P——總功率

In——設備額定電流

THD——總諧波電流畸變率

集中濾波是在變壓器二次側進行諧波集中治理；部分濾波是在已知設備功率的情況下，據此計算諧波電流值；局部濾波是指在負載的輸入端進行就地濾波，據此計算出的諧波電流值。

在水泥或骨料生產線項目中，一般都是在電力室集中配置有源濾波裝置，不采用局部濾波的方式，因此，式（7）不適用于一般的水泥或骨料生產線項目，下面按式（5）和式（6）計算水泥或骨料生產線項目諧波電流值。

主要行業諧波電流畸變數據見表1。由表1可以看到，工業用電的諧波電流畸變率（THD）最為嚴重，尤其以冶金化工行業為甚，其諧波電流畸變率可以達到30%，這是因為冶金化工行業大量采用了變頻及整流裝置。而以砂石骨料和水泥生產為主的建材行業，因無文獻數據說明其諧波電流畸變率，所以筆者根據經驗選擇與其相近的礦產開采行業為參考，將建材行業的諧波電流畸變率按25%計算，舉例如下：

表1 主要行業諧波電流畸變數據

（1）實例一

某熟料生產線項目的窯頭電力室車間負荷，此窯頭電力室車間配置了兩臺2 000kVA配電變壓器，1號配電變壓器負荷率為69.8%，2號配電變壓器負荷率為66.6%；1號低壓母線車間額定負荷為1 650kW，2號低壓母線車間額定負荷為1 582kW；1號低壓母線下，變頻器負載額定負荷為1 179kW，2號低壓母線下，變頻器負載額定負荷為887kW。

按式（5）可計算出，1號配電變壓器下諧波補償容量Ih=514A，2號配電變壓器下的諧波補償容量Ih=491A；按式（6）可計算出，1號配電變壓器下的諧波補償容量Ih=320A，2號配電變壓器下的諧波補償容量Ih=230A。

（2）實例二

某骨料生產線項目的選粉制砂電力室車間負荷，該電力室車間配置了一臺2 500kVA的配電變壓器，車間額定負荷約為2 488kW。其中，變頻負載額定負荷約為1 129kW，變壓器負荷率約為68.7%。

按式（5）可計算出該低壓母線段的諧波補償容量Ih=633A，按式（6）可計算出其諧波補償容量Ih=304A。

由上述兩個實例可以看到，式（5）和式（6）計算出的結果存在一定的偏差，尤其是在第一個實例中，按式（5）計算，在容量相同、計算負荷率基本一致的情況下，雖然兩個車間配電變壓器變頻負載的功率不一致，但其諧波補償容量計算結果卻相差很小。筆者認為式（5）更適用于無詳細低壓變頻負載、需利用配電變壓器容量估算有源濾波裝置諧波補償容量的情況，而式（6）更適用于水泥或骨料生產線項目的施工圖設計階段，此時配電變壓器容量、負荷率及變頻器負載的技術參數均可通過計算得出。

在施工圖設計階段，設計者計算諧波補償容量時，因計算公式系數較多，有時會出現計算偏差，筆者根據水泥或骨料生產線項目的實際情況，在式（5）的基礎上，總結出了一個簡化的有源濾波裝置諧波補償容量計算公式：

式中：

P——某變壓器下的全部低壓變頻器額定功率

C——常數，水泥或骨料生產線項目中的總諧波電流畸變率取值一般比較固定，部分計算結果可固定為常數，C值為0.4

K——變壓器負荷率

按式（8）計算可得實例一中，1號配電變壓器下的諧波補償容量Ih=330A，2號配電變壓器下諧波補償容量Ih=236A；實例二中，低壓母線段的諧波補償容量Ih=310A。

根據計算結果可知，式（8）計算結果與式（6）計算結果比較接近，偏差不大，且此公式計算簡便快速，更適用于水泥或骨料生產線項目。同時，筆者建議在安裝有源濾波裝置的相應低壓母線進線柜處，安裝可以檢測諧波分量的計量裝置，以檢測有源濾波裝置投運前后的諧波參數。

5 有源濾波裝置關鍵技術參數、選型與接線

5.1 有源濾波裝置關鍵技術參數

除了關注有源濾波裝置的容量，在進行電氣設計時，還應關注有源濾波裝置的其他關鍵技術參數。對于工程總承包項目來說，電氣專業應在技術文件中明確在基本工作條件下滿足有源濾波裝置性能指標。若項目處于特殊氣象或地質環境工作條件，應將信息及時反饋設備廠家，并調整相應的技術參數。有源濾波裝置基本工作條件如下：

（1）環境溫度:-20℃~+50℃

（2）相對濕度:日平均值≯95%，月平均值≯90%，無凝露。

（3）海拔高度：≤2 000m

（4）抗震等級：7級

（5）空氣中無足以損壞絕緣體和腐蝕金屬的氣體，無導電及易燃易爆的介質存在。

在技術標書中，必須先明確有源濾波裝置的相關技術參數后，再編制并確定有源濾波裝置的技術招標文件，要求設備廠家核實并確認參數和偏差情況。如明確有源濾波裝置容量（150A）、IGBT品牌（德國英飛凌或其他）、接線方式（三相三線或三相四線）、接入的電壓和頻率（380V±20%或其他，50Hz±10%或其他）、濾波范圍（2~50次諧波全補償或指定次數補償）、整機效率（97%）、響應時間（5ms）、有功損耗（<3%）、接入電網方式（并聯入網）、補償率、通訊方式（RS485接口）、機柜IP防護等級（IP3X）、機柜安裝方式（落地整柜或壁裝）、機柜尺寸等。

在上述有源濾波裝置的技術參數中，裝置容量、補償次數、補償率、響應時間等關鍵參數是電氣設計時必須予以明確的。有源濾波裝置容量的定義與其他三相交流設備容量的定義相同，但有源濾波裝置供應商一般采用的是電流標稱，如50A、75A、150A、250A等；需要注意的是，有源濾波裝置輸出電流不是任何頻次電流都可以達到額定值，補償次數需在招標時與供應商澄清具體要求；有源濾波裝置的補償率為針對典型負載的補償率；有源濾波裝置的響應時間，是指諧波負載投入后，電網諧波電流被完全濾除或達到穩定狀態所需時間。

5.2 有源濾波裝置的選型

目前，在水泥或骨料生產線項目中，常用的有源濾波裝置是整柜式，有源濾波裝置整柜可與低壓柜并柜，也可獨立設置，可根據工程項目的具體情況選擇采取何種形式。同時，在電氣設計階段，應了解不同廠家有源濾波裝置的柜型及模塊參數的區別。三個不同廠家有源濾波裝置柜型及模塊參數對比如表2所示。由表2可以看到，三個廠家在柜型尺寸、單組模塊、單柜最大容量均略有差別。在施工圖設計階段，應關注設備的選型和參數的選擇。如，計算所得諧波補償容量Ih=310A，按廠家A和廠家C情況，可以選擇補償容量為350A的有源濾波柜；按廠家B情況，則可以選擇325A的有源濾波柜，這些均需根據工程實際進行選型。目前，有些電能質量保障設備廠家，將用于低壓母線的有源濾波裝置和低壓無功補償裝置結合在一起，組成電能質量改善電氣設備，這可能會成為提升電能質量的另一種解決方案。

表2 不同廠家有源濾波裝置柜型及模塊參數

5.3 有源濾波裝置的接線

有源濾波裝置的接線，分為信號電纜和動力電纜，信號電纜用于連接電流互感器和濾波器，一般選擇屏蔽電纜，而動力電纜在工程實踐中一般按截面相同的四芯電纜選型。動力電纜規格見表3。

表3 動力電纜規格

6 結語

在水泥或骨料生產線項目中，選擇有源濾波裝置不僅能夠達到良好的節能效果，也能取得一定的經濟效益，需根據項目實際非線性負載情況，通過計算，選擇合適的容量。

在諧波電流計算理論公式的基礎上，筆者根據水泥或骨料生產線項目的實際情況，總結出了一個簡化的有源濾波裝置諧波補償容量計算公式，利用此經驗公式，在施工圖階段可快速準確計算出不同低壓母線所需的有源濾波裝置容量。計算實例顯示，此經驗公式的計算結果與理論值很接近，可用于實際工程項目選型計算。

在總承包項目中，需根據項目實際情況，合理選擇有源濾波裝置的技術參數，尤其是有源濾波裝置的補償容量、補償次數、補償率和響應時間。同時，應注意不同有源濾波裝備廠家的設備參數差異，優化有源濾波裝置的選型，建議在各個電力室的低壓進線柜處，裝設可測量諧波分量的多功能測量表，獲取不同車間典型負荷下的THD，進而在多個項目數據基礎上，得到更精確的建材行業THD值。