摘要：電除塵電場采用的高壓脈沖電源產(chǎn)生的諧波污染會影響保護(hù)裝置的正常運行。某電廠4號機(jī)組除塵段安裝了有源濾波器后，消除了諧波對配電系統(tǒng)的不良影響，電能質(zhì)量得到明顯改善，保證了用電設(shè)備正常使用，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。安科瑞任運業(yè)-15021601437

關(guān)鍵詞：高壓脈沖電源；有源濾波器；諧波治理

0引言

某電廠4號機(jī)組電除塵電場采用高壓脈沖電源進(jìn)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(jīng)濟(jì)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(shè)備構(gòu)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(fù)載增加，大量諧波電流注入到電網(wǎng)中，導(dǎo)致電壓電流波形畸變，使電能質(zhì)量下降，對廠用電源及其他電氣設(shè)備的安全穩(wěn)定運行造成危害。特別是諧波污染影響了上級6kV配電系統(tǒng)除塵變綜合保護(hù)裝置的安全運行,保護(hù)裝置出現(xiàn)間隙性死機(jī)現(xiàn)象，無法保證保護(hù)功能正常使用[1]。

經(jīng)過方案研討，結(jié)合其他行業(yè)經(jīng)驗，某電廠采用有源電力濾波器對4號機(jī)組380V除塵4A、4B段進(jìn)行諧波治理，通過濾除除塵段系統(tǒng)中由高壓脈沖電源產(chǎn)生的5次、7次等奇次諧波，減小其對本級用電設(shè)備及上游保護(hù)裝置的不良影響，從而確保廠用電安全穩(wěn)定的運行。

1治理前系統(tǒng)情況

某電廠4號機(jī)組380V除塵配電系統(tǒng)主接線為單母線分段結(jié)構(gòu)，正常工作時兩臺1000kVA變壓器及兩路低壓進(jìn)線同時工作，低壓母聯(lián)斷開，每段含兩臺高壓脈沖電源負(fù)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(jīng)過IBGT逆變模塊和諧振網(wǎng)絡(luò)輸出20KHz的高頻交流電，*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(tǒng)中，通過科陸CL316變送器電能表現(xiàn)場校驗儀測試得出4號機(jī)組4A、4B除塵變高壓側(cè)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(dá)150A。

2有源電力濾波器

目前國內(nèi)外諧波治理及抑制的主要技術(shù)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(gòu)建結(jié)構(gòu)簡單的LC低阻抗回路進(jìn)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(shù)也比較成熟，但存在著補償效果差、受系統(tǒng)阻抗和負(fù)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(yōu)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(tǒng)中的負(fù)載電流，并反饋到其內(nèi)部的DSP和IGBT控制逆變器等電能變換設(shè)備，從而主動向電網(wǎng)輸出一個和負(fù)載諧波電流大小相等，方向相反的補償電流，達(dá)到去除諧波分量的目的[1]。

3治理方案和實施效果

由治理前的諧波測量數(shù)據(jù)可知，某電廠4號機(jī)組380V除塵配電系統(tǒng)諧波問題較為突出，計劃在每段變壓器低壓側(cè)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(fù)載產(chǎn)生的*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(shè)的有源濾波器塵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1有源電力濾波器裝置一次原理圖

圖2有源濾波器安裝接線示意圖

3.2試驗數(shù)據(jù)

安裝調(diào)試完成后，當(dāng)負(fù)荷正常運行（55% -90%負(fù)荷率）時，用電能質(zhì)量分析儀重點檢測4號機(jī)組380V除塵4A、4B段開啟和關(guān)閉有源濾波器的兩種狀態(tài)的電源質(zhì)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(zhì)量測量情況

圖4除塵4A段變壓器諧波治理后電源質(zhì)量測量情況

圖5除塵4B段變壓器諧波治理前電源質(zhì)量測量情況

圖6除塵4B段變壓器諧波治理后電源質(zhì)量測量情況

3.3對比結(jié)果

從上面測量情況分析可得出諧波治理前后數(shù)據(jù)如表1。可以明顯看出，原有除塵系統(tǒng)中電壓波形和電流波形被污染現(xiàn)象較為嚴(yán)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(biāo)要求的低壓配電系統(tǒng)電壓總諧波畸變不大于5%的規(guī)定值[4]，4號機(jī)組除塵段中諧波污染的現(xiàn)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(jié)果看，有源濾波器的應(yīng)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(jīng)過諧波治理后，上級6kV配電系統(tǒng)除塵變綜合保護(hù)裝置間歇性死機(jī)現(xiàn)象消失，故障率明顯下降。表1濾波前后諧波數(shù)據(jù)對比情況

4電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)

4.1概述

電能質(zhì)量分析與治理系統(tǒng)主要研究供配電系統(tǒng)中的無功補償和諧波治理問題，適用于新建、改建、擴(kuò)建和技改項目中工業(yè)與民用及公共建筑內(nèi)電氣設(shè)備的無功補償、諧波及綜合治理等，可根據(jù)不同行業(yè)類型和負(fù)載類型的電能質(zhì)量問題提供合適的設(shè)計解決方案，以達(dá)到改善供電質(zhì)量和確保電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運行的目的。

4.2典型行業(yè)

①商業(yè)中心/辦公大樓/醫(yī)療/機(jī)場/體育館：空調(diào)、電梯、LED屏幕、可控硅調(diào)光系統(tǒng)、音響系統(tǒng)；

②港口碼頭/造船/造紙/煙草/煤礦：變頻器等；

③光伏/充電樁/化工/冶金：變頻器、整流器等；

④學(xué)校/研究院：實驗室、機(jī)房設(shè)備、數(shù)據(jù)中心；

⑤工廠：使用大型設(shè)備的生產(chǎn)線，高精度數(shù)控中心等；

⑥通信/金融/醫(yī)療/商業(yè)中心：UPS、開關(guān)電源等。

4.3系統(tǒng)架構(gòu)

電能質(zhì)量分析與治理系統(tǒng)由低壓側(cè)電能治理產(chǎn)品組成，主要產(chǎn)品有ANAPF有源電力濾波器、ANSVG靜止無功發(fā)生器、ANSNP中線安防保護(hù)器、ANHPD諧波保護(hù)器、ANSVC低壓無功功率補償裝置、ANSVG-G-A混合動態(tài)濾波補償裝置、ANSVG-S-A混合動態(tài)消諧補償裝置、ANSVG-S-G智慧型動態(tài)無功補償裝置等。

4、5產(chǎn)品選型

5.1諧波治理產(chǎn)品選型

5.2無功補償產(chǎn)品快速選型

6產(chǎn)品功能

6.1ANAPF有源電力濾波器

APF模塊

觸摸屏

互感器

ANAPF系列有源電力濾波器并聯(lián)在電網(wǎng)上，負(fù)載電流通過電流互感器采集到ANAPF的控制系統(tǒng)中，通過實時檢測電路將負(fù)載電流中的諧波分量和基波無功分量分離出來，經(jīng)控制系統(tǒng)快速運算，采用PWM控制IGBT的觸發(fā)。通過由大容量IGBT管組成的三相變流器向系統(tǒng)注入補償電流，該補償電流與負(fù)荷電流中的諧波電流大小相等，方向相反，互相抵消，實現(xiàn)濾除諧波的功能，保證流入電網(wǎng)電流是正弦波。

6.2ANSNP中線安防保護(hù)器

互感器

ANSNP壁掛模塊

ANSNP中線安防保護(hù)器通過電流檢測環(huán)節(jié)采集系統(tǒng)中性線上各次諧波電流，經(jīng)控制器快速計算并提取各次諧波電流的含量，產(chǎn)生諧波電流指令，通過功率執(zhí)行器件產(chǎn)生與諧波電流幅值相等方向相反的補償電流，并注入中性線，從而消除中性線中過大的電流。

6.3ANSVG靜止無功發(fā)生器

觸摸屏

互感器

ANSVG模塊

ANSVG靜止無功發(fā)生器是一種用于補償無功以及不平衡的新型電力電子裝置，它能對大小變化的無功以及負(fù)序進(jìn)行快速和連續(xù)的補償，其應(yīng)用可克服LC補償器等傳統(tǒng)的無功補償器響應(yīng)速度慢、補償效果不能控制、容易與電網(wǎng)發(fā)生并聯(lián)諧振和投切震蕩等缺點。

6.4ANSVC低壓無功功率補償裝置

（1）分立元件方案

ANBSMJ電容

ANCKSG電抗

AFK復(fù)合開關(guān)

ARC控制器

ANSVC低壓無功功率補償裝置適用于頻率50Hz電壓0.4kV電網(wǎng)的無功功率自動補償；它集無功補償、電網(wǎng)監(jiān)測于一體，不但可以通過投切電容器組來補償電網(wǎng)中的無功損耗，提高功率因數(shù)，降低線損，從而提高電網(wǎng)的負(fù)載能力和供電質(zhì)量；同時還能夠?qū)崟r監(jiān)測電網(wǎng)的三相電壓、電流、功率因數(shù)等電量參數(shù)。

（2）智能電容方案

AZCL智能電容

ARC28F控制器

AZC系列智能電力電容補償裝置是應(yīng)用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節(jié)省能源、降低線損、提高功率因數(shù)和電能質(zhì)量的新一代無功補償設(shè)備。AZC由智能測控單元，投切開關(guān)，線路保護(hù)單元，低壓電力電容器等構(gòu)成，AZCL在AZC的基礎(chǔ)上添加了電抗器，電抗率可選7%/14%，用于主要諧波為5次及以上/3次、5次及以上的電氣環(huán)境。改變了傳統(tǒng)無功補償裝置體積龐大和笨重的結(jié)構(gòu)模式。具有補償效果更好，體積更小，功耗更低，價格更廉，節(jié)約成本更多，使用更加靈活，維護(hù)更方便，使用壽命更長，可靠性更高等特點。

6.5ANSVG-G-A混合動態(tài)濾波補償裝置

觸摸屏

互感器

ANSVG-G-A模塊

ANSVG-G-A混合動態(tài)濾波補償裝置在補償無功的同時可兼治理系統(tǒng)的諧波，該設(shè)備以并聯(lián)方式接入配電系統(tǒng)，實時監(jiān)測系統(tǒng)的電流分量，通過控制計算及邏輯變化，計算出系統(tǒng)所需的無功分量及諧波分量，然后通過三相全橋換流電路實時產(chǎn)生系統(tǒng)所需要的無功與諧波電流注入到配電系統(tǒng)中，實現(xiàn)智能補償，兼諧波治理。

6.6ANSVG-S-A系列混合動態(tài)消諧補償裝置

TSC模塊

ANSVG-S-A模塊

ANSVG-S-A系列混合動態(tài)消諧補償裝置應(yīng)用新技術(shù)，以SVC的經(jīng)濟(jì)性和APF濾波的性等特點為基礎(chǔ)，將兩者技術(shù)相結(jié)合，提高傳統(tǒng)無功補償技術(shù)，在降低成本的同時，實現(xiàn)諧波治理與無功補償。

6.7ANSVG-S-G智慧型動態(tài)無功補償裝置

TSC模塊

ANSVG-S-G模塊

ANSVG-S-G智慧型動態(tài)無功補償裝置是一種用于補償無功，提高功率因數(shù)，實現(xiàn)補償效果的新型電力電子裝置；智能控制系統(tǒng)主動根據(jù)系統(tǒng)的線性動態(tài)需求，自動調(diào)節(jié)有源及無源模塊的輸出配比；ANSVG-S-G整機(jī)主要是由ANSVG-S-G模塊、無源補償電容器（TSC）、液晶顯示器組成。

7應(yīng)用案例

7.1概述

某工廠負(fù)載為空壓機(jī)、注塑機(jī)一類的變頻設(shè)備，是典型的諧波發(fā)生源，客戶要求針對諧波電流進(jìn)行治理，改造前/后實測數(shù)據(jù)如下：

治理前數(shù)據(jù)截圖

治理后數(shù)據(jù)截圖

現(xiàn)場安裝圖

7.2測量前/后數(shù)據(jù)統(tǒng)計

7.3測量前/后數(shù)據(jù)分析

從治理前后的測量數(shù)據(jù)電流波形對比圖中，我們可以較為直觀的看出諧波治理后的電流波形更加平滑，更加趨近于正弦波形。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計可知，諧波電流主要以5、7、11次為主，治理前的5、7、11次諧波電流均超出國標(biāo)限值（5次62A、7次44A、11次28A），經(jīng)過容量200A的ANAPF有源濾波器治理后均降到了限值以下，滿足國標(biāo)對于各次諧波電流值的要求；治理后諧波電流畸變率（以A相為例）由治理前的32.39%降到了10.42%；治理后諧波電壓畸變率（以A相為例）由治理前的5.4%降到了2.97%，滿足國標(biāo)限值電壓畸變率≤5%的要求，各項指標(biāo)完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)，諧波治理效果明顯。

8典型業(yè)績

9結(jié)論

某電廠4號的動力電源取自380V除塵4A段母排，經(jīng)空氣開關(guān)至裝置本體；B段裝設(shè)的有源濾波器的動力電源取自380V除塵4B段母排，經(jīng)空氣開關(guān)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(fù)裝設(shè)CT，只需將有源濾波器的CT回路串接進(jìn)#1柜的原有CT回路。因此，需新增電纜從380V除機(jī)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(tǒng)的不良影響，綜合保護(hù)裝置功能恢復(fù)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(shè)備正常使用。隨著我們對碳達(dá)峰、碳中和等工作的持續(xù)推進(jìn),我國環(huán)保質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)也將會不斷的完善和提高,排放監(jiān)督與控制也會更加嚴(yán)格。為了滿足我國及地方的環(huán)保政策和法規(guī)的要求，作為沿海城市的重點企業(yè)，某電廠為響應(yīng)國家的政策要求，降低污染負(fù)荷，規(guī)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(tǒng)及其綜合保護(hù)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(shè)備安全可靠運行，這將有助于改善區(qū)域環(huán)境治理，為電廠持續(xù)改善環(huán)境質(zhì)量，推動超低排放、綠色低碳發(fā)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(nèi)電廠在諧波治理上起到啟示借鑒作用，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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[6]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2022.05版.

作者簡介：

任運業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。

審核編輯 黃宇