有源电力滤波器在烟草行业变配电中的应用
淮亚利
（安科瑞电气股份有限公司 上海 嘉定 201801）
摘要：随着电力电子变流装置的应用日益广泛，电能得到了更加充分的利用，但非线性电力装置设备的广泛应用产生了大量畸变的电流谐波，谐波污染越来越多地威胁到电力系统安全、稳定、经济运行，给同一网络的线性负载和其它用户带来了极大影响。烟草工业在生产制造过程中，使用大量的变频器进行调速，变频器所产生的谐波，对厂区配电室的供电网造成了一定的影响。本文通过分析谐波的危害，并提出采用有源电力滤波器进行某卷烟厂谐波治理的方案。
关键词： 谐波；污染；有源电力滤波器；治理；卷烟厂
1、谐波的危害
变频器工作时会产生大量的谐波电流，谐波电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变成非正弦。这样，连接在同一点的其他设备上就会被施加了含有谐波成分的非正弦电压，致使一些敏感设备无法正常工作。谐波对企业的危害主要表现在以下几个方面：
（1）使电力元件附加损耗加大，易引发火灾
谐波使公用电网中的元件产生附加的损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率。大量三次谐波流过中线会使线路过热，甚至引起火灾。
（2）影响电气设备的正常运行
谐波会影响电气设备的正常工作，使电机产生机械振动和噪声等；使变压器局部严重过热；使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以致损坏。
（3）引起电网谐振
这种谐振可能使谐波电流放大几倍甚至数十倍，会对系统，特别是对电容器和与之串联的电抗器形成很大的威胁，经常使电容器和电抗器烧毁。
（4）使继电保护误动作，电气测量误差过大。
谐波会导致继电保护，特别是微机综合保护器与自动装置误动作，造成不必要的供电中断和生产损失。谐波还会使电气测量仪表计量不准确，产生计量误差，给用电管理部门或电力用户带来经济损失。
（5）使工控系统崩溃
临近的谐波源或较高次谐波会对通信及信息处理设备产生干扰，轻则产生噪声、降低通信质量、计算机无法正常工作，重则导致信息丢失，使工控系统崩溃。
谐波所产生的危害如此之严重，世界各国都对谐波问题予以充分关注。上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少和学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。国标GB/T 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》规定的公用电网谐波电压（相电压）限值和谐波电流允许值分别见表1-1和表1-2：
表1-1 公用电网谐波电压（相电压）限值
电网标称电压（kV） | 电压总谐波畸变率（%） | 各次谐波电压含有率（%） | |
奇 次 | 偶 次 | ||
0.38 | 5.0 | 4.0 | 2.0 |
6 | 4.0 | 3.2 | 1.6 |
10 | |||
35 | 3.0 | 2.4 | 1.2 |
66 | |||
110 | 2.0 | 1.6 | 0.8 |
表1-2 注入公共连接点的谐波电流允许值
标称电 | 基准短路 容量（MV.A） | 谐波次数及谐波电流允许值（A） | |||||||||||
2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | ||
0.38 | 10 | 78 | 62 | 39 | 62 | 26 | 44 | 19 | 21 | 16 | 28 | 13 | 24 |
10 | 100 | 26 | 20 | 13 | 20 | 8.5 | 15 | 6.4 | 6.8 | 5.1 | 9.3 | 4.3 | 7.9 |
| 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | |
0.38 | 10 | 11 | 12 | 9.7 | 18 | 8.6 | 16 | 7.8 | 8.9 | 7.1 | 14 | 6.5 | 12 |
10 | 100 | 3.7 | 4.1 | 3.2 | 6 | 2.8 | 5.4 | 2.6 | 2.9 | 2.3 | 4.5 | 2.1 | 4.1 |
2、谐波的治理
传统的LC无源调谐滤波器的方法可以降低谐波电流，又可以补偿无功功率，而且结构简单，故一直被广泛使用，但这种方法的zui大缺点就是其性能要受电网阻抗和运行状态的影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波电压放大，如果保护措施不得力，甚至使LC滤波器过载或烧毁。有源电力滤波器（APF：Active Power Filter）是“用户电力技术”中一种非常重要的装置，它能抑制电流谐波及闪变等，用以补偿负荷电流中的谐波和无功，使电源侧电流保持为正弦波，从而防止谐波对电网的污染和提高功率因数。这种补偿器主要用在对非线性负荷所产生的谐波源进行治理。
安科瑞电气股份有限公司开发的ANAPF系列有源电力滤波器，采用实时的检测方法，得到电网电压或电流中的波动、不对称、谐波等畸变分量，利用快速的电力电子功率器件（IGBT）产生与其相反的波形，再将其抵消掉。原理如图2-1所示：
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图2-1 ANAPF有源电力滤波器原理图
3、有源滤波案例
某卷烟厂动能车间卷接配电室，配置两台2000KVA的干式变压器，由于其负卷包车间使用了大量变频器，曾引起电抗器损坏、低压开关烧毁，我们使用FLUKE434电能质量分析仪对其中一台变压器负载进行测量，测试点位于电容补偿后负载前的母排，测量发现变压器副边侧5次电流谐波达到148A，7次谐波电流达到4，从波形上明显看到畸变严重。总电流为746A，畸变率为22.2%，总的谐波电流可以计算出为746×22.2%=165.61A。
治理方案：在变压器副边侧并联接入200A有源电力滤波器对其谐波进行集中治理，使系统正常运行不受谐波危害。方案如图3-1所示。
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图3-1 ANAPF集中治理方案图
安科瑞ANAPF有源电力滤波器的技术参数见表3-1和表3-2。
表3-1 ANAPF有源电力滤波器技术参数
接线方式 | 三相三线或三相四线 | |||
接入电压 | 3×380V ±10% | |||
接入频率 | 50Hz ±2% | |||
全响应时间 | ＜20ms | |||
开关频率 | 10kHz | |||
功能设置 | 只补偿谐波、只补偿无功、既补偿谐波又补偿无功 | |||
谐波补偿次数 | 2-31次 | |||
保护类型 | 直流过压、IGBT过流、装置过温 | |||
冷却方式 | 强制风冷 | |||
噪音 | ＜ 65dB | |||
工作环境温度 | -10℃～+45℃ | |||
工作环境湿度 | ＜85%RH 不凝结 | |||
安装场合 | 室内安装 | |||
海拔高度 | ≤1000m（更高海拔需降容使用） | |||
进出线方式 | 下进下出（根据客户要求） | |||
防护等级 | IP20 | |||
智能通信接口 | 外加模块 | |||
安装方式 | 立柜式 | 壁挂式 | 抽屉式 | |
补偿电流大小（A） | 50/75/100/150/200/250/300 | 50/75/100 | 50/75 | 50/75 |
外形尺寸(mm) (W×D×H) | 800×800×2200 800×1000×2200 1000×1000×2200 （其他尺寸可定制） | 600×600×1800 （其他尺寸可定制） | 580×305×600 （其他尺寸可定制） | 540×570×240 （其他尺寸可定制） |
表3-2 ANAPF有源滤波器报价及主要元件清单
型号：ANAPF200-380/B | ||
参考价格：36万元/台 | ||
主要产品清单 | ||
序号 | 名 称 | 数量 |
1 | APF柜体 | 1 |
2 | APFCOV-200-G变流器 | 1 |
3 | APFCOV-200控制器 | 1 |
4 | APFRE-200-Y电抗器 | 1 |
5 | 电流互感器 | 3 |
6 | 滤波器 | 2 |
7 | 风机 | 2 |
8 | 接触器 | 2 |
9 | 塑壳断路器 | 1 |
10 | 变压器 | 1 |
11 | 彩色触摸显示屏 | 1 |
注：以上技术参数或器件名称、数量如有更改，恕不另行通知。
4 谐波治理效果
安装200A有源电力滤波器后，电流畸变率得到大幅度下降，电流波形图由投入前的不规则变为投入后的接近正弦波。治理前后波形如图4-1所示。同时功率因数得到提高，减少了线路的功率损失，提高了电网输电效率，可节约电能，降低生产成本，减少企业的电费开支。
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图4-1 治理前后波形对比
5、谐波治理经济效益
配电系统中无功主要靠无功柜补偿，但是谐波对无功柜内电容的损害非常严重。电容器的寿命跟加在电容上的电压、电容运行环境温度和电容器投切次数密切相关。根据电容器厂商EPCOS的测试数据，电容器运行寿命可以用以下公式表示：
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其中LE为电容实际运行寿命；LEn是电容器期望寿命；Xv是电压系数；Xt是温度系数；Xs是投切系数。系数关系表如表5-1：
表5-1 电容实际寿命与电压、温度及切头次数关系
LE=LEn*Xv*Xt*Xs | ||||||
LE=LEn*Xv | LE=LEn*Xt | LE=LEn*Xs | ||||
Uc=1.10Un | Xv=0.50 | Tav=42℃ | Xt=0.5 | 5000/a | damping | Xs=1 |
Uc=1.05Un | Xv=0.70 | Tav=35℃ | Xt=1.0 | 10000/a | damping | Xs=0.7 |
Uc=1.00Un | Xv=1.00 | Tav=28℃ | Xt=1.2 | 5000/a | no damping | Xs=0.4 |
Uc=0.95Un | Xv=1.25 |
|
| 10000/a | no damping | Xs=0.2 |
Uc=0.90Un | Xv=1.50 |
|
| Thyrister Switches | Xs=1 | |
以EPCOS电容器为例，正常工作电压400V，工作温度35℃，每年投有阻尼切次数不大于5000次，那么该电容器的使用寿命即为正常寿命。
在谐波环境下工作的电容，由于电容对谐波呈低阻抗特性，所以首先温度会大大上升，温度Xt将变小；由于有谐波会产生压降，为提高功率因数，电容电压必须大于线电压，这导致电压系数Xv也变小；另外高温会导致电容容值下降，为保证功率因数，电容投切次数必然上升，切投系数Xs同时减小。因此根据上述公式可以算出LE=LEn*0.5*0.5*0.4=0.1LEn，也即在谐波环境下工作的电容寿命为正常环境下电容寿命的十分之一！
由于谐波环境下电容器更容易损坏，频繁的更换电容直接导致硬件成本的上升；另外电容柜是中提供无功zui大的电器柜，电容出现故障必然会导致功率因数下降，继而会因功率因数低而被罚款。以电容正常寿命5年计算，在谐波环境下运行的电容半年就要更换。该卷烟厂每台变压器配有无功ABB电容器，单个25Kvar，共800kvar。ABB电容器价格在2000元左右，在与该卷烟厂现场工作人员交流中了解到，平均每月都会更换一个电容。也即一年仅更换电容就有24000元的经济损失。由于谐波影响，电容寿命为正常寿命的十分之一，也即更换频率为正常的10倍！这并不包括由于电容容量的降低使得功率因数低而罚款和这期间各种其他间接损失。由此可以看出谐波产生的直接经济损失十分巨大。
6 结束语
近年来，变频器因其驱动电机系统节能明显、调节方便等优点被广泛应用于大量工厂，但同时因其非线性工作方式产生的高次谐波也给电网系统带来了一定的影响，其危害已不可忽视。对于电能质量要求越来越严格的今天，并联型有源电力滤波器是一种特别适合烟草行业谐波治理的方案。ANAPF有源电力滤波器能很好的抑制电网中的谐波污染，极大改善电网的电能质量，良好满足设备的运行要求和标准。
参考文献
[1]能源部电力司.GB/T14549-93电能质量 公用电网谐波[S].北京：中国标准出版社，1994.
[2]王萍.谐波治理在卷烟行业变配电中的应用.
[3]安科瑞电气有源电力滤波器选型手册2014.1版.
作者简介：
淮亚利，女，本科，安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为电力电子及谐波治理。，：，: