淺析有源濾波器在選煤廠供電系統(tǒng)諧波治理中的應(yīng)用與選型

李明君

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要:針對(duì)選煤廠供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中諧波對(duì)電機(jī)等設(shè)備的影響，在研究了諧波危害以及諸多諧波治理方法的基礎(chǔ)上，采用有緣濾波器抑制供電系統(tǒng)中的諧波分量，從而進(jìn)一步提高供電系統(tǒng)供電質(zhì)量。應(yīng)用效果顯示，使用有源濾波器后的系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，諧波分量抑制在可接受范圍內(nèi)，大部分電流諧波被過(guò)濾掉，功率因數(shù)由0.92提高到0.97，能夠?yàn)橐院箢愃频墓こ添?xiàng)目提供借鑒，改善礦井及選煤廠電網(wǎng)條件差的現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞:選煤廠;供電系統(tǒng);有源濾波器;諧波治理;諧波分量抑制

0引言

現(xiàn)代化的選煤廠一般都采用PLC或DCS進(jìn)行自動(dòng)控制，洗選過(guò)程中，由流量、壓力、密度等參數(shù)與變頻技術(shù)結(jié)合形成的閉環(huán)控制系統(tǒng)得到更多的應(yīng)用。在自動(dòng)化程度提高的同時(shí)，由于變頻器等應(yīng)用增多，非線性的設(shè)備接入電網(wǎng)，會(huì)將產(chǎn)生的諧波電流反饋到電網(wǎng)中，進(jìn)而通過(guò)電網(wǎng)阻抗產(chǎn)生諧波壓降，引起電網(wǎng)電壓的畸變，供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量下降，不利于系統(tǒng)的安全運(yùn)行。由于煤礦工業(yè)系統(tǒng)技術(shù)人員對(duì)諧波重視程度不夠，沒(méi)有采取有效的諧波抑制措施，導(dǎo)致煤礦供電系統(tǒng)電網(wǎng)質(zhì)量較差，有諧波引起的機(jī)電事故屢屢出現(xiàn)。

1諧波產(chǎn)生原因分析

諧波的產(chǎn)生根據(jù)其在供電系統(tǒng)中處的位置不同，原因可大致分為3種情況:電源處本身具有的諧波、電源傳輸時(shí)產(chǎn)生諧波及變頻器、電焊機(jī)等末端用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波。廠房中照明使用的氣體放電燈的電路本身含有電弧，電弧的負(fù)阻特性也會(huì)產(chǎn)生諧波。

對(duì)選煤廠來(lái)說(shuō)負(fù)載中諧波主要是由變頻器產(chǎn)生的，現(xiàn)代化的洗煤廠，洗選過(guò)程通常采用“傳感器—控制器—變頻調(diào)節(jié)"的模式來(lái)進(jìn)行密度、流量、壓力等工藝參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)。許多設(shè)備都需要使用變頻器，變頻器本身需要對(duì)正弦波電流進(jìn)行“破壞重組"，即變頻的“整流—逆變"過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中會(huì)向電網(wǎng)反饋大量的諧波電流。雖然目前對(duì)變頻器的制作有諧波量的限制，有時(shí)還要在變頻器的輸入側(cè)增加電抗器，來(lái)降低諧波對(duì)電網(wǎng)的影響，但從目前來(lái)看，變頻器仍然是選煤廠供電系統(tǒng)主要的諧波來(lái)源。

2諧波危害

諧波對(duì)選煤廠供電系統(tǒng)的危害有以下方面:

(1)對(duì)變壓器的危害

諧波電流對(duì)變壓器的危害主要表現(xiàn)在會(huì)使變壓器產(chǎn)生附加損耗，變壓器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生溫度升高、噪聲增大。另諧波中含有的無(wú)功分量會(huì)占據(jù)部分變壓器容量，使得變壓器的實(shí)際輸出容量變小。在諧波環(huán)境下運(yùn)行，加速絕緣老化，變壓器的壽命也會(huì)降低。

(2)對(duì)供電線路的危害

諧波電流中含有較大的無(wú)功分量，會(huì)增加線路的損耗，導(dǎo)致電纜過(guò)熱，降低其使用壽命。

(3)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償裝置的危害

諧波電流會(huì)對(duì)系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置造成了不同程度的影響，流過(guò)補(bǔ)償裝置的電流過(guò)大會(huì)導(dǎo)致無(wú)功補(bǔ)償裝置中的保險(xiǎn)絲燒斷，甚至?xí)捎陔娙葸^(guò)熱導(dǎo)致無(wú)功補(bǔ)償裝置中的電容炸裂。

電力諧波除直接威脅無(wú)功補(bǔ)償裝置的安全外，其對(duì)其他電氣設(shè)備壽命和線損的影響及對(duì)供配電系統(tǒng)安全運(yùn)行的影響在很多方面是逐步積累的，其作用過(guò)程具有漸進(jìn)性、隱蔽性。另外諧波還會(huì)影響到電力系統(tǒng)中微機(jī)自動(dòng)綜合保護(hù)裝置的工作，對(duì)系統(tǒng)故障做出錯(cuò)誤判斷，誤動(dòng)作或者不動(dòng)作，影響供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。因此為保證系統(tǒng)的安全性，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的諧波進(jìn)行治理。

3諧波治理方式

抑制諧波從原理上來(lái)說(shuō)方法較多，例如:采用較高的電壓等級(jí)，電壓等級(jí)越高，系統(tǒng)的短路容量越大，以某選煤廠為例，洗選系統(tǒng)采用重介洗煤工藝，對(duì)諧波的承受能力也就越強(qiáng);再有就是增加變頻器等變流設(shè)備的脈動(dòng)數(shù)，理論上變流設(shè)備反饋回電網(wǎng)的只有kP±1(k=1、2、3…，P為脈動(dòng)數(shù))次的諧波，可見(jiàn)脈動(dòng)數(shù)越多，諧波的產(chǎn)生量越少。

在工程中抑制諧波的手段主要有2種:①無(wú)源濾波即在系統(tǒng)中增加濾波電路;②有源濾波。無(wú)源濾波可根據(jù)系統(tǒng)的諧波含量設(shè)計(jì)濾波電路，可濾掉固定頻次的諧波，主要由電感、電容和電阻等元器件按照一定的設(shè)計(jì)參數(shù)組合設(shè)計(jì)構(gòu)成的濾波電路，可濾除某一次或多次諧波，具有容量較大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，但是受本身原理的制約，其在生產(chǎn)以后就只能濾除某頻率范圍內(nèi)的諧波。

有源電力濾波器是一種主動(dòng)性的電流補(bǔ)償諧波治理濾波裝置，可通過(guò)互感器對(duì)系統(tǒng)電流進(jìn)行采樣，通過(guò)控制器分析中其中的諧波成分，然后控制晶閘管動(dòng)作，產(chǎn)生一個(gè)與諧波電流大小一樣、方向相反的電流反饋到電網(wǎng)中，抵消電網(wǎng)中的諧波。有源電力濾波器可濾除系統(tǒng)中多次及高次諧波，治理效果好，但容量一般不大，且經(jīng)濟(jì)性不如無(wú)源濾波器。

4有源濾波器的應(yīng)用

設(shè)有兩套重介洗選流程，自動(dòng)化程度較高，重介淺槽入料泵、磁選尾礦泵、煤泥泵、加壓過(guò)濾機(jī)入料泵、壓濾機(jī)入料泵等設(shè)備均需要變頻控制。根據(jù)設(shè)備分布，其主要諧波源生產(chǎn)車間為主洗車間，該車間設(shè)有3臺(tái)10/0.69kV變壓器，變壓器容量為1600kVA，其中2臺(tái)各自變壓器負(fù)擔(dān)一套重介系統(tǒng)的所有設(shè)備供電，另一臺(tái)則負(fù)責(zé)為2套重介系統(tǒng)配套的共用設(shè)備提供電源。其中1臺(tái)變壓器下面帶有6臺(tái)變頻器(所帶的電機(jī)容量*大為350kW)，設(shè)有1套480kVar的電容補(bǔ)償裝置。

在工程調(diào)試過(guò)程中，由于350kW變頻電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，使選煤廠內(nèi)一臺(tái)2.2kW的小電機(jī)燒毀，更換電機(jī)后又出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況進(jìn)行分析，初步判斷是系統(tǒng)的諧波較大引起的，隨后對(duì)系統(tǒng)的諧波進(jìn)行了檢測(cè)，系統(tǒng)的電壓、電流波形如圖1、圖2、圖3所示，系統(tǒng)A、B、C三相電壓、電流及諧波的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

可見(jiàn)，系統(tǒng)電流波形已發(fā)生嚴(yán)重畸變，電流畸變率已超過(guò)30%，其中以5次、7次諧波為主。

圖1電壓波形

圖2電流波形

圖3各次諧波分布

表1三相電壓及電流數(shù)據(jù)

由表1中基本數(shù)據(jù)可知，B相諧波電流*大，把B相電流Irms=574.5A，B相基波電流IH1=545.6A，B相電流畸變率THDIb=32.6%代入計(jì)算公式:

選擇1套YD-APF有源濾波器進(jìn)行諧波治理,YD-APF有源濾波器為模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)需補(bǔ)償?shù)碾娏魅萘?，自由的選擇模塊數(shù)量。根據(jù)式(1)的計(jì)算結(jié)果可知，系統(tǒng)的諧波電流約177.9A,選擇有源濾波器容量為225A,含有3個(gè)75A濾波模塊有源濾波器在低壓配電室內(nèi)與低壓柜并排安裝，取樣互感器取自變壓器低壓出線側(cè)，根據(jù)系統(tǒng)取樣數(shù)據(jù),有源濾波器控制系統(tǒng)能自動(dòng)計(jì)算出系統(tǒng)的諧波分量,并生成一個(gè)大小一樣、方向相反的補(bǔ)償電流補(bǔ)償至供電系統(tǒng)中，從而抵消供電系統(tǒng)中的諧波分量,使系統(tǒng)恢復(fù)平滑的正弦波形態(tài)。有源濾波裝置具有以下功能:

(1)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。YD-APF全功能監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)讀取電網(wǎng)側(cè)、負(fù)載側(cè)的THD,和THD.各相電流大小.補(bǔ)償前后效果波形圖及有源電力濾波器發(fā)出的補(bǔ)償電流大小、波形等一系列電能質(zhì)量數(shù)據(jù),操作簡(jiǎn)單，讀取數(shù)據(jù)方便。

(2)系統(tǒng)設(shè)置。YD-APF全功能監(jiān)控系統(tǒng)可設(shè)置工作模式、日期、CT變比及補(bǔ)償模式等一系列功能。設(shè)置系統(tǒng)需要密碼才可以操作，保證機(jī)器獨(dú)立安全運(yùn)行，所有設(shè)置項(xiàng)會(huì)記憶并保存在系統(tǒng)中。

(3)后臺(tái)監(jiān)控。YD-APF有源濾波器RS485和網(wǎng)口,通過(guò)數(shù)據(jù)線或網(wǎng)線可與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。在計(jì)算機(jī)終端安裝后臺(tái)監(jiān)控軟件，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)有源濾波器的遠(yuǎn)程操作和控制,為了解有源濾波器的運(yùn)行提供了很大的便利。

其工作原理如圖4所示

4有源濾波器工作原理

通過(guò)安裝在低壓母線上的電流互感器對(duì)母線電流進(jìn)行采樣,通過(guò)YD-APF有源濾波器內(nèi)置控制器對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行分析,找出其中的諧波成分,然后控制晶閘管動(dòng)作，產(chǎn)生一個(gè)與諧波電流大小一致、方向相反的電流反饋到母線上,抵消電網(wǎng)中的諧波

5治理效果分析

投入濾波器后電網(wǎng)電流諧波絕大部分被濾除掉,波形顯示為正弦波，總的電流畸變率由32%降為3.3%，補(bǔ)償率達(dá)到87%，功率因數(shù)由0.92提高到0.97,350kW變頻電機(jī)啟動(dòng)時(shí)燒毀小電機(jī)的情況沒(méi)有再出現(xiàn)?？梢?jiàn)投入有源電力濾波器后,電網(wǎng)中的諧波得到了顯著的抑制，并可以快速對(duì)變頻器等在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的諧波快速響應(yīng)，消除諧波，提高系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

6安科瑞APF有源濾波器產(chǎn)品選型

6.1產(chǎn)品特點(diǎn)

(1)DSP+FPGA控制方式，響應(yīng)時(shí)間短，全數(shù)字控制算法，運(yùn)行穩(wěn)定；

(2)一機(jī)多能，既可補(bǔ)諧波，又可兼補(bǔ)無(wú)功，可對(duì)2～51次諧波進(jìn)行全補(bǔ)償或特定次諧波進(jìn)行補(bǔ)償；

(3)具有完善的橋臂過(guò)流保護(hù)、直流過(guò)壓保護(hù)、裝置過(guò)溫保護(hù)功能；

(4)模塊化設(shè)計(jì)，體積小，安裝便利，方便擴(kuò)容；

(5)采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏以實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和控制，使用方便，易于操作和維護(hù)；

(6)輸出端加裝濾波裝置，降低高頻紋波對(duì)電力系統(tǒng)的影響；

(7)多機(jī)并聯(lián)，達(dá)到較高的電流輸出等級(jí)；

6.2型號(hào)說(shuō)明

6.3尺寸說(shuō)明

6.4產(chǎn)品實(shí)物展示

ANAPF有源濾波器

7安科瑞智能電容器產(chǎn)品選型

7.1產(chǎn)品概述

AZC/AZCL系列智能電容器是應(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(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。它由智能測(cè)控單元，晶閘管復(fù)合開(kāi)關(guān)電路，線路保護(hù)單元，兩臺(tái)共補(bǔ)或一臺(tái)分補(bǔ)低壓電力電容器構(gòu)成?？商娲Ｒ?guī)由熔絲、復(fù)合開(kāi)關(guān)或機(jī)械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在柜內(nèi)和柜面由導(dǎo)線連接而組成的自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償裝置。具有體積更小，功耗更低，維護(hù)方便，使用壽命長(zhǎng)，可靠性高的特點(diǎn)，適應(yīng)現(xiàn)代電網(wǎng)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償?shù)母咭蟆?/p>

AZC/AZCL系列智能電容器采用定式LCD液晶顯示器，可顯示三相母線電壓、三相母線電流、三相功率因數(shù)、頻率、電容器路數(shù)及投切狀態(tài)、有功功率、無(wú)功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過(guò)內(nèi)部晶閘管復(fù)合開(kāi)關(guān)電路，自動(dòng)尋找適宜投入（切除）點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)過(guò)零投切，具有過(guò)壓保護(hù)、缺相保護(hù)、過(guò)諧保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)等保護(hù)功能。

7.2型號(hào)說(shuō)明

AZC系列智能電容器選型：

AZCL系列智能電容器選型：

7.3產(chǎn)品實(shí)物展示

AZC系列智能電容模塊AZCL系列智能電容模塊

安科瑞無(wú)功補(bǔ)償裝置智能電容方案

8結(jié)語(yǔ)

隨著選煤技術(shù)的發(fā)展,變頻器等非線性設(shè)備在選煤廠供電系統(tǒng)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用，提升了選煤廠的控制水平,但是其在工作過(guò)程中也產(chǎn)生了更多的諧波，為供電系統(tǒng)的運(yùn)行帶來(lái)了新的問(wèn)題，在現(xiàn)代工程中應(yīng)重視對(duì)諧波的治理，維護(hù)供電系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行。

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[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.05版.

作者簡(jiǎn)介

李明君，男,現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司