淺析有源濾波器在選煤廠供電系統(tǒng)諧波治理中的應用與選型

李明君

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要:針對選煤廠供電系統(tǒng)設(shè)計中諧波對電機等設(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，從而進一步提高供電系統(tǒng)供電質(zhì)量。應用效果顯示，使用有源濾波器后的系統(tǒng)運行穩(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濾掉，功率因數(shù)由0.92提高到0.97，能夠為以后類似的工程項目提供借鑒，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進行自動控制，洗選過程中，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)得到更多的應用。在自動化程度提高的同時，由于變頻器等應用增多，非線性的設(shè)備接入電網(wǎng)，會將產(chǎn)生的諧波電流反饋到電網(wǎng)中，進而通過電網(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)的安全運行。由于煤礦工業(yè)系統(tǒng)技術(shù)人員對諧波重視程度不夠，沒有采取有效的諧波抑制措施，導致煤礦供電系統(tǒng)電網(wǎng)質(zhì)量較差，有諧波引起的機電事故屢屢出現(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、電源傳輸時產(chǎn)生諧波及變頻器、電焊機等末端用電設(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，電弧的負阻特性也會產(chǎn)生諧波。

對選煤廠來說負載中諧波主要是由變頻器產(chǎn)生的，現(xiàn)代化的洗煤廠，洗選過程通常采用“傳感器—控制器—變頻調(diào)節(jié)"的模式來進行密度、流量、壓力等工藝參數(shù)的自動調(diào)節(jié)。許多設(shè)備都需要使用變頻器，變頻器本身需要對正弦波電流進行“破壞重組"，即變頻的“整流—逆變"過程，在這個過程中會向電網(wǎng)反饋大量的諧波電流。雖然目前對變頻器的制作有諧波量的限制，有時還要在變頻器的輸入側(cè)增加電抗器，來降低諧波對電網(wǎng)的影響，但從目前來看，變頻器仍然是選煤廠供電系統(tǒng)主要的諧波來源。

2諧波危害

諧波對選煤廠供電系統(tǒng)的危害有以下方面:

(1)對變壓器的危害

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

(2)對供電線路的危害

諧波電流中含有較大的無功分量，會增加線路的損耗，導致電纜過熱，降低其使用壽命。

(3)對無功補償裝置的危害

諧波電流會對系統(tǒng)的無功補償裝置造成了不同程度的影響，流過補償裝置的電流過大會導致無功補償裝置中的保險絲燒斷，甚至會由于電容過熱導致無功補償裝置中的電容炸裂。

電力諧波除直接威脅無功補償裝置的安全外，其對其他電氣設(shè)備壽命和線損的影響及對供配電系統(tǒng)安全運行的影響在很多方面是逐步積累的，其作用過程具有漸進性、隱蔽性。另外諧波還會影響到電力系統(tǒng)中微機自動綜合保護裝置的工作，對系統(tǒng)故障做出錯誤判斷，誤動作或者不動作，影響供電系統(tǒng)的安全運行。因此為保證系統(tǒng)的安全性，應對系統(tǒng)的諧波進行治理。

3諧波治理方式

抑制諧波從原理上來說方法較多，例如:采用較高的電壓等級，電壓等級越高，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，對諧波的承受能力也就越強;再有就是增加變頻器等變流設(shè)備的脈動數(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為脈動數(shù))次的諧波，可見脈動數(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無源濾波即在系統(tǒng)中增加濾波電路;②有源濾波。無源濾波可根據(jù)系統(tǒng)的諧波含量設(shè)計濾波電路，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)計參數(shù)組合設(shè)計構(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)簡單、經(jīng)濟性好等優(yōu)點，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性的電流補償諧波治理濾波裝置，可通過互感器對系統(tǒng)電流進行采樣，通過控制器分析中其中的諧波成分，然后控制晶閘管動作，產(chǎn)生一個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)濟性不如無源濾波器。

4有源濾波器的應用

設(shè)有兩套重介洗選流程，自動化程度較高，重介淺槽入料泵、磁選尾礦泵、煤泥泵、加壓過濾機入料泵、壓濾機入料泵等設(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10/0.69kV變壓器，變壓器容量為1600kVA，其中2臺各自變壓器負擔一套重介系統(tǒng)的所有設(shè)備供電，另一臺則負責為2套重介系統(tǒng)配套的共用設(shè)備提供電源。其中1臺變壓器下面帶有6臺變頻器(所帶的電機容量*大為350kW)，設(shè)有1套480kVar的電容補償裝置。

在工程調(diào)試過程中，由于350kW變頻電機啟動時，使選煤廠內(nèi)一臺2.2kW的小電機燒毀，更換電機后又出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場的情況進行分析，初步判斷是系統(tǒng)的諧波較大引起的，隨后對系統(tǒng)的諧波進行了檢測，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)見表1。

可見，系統(tǒng)電流波形已發(fā)生嚴重畸變，電流畸變率已超過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%代入計算公式:

選擇1套YD-APF有源濾波器進行諧波治理,YD-APF有源濾波器為模塊化設(shè)計，可根據(jù)需補償?shù)碾娏魅萘浚杂傻倪x擇模塊數(shù)量。根據(jù)式(1)的計算結(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)能自動計算出系統(tǒng)的諧波分量,并生成一個大小一樣、方向相反的補償電流補償至供電系統(tǒng)中，從而抵消供電系統(tǒng)中的諧波分量,使系統(tǒng)恢復平滑的正弦波形態(tài)。有源濾波裝置具有以下功能:

(1)實時監(jiān)測。YD-APF全功能監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)測配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，通過監(jiān)控系統(tǒng)，可實時讀取電網(wǎng)側(cè)、負載側(cè)的THD,和THD.各相電流大小.補償前后效果波形圖及有源電力濾波器發(fā)出的補償電流大小、波形等一系列電能質(zhì)量數(shù)據(jù),操作簡單，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，保證機器獨立安全運行，所有設(shè)置項會記憶并保存在系統(tǒng)中。

(3)后臺監(jiān)控。YD-APF有源濾波器RS485和網(wǎng)口,通過數(shù)據(jù)線或網(wǎng)線可與計算機進行通訊。在計算機終端安裝后臺監(jiān)控軟件，即可實現(xiàn)對有源濾波器的遠程操作和控制,為了解有源濾波器的運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

通過安裝在低壓母線上的電流互感器對母線電流進行采樣,通過YD-APF有源濾波器內(nèi)置控制器對采樣信號進行分析,找出其中的諧波成分,然后控制晶閘管動作，產(chǎn)生一個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%，補償率達到87%，功率因數(shù)由0.92提高到0.97,350kW變頻電機啟動時燒毀小電機的情況沒有再出現(xiàn)?？梢娡度胗性措娏V波器后,電網(wǎng)中的諧波得到了顯著的抑制，并可以快速對變頻器等在運行過程中產(chǎn)生的諧波快速響應，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

(1)DSP+FPGA控制方式，響應時間短，全數(shù)字控制算法，運行穩(wěn)定；

(2)一機多能，既可補諧波，又可兼補無功，可對2～51次諧波進行全補償或特定次諧波進行補償；

(3)具有完善的橋臂過流保護、直流過壓保護、裝置過溫保護功能；

(4)模塊化設(shè)計，體積小，安裝便利，方便擴容；

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

(6)輸出端加裝濾波裝置，降低高頻紋波對電力系統(tǒng)的影響；

(7)多機并聯(lián)，達到較高的電流輸出等級；

6.2型號說明

6.3尺寸說明

6.4產(chǎn)品實物展示

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。它由智能測控單元，晶閘管復合開關(guān)電路，線路保護單元，兩臺共補或一臺分補低壓電力電容器構(gòu)成。可替代常規(guī)由熔絲、復合開關(guān)或機械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在柜內(nèi)和柜面由導線連接而組成的自動無功補償裝置。具有體積更小，功耗更低，維護方便，使用壽命長，可靠性高的特點，適應現(xiàn)代電網(wǎng)對無功補償?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、無功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過內(nèi)部晶閘管復合開關(guān)電路，自動尋找適宜投入（切除）點，實現(xiàn)過零投切，具有過壓保護、缺相保護、過諧保護、過溫保護等保護功能。

7.2型號說明

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

安科瑞無功補償裝置智能電容方案

8結(jié)語

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)中得到越來越多的應用，提升了選煤廠的控制水平,但是其在工作過程中也產(chǎn)生了更多的諧波，為供電系統(tǒng)的運行帶來了新的問題，在現(xiàn)代工程中應重視對諧波的治理，維護供電系統(tǒng)安全可靠的運行。

參考文獻

[1]戴蘇偉，李*.直掛式電壓電力有源濾波諧波治理技術(shù)[.中州煤炭,2013(7):7273.

[2]曹婷.有源濾波器在選煤廠供電系統(tǒng)諧波治理中的應用[J].能源與環(huán) 保,

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

作者簡介

李明君，男,現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司