適用于礦山配電系統的混合有源濾波器的研究與選型

張穎姣

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：有源電力濾波器（APF）是一種用于動態抑制電力系統諧波，補償無功功率的新型電力電子裝置，它能對大小和頻率變化的諧波以及變化的無功進行補償。本文首先介紹有源濾波器的基本工作原理和分類，然后針對礦山工況的特點，詳細介紹一種新型并聯混合有源濾波器的結構、原理及研究應用。

關鍵詞：有源濾波；APF；諧波；并聯混合

1引言

礦山設備有礦井提升機、膠帶運輸機、通風機等大型設備，這些設備都采用變流器驅動，由于電力電子設備的固有特性，變流器工作過程中產生了大量諧波，對電網造成了嚴重的諧波污染，需要專門的諧波治理裝置來進行抑制。

20世紀80年代以來，隨著電力電子技術以及PWM控制技術的發展，對供電質量提出更高的要求。而傳統的諧波抑制和無功補償主要采用LC濾波器，它由于結構簡單、成本低，自身存在一定的缺點。而有源電力濾波器（ActivePowerFilter，簡稱APF）是一種用于動態抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能夠對幅值和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償。與無源濾波器相比，APF具有高度可控性和快速響應特性，并能跟蹤補償各次諧波，自動產生所需變化的無功功率。

2無源濾波器和有源濾波器的性能比較

傳統的諧波治理和無功補償的方法是采用無源濾波器。無源濾波器由電力電容器、電抗器和電阻器組合而成。其優點是經濟、實用和可靠。

APF與無源濾波器相比，有如下特點：

（1）可同時對諧波和無功進行補償，且補償無功功率的大小可做到連續調節。

（2）有源濾波裝置是一個高阻抗電流源，它的接入對系統阻抗不會產生影響。

（3）補償無功功率時不需要儲能元件。

（4）裝置可以僅輸出所需補償的高次諧波電流，不輸出基波無功功率。

（5）即使補償對象電流過大，有源濾波器不會生過載，并且能正常發揮補償作用。

（6）可實現動態補償，可對頻率和大小均變化的諧波及變化的無功功率進行補償，對補償對象的變化有極快的響應速度。

3APF有源濾波器的原理分析

如下圖1所示為*基本的有源電力濾波器系統的構成原理圖。

is

iL

負載

es

C

ic

R L

主

電

路

指令電流

運算電路

HPF

i＊

c

APF

驅動電路

電流跟蹤

控制電路

圖1有源電力濾波器系統的原理圖

圖1中，es表示交流電源，負載為諧波源，它產生諧波并消耗無功。有源電力濾波器系統由兩大部分組成，即指令電流運算電路和補償電流發生電路。其中，指令電流運補償電流發生電路的核心是檢測出補償對象電流中的諧波和無功等電流分量，因此有時也稱之為諧波和無功電流檢測電路。補償電流發生電路的作用是根據指令電流運算電路得出的補償電流的指令信號，產生實際的補償電流，主電路采用PWM變流器。在產生補償電流時，主要由逆變器工作。而在電網向有源電力濾波器直流側儲能元件充電時，它就作為整流器工作。兩種工作狀態無嚴格區分。

4電力有源濾波器的分類

圖2中，負載為產生諧波的諧波源，變流器和與其相連的電感、直流側貯能元件（電容）共同組成有源電力濾波器的主回路。與APF并聯的小容量的一階高通濾波器，主要用于濾除APF所產生的補償電流中開關頻率附近的諧波。

圖3中，并聯型有源電力濾波器主要補償可看作電流源的諧波源，如直流側為阻感負載的整流電路。此時，APF向電網注入補償電流，抵消諧波源產生的諧波，使電源電流為正弦波。

5新型并聯混合濾波器的研究

單獨使用有源濾波器可用在小容量非線性負載的場合，但是在大容量場合就得采用混合型電力濾波器。按使用的方式可分為兩大類：一類是并聯混合型電力濾波器，一類是串聯混合型電力濾波器。在并聯混合型電力濾波器中，通常需要一個高帶寬的PWM變流器作為有源濾波器，這又使得現有的混合濾波系統只適應于補償對象在中等功率以下，一般是500KW－10MW。對于功率大于10MW的非線性負載，如何抑制所產生的諧波和無功補償，一直是混合型濾波器研究的重要內容。在此介紹一種新型的交流并聯混合型電力濾波器的拓撲結構，使得有源濾波器的容量大大減小，小于補償對象容量的1％，使之應用范圍可擴展到大功率應用場合。

圖4并聯混合濾波器的拓撲結構圖

圖4以單相系統為例，圖中設置了3次和5次兩條調諧支路，APF與一個很小的附加電感La通過耦合變壓器并聯后串入無源濾波器中，耦合變壓起到隔離、匹配PWM變流器的電壓與電流容量的作用。諧波和無功主要由無源濾波器補償，而APF的作用是改善無源濾波器的濾波特性和抑制電網與無源濾波器之間可能發生的諧振。

等效電路

sh

對Ush等效電路

圖5檢測電網諧波電流控制方法的等效電路作時，并聯混合型APF相當于受控電流源，其產生的諧波電流如下式所示：

IC＝KS·ISh

只考慮對ILh的補償特性時，假設電源電壓US為正弦波。電源電流的諧波分量ISh、連接點處諧波電壓UTh由下式給出：

式（2）說明，對于ISh而言，圖5a和圖5b是等效的，

由圖看出，這相當于給ZSh串接了一個電阻KsZah或一個電抗KsZah。如果ZSh＋KSZah垌Zfh＋Zah，則由負載產生的諧波電流將流入濾波器。如果KsZah垌Zsh，則濾波特性由Ks決定。

混合型電力濾波器系統對電源電壓諧波的濾波特性分析，假設不接負載（即ILh＝0），此時有源濾波器相當于純電阻KsZah，如圖5c所示。由該等效電路得出

當Ks為無窮大時，混合型電力濾波器系統可達到理想的濾波特性如下所示：

從上式看出，當Ks足夠大時，ISh≈0。于是IS＝ISf，即為不含諧波的正弦電流。其優點在于將電流引入閉環控制，不僅能補償ILh產生的IS畸變，而且能補償US畸變引起的IS畸變，并且由以上（4）式（1＋K）sZah的作用，在Zah＋Zfh≈0的情況下，APF能有效抑制電網阻抗和無源濾波器之間可能發生的諧振。Ks越大，補償效果越好。

6實驗論證和研究

選用1臺容量40KVA的新型單相并聯混合型濾波器的實驗樣機，對帶阻感性負載的單相橋式整流電路進行了諧波補償的實驗研究。實驗系統具體參數如下：

負載容量：40KVA3次濾波器：L3＝4．25mH，C3＝220μF

5次濾波器：L5＝3．98mH，C3＝87μFLH＝0．43mH

選用儀器：AN87500高性能多通道功率分析儀，普源DS1102C數字示波器

實驗波形如下圖所示，電力濾波器投入后電源電流波形，分別采用前饋、反饋、復合控制方式時的實驗結果。

圖6APF前饋控制—電流波形（左）和頻譜（右）

圖7APF反饋控制—電流波形（左）和頻譜（右）

圖8APF復合控制—電流波形（左）和頻譜（右）

從波形圖和頻譜圖可以分析出，新型并聯混合濾波器投入后電源電流的諧波成分大大減少。從實驗結果得出，在投入新型并聯混合濾波器進行補償后，電網電流中的3次、5次諧波降低，濾波效果明顯。

7諧波治理的意義

諧波的大量存在，會造成電力系統電網畸變，使大型礦山的變壓器產生發熱現象，網損嚴重，使電能的生產、傳輸和利用的效率降低，使電氣設備過熱、產生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發生故障或燒毀。對電力系統安全運行產生影響和危害，直接危及系統的安全運行，對通訊系統的電磁干擾等。利用有源電力濾波器對煤礦企業電力系統諧波和無功進行補償的效果明顯。諧波的有效治理保證了變壓器的正常運行，降低了網損，具有很大的節能降耗意義。

8安科瑞APF有源濾波器產品選型

8.1產品特點

（1）DSP+FPGA控制方式，響應時間短，全數字控制算法，運行穩定；

（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指定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參數設置和控制，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的影響；

（7）多機并聯，達到較高的電流輸出等級；

（8）擁有自主專利技術。

8.2型號說明

8.3尺寸說明

8.4產品實物展示

ANAPF有源濾波器

9安科瑞智能電容器產品選型

9.1產品概述

AZC/AZCL系列智能電容器是應用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節省能源、降低線損、提高功率因數和電能質量的新一代無功補償設備。它由智能測控單元，晶閘管復合開關電路，線路保護單元，兩臺共補或一臺分補低壓電力電容器構成。可替代常規由熔絲、復合開關或機械式接觸器、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，適應現代電網對無功補償的更高要求。

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、頻率、電容器路數及投切狀態、有功功率、無功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過內部晶閘管復合開關電路，自動尋找*佳投入（切除）點，實現過零投切，具有過壓保護、缺相保護、過諧保護、過溫保護等保護功能。

9.2型號說明

AZC系列智能電容器選型：

AZCL系列智能電容器選型：

9.3產品實物展示

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

10結束語

有源電力濾波器是諧波治理，改善電能質量的重要技術手段，其應用領域涉及到各個工業領域。在礦山這樣的大容量用電場合下，由于大量的電力電子變流器的使用，使得電網側電流存在大量的諧波，而單獨使用的有源濾波器無法滿足諧波抑制的需要，而采用并聯混合型APF由于其便于容量擴展，特別適合于礦山工況大容量諧波抑制的需求。因此，該技術應用具有廣闊的市場前景。

審核編輯 黃宇