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

關鍵詞：高壓脈沖電源；有源濾波器；諧波治理

0引言

某電廠4號機組電除塵電場采用高壓脈沖電源進行超低排放改造后，粉塵排放濃度和電源能耗都有了明顯下降，存在可觀的經濟效益和社會效益。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備構成的逆變式電源，這些電力電子元件使得除塵配電段的非線性負載增加，大量諧波電流注入到電網中，導致電壓電流波形畸變，使電能質量下降，對廠用電源及其他電氣設備的安全穩定運行造成危害。特別是諧波污染影響了上級6kV配電系統除塵變綜合保護裝置的安全運行,保護裝置出現間隙性死機現象，無法保證保護功能正常使用[1]。

經過方案研討，結合其他行業經驗，某電廠采用有源電力濾波器對4號機組380V除塵4A、4B段進行諧波治理，通過濾除除塵段系統中由高壓脈沖電源產生的5次、7次等奇次諧波，減小其對本級用電設備及上游保護裝置的不良影響，從而確保廠用電安全穩定的運行。

1治理前系統情況

某電廠4號機組380V除塵配電系統主接線為單母線分段結構，正常工作時兩臺1000kVA變壓器及兩路低壓進線同時工作，低壓母聯斷開，每段含兩臺高壓脈沖電源負載。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，再經過IBGT逆變模塊和諧振網絡輸出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中，通過科陸CL316變送器電能表現場校驗儀測試得出4號機組4A、4B除塵變高壓側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150A。

2有源電力濾波器

目前國內外諧波治理及抑制的主要技術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建結構簡單的LC低阻抗回路進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，技術也比較成熟，但存在著補償效果差、受系統阻抗和負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中的負載電流，并反饋到其內部的DSP和IGBT控制逆變器等電能變換設備，從而主動向電網輸出一個和負載諧波電流大小相等，方向相反的補償電流，達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據可知，某電廠4號機組380V除塵配電系統諧波問題較為突出，計劃在每段變壓器低壓側母線下加裝一臺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載產生的*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試驗數據

安裝調試完成后，當負荷正常運行（55% -90%負荷率）時，用電能質量分析儀重點檢測4號機組380V除塵4A、4B段開啟和關閉有源濾波器的兩種狀態的電源質量情況。（圖3、4、5、6）

圖3除塵4A段變壓器諧波治理前電源質量測量情況

圖4除塵4A段變壓器諧波治理后電源質量測量情況

圖5除塵4B段變壓器諧波治理前電源質量測量情況

圖6除塵4B段變壓器諧波治理后電源質量測量情況

3.3對比結果

從上面測量情況分析可得出諧波治理前后數據如表1。可以明顯看出，原有除塵系統中電壓波形和電流波形被污染現象較為嚴重，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%，均小于國標要求的低壓配電系統電壓總諧波畸變不大于5%的規定值[4]，4號機組除塵段中諧波污染的現象得到了明顯的改善，諧波濾除率均控制在90%以上。從測試結果看，有源濾波器的應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，經過諧波治理后，上級6kV配電系統除塵變綜合保護裝置間歇性死機現象消失，故障率明顯下降。表1濾波前后諧波數據對比情況

4電能質量監測與治理系統

4.1概述

電能質量分析與治理系統主要研究供配電系統中的無功補償和諧波治理問題，適用于新建、改建、擴建和技改項目中工業與民用及公共建筑內電氣設備的無功補償、諧波及綜合治理等，可根據不同行業類型和負載類型的電能質量問題提供合適的設計解決方案，以達到改善供電質量和確保電力系統安全經濟運行的目的。

4.2典型行業

①商業中心/辦公大樓/醫療/機場/體育館：空調、電梯、LED屏幕、可控硅調光系統、音響系統；

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學校/研究院：實驗室、機房設備、數據中心；

⑤工廠：使用大型設備的生產線，高精度數控中心等；

⑥通信/金融/醫療/商業中心：UPS、開關電源等。

4.3系統架構

電能質量分析與治理系統由低壓側電能治理產品組成，主要產品有ANAPF有源電力濾波器、ANSVG靜止無功發生器、ANSNP中線安防保護器、ANHPD諧波保護器、ANSVC低壓無功功率補償裝置、ANSVG-G-A混合動態濾波補償裝置、ANSVG-S-A混合動態消諧補償裝置、ANSVG-S-G智慧型動態無功補償裝置等。

4、5產品選型

5.1諧波治理產品選型

5.2無功補償產品快速選型

6產品功能

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在電網上，負載電流通過電流互感器采集到ANAPF的控制系統中，通過實時檢測電路將負載電流中的諧波分量和基波無功分量分離出來，經控制系統快速運算，采用PWM控制IGBT的觸發。通過由大容量IGBT管組成的三相變流器向系統注入補償電流，該補償電流與負荷電流中的諧波電流大小相等，方向相反，互相抵消，實現濾除諧波的功能，保證流入電網電流是正弦波。

6.2ANSNP中線安防保護器

互感器

ANSNP壁掛模塊

ANSNP中線安防保護器通過電流檢測環節采集系統中性線上各次諧波電流，經控制器快速計算并提取各次諧波電流的含量，產生諧波電流指令，通過功率執行器件產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靜止無功發生器

觸摸屏

互感器

ANSVG模塊

ANSVG靜止無功發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序進行快速和連續的補償，其應用可克服LC補償器等傳統的無功補償器響應速度慢、補償效果不能控制、容易與電網發生并聯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復合開關

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電網的無功功率自動補償；它集無功補償、電網監測于一體，不但可以通過投切電容器組來補償電網中的無功損耗，提高功率因數，降低線損，從而提高電網的負載能力和供電質量；同時還能夠實時監測電網的三相電壓、電流、功率因數等電量參數。

（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。AZC由智能測控單元，投切開關，線路保護單元，低壓電力電容器等構成，AZCL在AZC的基礎上添加了電抗器，電抗率可選7%/14%，用于主要諧波為5次及以上/3次、5次及以上的電氣環境。改變了傳統無功補償裝置體積龐大和笨重的結構模式。具有補償效果更好，體積更小，功耗更低，價格更廉，節約成本更多，使用更加靈活，維護更方便，使用壽命更長，可靠性更高等特點。

6.5ANSVG-G-A混合動態濾波補償裝置

觸摸屏

互感器

ANSVG-G-A模塊

ANSVG-G-A混合動態濾波補償裝置在補償無功的同時可兼治理系統的諧波，該設備以并聯方式接入配電系統，實時監測系統的電流分量，通過控制計算及邏輯變化，計算出系統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生系統所需要的無功與諧波電流注入到配電系統中，實現智能補償，兼諧波治理。

6.6ANSVG-S-A系列混合動態消諧補償裝置

TSC模塊

ANSVG-S-A模塊

ANSVG-S-A系列混合動態消諧補償裝置應用新技術，以SVC的經濟性和APF濾波的性等特點為基礎，將兩者技術相結合，提高傳統無功補償技術，在降低成本的同時，實現諧波治理與無功補償。

6.7ANSVG-S-G智慧型動態無功補償裝置

TSC模塊

ANSVG-S-G模塊

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

7應用案例

7.1概述

某工廠負載為空壓機、注塑機一類的變頻設備，是典型的諧波發生源，客戶要求針對諧波電流進行治理，改造前/后實測數據如下：

治理前數據截圖

治理后數據截圖

現場安裝圖

7.2測量前/后數據統計

7.3測量前/后數據分析

從治理前后的測量數據電流波形對比圖中，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。根據數據統計可知，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限值（5次62A、7次44A、11次28A），經過容量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%，滿足國標限值電壓畸變率≤5%的要求，各項指標完全符合國家標準，諧波治理效果明顯。

8典型業績

9結論

某電廠4號的動力電源取自380V除塵4A段母排，經空氣開關至裝置本體；B段裝設的有源濾波器的動力電源取自380V除塵4B段母排，經空氣開關至裝置本體。因380V除塵4A、4B段#1柜已安裝有電流互感器，不用重復裝設CT，只需將有源濾波器的CT回路串接進#1柜的原有CT回路。因此，需新增電纜從380V除機組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的不良影響，綜合保護裝置功能恢復正常使用，在運行中故障的幾率大大降低，確保了廠用電的安全運行，保證了用電設備正常使用。隨著我們對碳達峰、碳中和等工作的持續推進,我國環保質量標準也將會不斷的完善和提高,排放監督與控制也會更加嚴格。為了滿足我國及地方的環保政策和法規的要求，作為沿海城市的重點企業，某電廠為響應國家的政策要求，降低污染負荷，規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及其綜合保護裝置的損害和干擾，提高了除塵配電段供電的安全性和可靠性，確保電除塵設備安全可靠運行，這將有助于改善區域環境治理，為電廠持續改善環境質量，推動超低排放、綠色低碳發展增添助力。本項目是在電除塵高壓脈沖電源諧波治理上的成功案例，對國內電廠在諧波治理上起到啟示借鑒作用，具有良好的經濟效益和社會效益。

參考文獻

[1]劉峰.探討有源電力濾波器(APF)在諧波治理中的應用[J].中文科技期刊數據庫（文摘版）工程技術,2016(9):99.

[2]楊靈芝.基于有源電力濾波器在變頻調速系統中的諧波治理與應用研究[D].成都：西南交通大學,2015.

[3]賈秀臣.混合型有源電力濾波器在鑄鍛企業諧波抑制及無功功率補償中的應用[D].鎮江：江蘇大學,2017.

[4]GB/T14549-1993,電能質量公用電網諧波[S].

[5]楊卓權.有源電力濾波器在電除塵諧波治理中的應用

[6]安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.05版.

作者簡介：

任運業，男，現任職于安科瑞電氣股份有限公司。

審核編輯 黃宇