1引言
礦山設(shè)備有礦井提升機(jī)、膠帶運(yùn)輸機(jī)、通風(fēng)機(jī)等大型設(shè)備,這些設(shè)備都采用變流器驅(qū)動,由于電力電子設(shè)備的固有特性,變流器工作過程中產(chǎn)生了大量諧波,對電網(wǎng)造成了嚴(yán)重的諧波污染,需要專門的諧波治理裝置來進(jìn)行抑制。
20世紀(jì)80年代以來,隨著電力電子技術(shù)以及PWM控制技術(shù)的發(fā)展,對供電質(zhì)量提出更高的要求。而傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補(bǔ)償主要采用LC濾波器,它由于結(jié)構(gòu)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(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置,它能夠?qū)Ψ岛皖l率都變化的諧波以及變化的無功進(jìn)行補(bǔ)償。與無源濾波器相比,APF具有高度可控性和快速響應(yīng)特性,并能跟蹤補(bǔ)償各次諧波,自動產(chǎn)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(tǒng)的諧波治理和無功補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ遣捎脽o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(yōu)點是經(jīng)濟(jì)、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(jìn)行補(bǔ)償,且補(bǔ)償無功功率的大小可做到連續(xù)調(diào)節(jié)。
(2)有源濾波裝置是一個高阻抗電流源,它的接入對系統(tǒng)阻抗不會產(chǎn)生影響。
(3)補(bǔ)償無功功率時不需要儲能元件。
(4)裝置可以僅輸出所需補(bǔ)償?shù)母叽沃C波電流,不輸出基波無功功率。
(5)即使補(bǔ)償對象電流過大,有源濾波器不會生過載,并且能正常發(fā)揮補(bǔ)償作用。
(6)可實現(xiàn)動態(tài)補(bǔ)償,可對頻率和大小均變化的諧波及變化的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償,對補(bǔ)償對象的變化有極快的響應(yīng)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(tǒng)的構(gòu)成原理圖。
圖1有源電力濾波器系統(tǒng)的原理圖
圖1中,es表示交流電源,負(fù)載為諧波源,它產(chǎn)生諧波并消耗無功。有源電力濾波器系統(tǒng)由兩大部分組成,即指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路。其中,指令電流運(yùn)補(bǔ)償電流發(fā)生電路的核心是檢測出補(bǔ)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(bǔ)償電流發(fā)生電路的作用是根據(jù)指令電流運(yùn)算電路得出的補(bǔ)償電流的指令信號,產(chǎn)生實際的補(bǔ)償電流,主電路采用PWM變流器。在產(chǎn)生補(bǔ)償電流時,主要由逆變器工作。而在電網(wǎng)向有源電力濾波器直流側(cè)儲能元件充電時,它就作為整流器工作。兩種工作狀態(tài)無嚴(yán)格區(qū)分。
4電力有源濾波器的分類
圖2中,負(fù)載為產(chǎn)生諧波的諧波源,變流器和與其相連的電感、直流側(cè)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(lián)的小容量的一階高通濾波器,主要用于濾除APF所產(chǎn)生的補(bǔ)償電流中開關(guān)頻率附近的諧波。
圖3中,并聯(lián)型有源電力濾波器主要補(bǔ)償可看作電流源的諧波源,如直流側(cè)為阻感負(fù)載的整流電路。此時,APF向電網(wǎng)注入補(bǔ)償電流,抵消諧波源產(chǎn)生的諧波,使電源電流為正弦波。
5新型并聯(lián)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(fù)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(lián)混合型電力濾波器,一類是串聯(lián)混合型電力濾波器。在并聯(lián)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(xiàn)有的混合濾波系統(tǒng)只適應(yīng)于補(bǔ)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(fù)載,如何抑制所產(chǎn)生的諧波和無功補(bǔ)償,一直是混合型濾波器研究的重要內(nèi)容。在此介紹一種新型的交流并聯(lián)混合型電力濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),使得有源濾波器的容量大大減小,小于補(bǔ)償對象容量的1%,使之應(yīng)用范圍可擴(kuò)展到大功率應(yīng)用場合。
圖4并聯(lián)混合濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖
圖4以單相系統(tǒng)為例,圖中設(shè)置了3次和5次兩條調(diào)諧支路,APF與一個很小的附加電感La通過耦合變壓器并聯(lián)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(bǔ)償,而APF的作用是改善無源濾波器的濾波特性和抑制電網(wǎng)與無源濾波器之間可能發(fā)生的諧振。
. 等效電路
sh
. 對Ush等效電路
圖5檢測電網(wǎng)諧波電流控制方法的等效電路作時,并聯(lián)混合型APF相當(dāng)于受控電流源,其產(chǎn)生的諧波電流如下式所示:
IC=KS·ISh
只考慮對ILh的補(bǔ)償特性時,假設(shè)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(dāng)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(fù)載產(chǎn)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(tǒng)對電源電壓諧波的濾波特性分析,假設(shè)不接負(fù)載(即ILh=0),此時有源濾波器相當(dāng)于純電阻KsZah,如圖5c所示。由該等效電路得出
當(dāng)Ks為無窮大時,混合型電力濾波器系統(tǒng)可達(dá)到理想的濾波特性如下所示:
從上式看出,當(dāng)Ks足夠大時,ISh≈0。于是IS=ISf,即為不含諧波的正弦電流。其優(yōu)點在于將電流引入閉環(huán)控制,不僅能補(bǔ)償ILh產(chǎn)生的IS畸變,而且能補(bǔ)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(wǎng)阻抗和無源濾波器之間可能發(fā)生的諧振。Ks越大,補(bǔ)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(lián)混合型濾波器的實驗樣機(jī),對帶阻感性負(fù)載的單相橋式整流電路進(jìn)行了諧波補(bǔ)償?shù)膶嶒炑芯?。實驗系統(tǒng)具體參數(shù)如下:
負(fù)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(shù)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(fù)合控制方式時的實驗結(jié)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(fù)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(lián)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(jié)果得出,在投入新型并聯(lián)混合濾波器進(jìn)行補(bǔ)償后,電網(wǎng)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(tǒng)電網(wǎng)畸變,使大型礦山的變壓器產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象,網(wǎng)損嚴(yán)重,使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低,使電氣設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動和噪聲,并使絕緣老化,使用壽命縮短,甚至發(fā)生故障或燒毀。對電力系統(tǒng)安全運(yùn)行產(chǎn)生影響和危害,直接危及系統(tǒng)的安全運(yùn)行,對通訊系統(tǒng)的電磁干擾等。利用有源電力濾波器對煤礦企業(yè)電力系統(tǒng)諧波和無功進(jìn)行補(bǔ)償?shù)男Ч黠@。諧波的有效治理保證了變壓器的正常運(yùn)行,降低了網(wǎng)損,具有很大的節(jié)能降耗意義。
8安科瑞APF有源濾波器產(chǎn)品選型
8.1產(chǎn)品特點
(1)DSP+FPGA控制方式,響應(yīng)時間短,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)無功,可對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)具有完善的橋臂過流保護(hù)、直流過壓保護(hù)、裝置過溫保護(hù)功能;
(4)模塊化設(shè)計,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;
(8)擁有自主技術(shù)。
8.2型號說明
8.3尺寸說明
8.4產(chǎn)品實物展示
ANAPF有源濾波器
9安科瑞智能電容器產(chǎn)品選型
9.1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)量的新一代無功補(bǔ)償設(shè)備。它由智能測控單元,晶閘管復(fù)合開關(guān)電路,線路保護(hù)單元,兩臺共補(bǔ)或一臺分補(bǔ)低壓電力電容器構(gòu)成??商娲R?guī)由熔絲、復(fù)合開關(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無功補(bǔ)償裝置。具有體積更小,功耗更低,維護(hù)方便,使用壽命長,可靠性高的特點,適應(yīng)現(xiàn)代電網(wǎng)對無功補(bǔ)償?shù)母咭蟆?/span>
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(fù)合開關(guān)電路,自動尋找*佳投入(切除)點,實現(xiàn)過零投切,具有過壓保護(hù)、缺相保護(hù)、過諧保護(hù)、過溫保護(hù)等保護(hù)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(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(bǔ)償裝置智能電容方案
10結(jié)束語
有源電力濾波器是諧波治理,改善電能質(zhì)量的重要技術(shù)手段,其應(yīng)用領(lǐng)域涉及到各個工業(yè)領(lǐng)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(wǎng)側(cè)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(lián)混合型APF由于其便于容量擴(kuò)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(shù)應(yīng)用具有廣闊的市場前景。
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