有源滤波装置在电力电网中的应用

1、有源滤波装置在电力电网中的应用 2015-01-26 14:27:02作者：贵阳供电局 刘鲲 付焜 森瀚电气成套设备（上海）有限公司 来源：电能质量 如今在电力电网中存在大量变频器、电弧炉、充电机、水泵、矿井提升机、电力机车、电焊机等非线性负载，这些设备的使用给供电系统带来大量的谐波污染，使电力系统的电能质量出现了很多问题。 1 谐波的定义及危害1.1 概述如今在电力电网中存在大量变频器、电弧炉、充电机、水泵、矿井提升机、电力机车、电焊机等非线性负载，这些设备的使用给供电系统带来大量的谐波污染，使电力系统的电能质量出现了很多问题。1.2 谐波的定义正弦波电压施加到非线性负载产生非正弦波电流，非

2、正弦波电流在电网阻抗上产生压降，使得电网电压波形也形成非正弦波形，对非正弦波进行傅立叶级数分解，其中频率与工频相同的分量称为基波，频率大于工频的分量称为谐波。1.3 谐波的危害(1)使公用电网中的设备产生附加谐波损耗，降低电网，输电以及用电设备的使用效率，增加电网线损;(2)在三相四线制系统中，由于零线流过大量的3次及其倍数次谐波电流，造成零线过热;(3)谐波容易使电网与补偿电容器之间发生并联谐振或串联谐振。使谐波电流放大几倍甚至数十倍，造成过电流，引起电容器和与之相连的电抗器损坏，谐振严重时还会引起跳闸事故;(4)谐波会引起一些保护设备误动作，同时也会导致电气测量仪表计量不准确;(5)谐波会

3、对附近的通讯系统产生干扰，轻者产生噪音，降低通话质量，重者导致信号丢失，使通讯系统无法正常工作。鉴于谐波对电能质量影响的严重性，结合现有技术实力，拟对低压有源滤波装置的应用进行研究。也为后续高压无功补偿装置的应用研究进行技术、经验积累。过去大多采用LC无源滤波装置，由电力电容器，电抗器和电阻适当组合而成。每一次谐波成分需要一个滤波回路，滤除次数非常有限，并且有谐振隐患，有较大级差，响应速度慢，可能发生过载损坏。SWAPF具有自适应功能，实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波和变化的无功功率进行补偿，对补偿的对象有极快的响应，可同时补偿谐波和无功，补偿无功时不需要储能元件，补偿谐波时所需储能

4、元件容量不大，且补偿无功功率的大小可以做到连续调节。受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振，且可以跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响。SWAPF可以广泛应用于钢铁、矿山、码头、造纸、烟草、汽车、油田、城市轨道交通、通迅等领域。随着相关技术标准的出台，会得到各行业的广泛应用。可以通过技术招投标或者相关设计院进行推广。SWAPF的接入，可以满足国家标准电能质量 公用电网谐波(GB/T 14549-1993)要求，使电网系统和用电单位设备安全、可靠、稳定运行。2 有源滤波装置的发展随着高压直流输电技术的发展，大量关于变流器引起电力系统谐波的论文不断发表。伴随半导体行业的讯速

5、发展，加上PWM技术的成熟进步，各种控制算法的创新完善，DSP的使用，保证了SWAPF的快速、适时的补偿性能和稳定性。我国起步较晚，1993年才进入试验性工业应用阶段。近年来，国内相关研究以理论和试验为主，理论已经接近国际先进水平，但受到技术和设备等方面的制约，实际应用水平不高，范围不广，与国外存在差距。弗吉尼亚理工大学等著名学府有诸多方面的研究成果，西屋、ABB、施耐德等跨国公司也有深入的研究和系列产品。清华大学、浙江大学、西安交通大学、华北电力大学、华南理工大学、各电力研究所都有诸多论文发表。荣信股份、西安赛博、上海韦欧韦等也有相关研究和产品。如何快速准确的对谐波进行测量计算和对功率器件进

6、行控制实现动态补偿，降低SWAPF系统的损耗，系统设计模块化，提高系统可靠性的同时增强可维护性。3 35kV，10kV供电系统中有源滤波装置的应用(1)电能质量关系到电力系统及其电气设备安全运行和效率，关系到节能降耗，关系到生产和生活以及国民经济的效益，因此提高电能质量对供电系统有着及其非凡的必要性。(2)在如今的10kV，35kV供电系统中，由于存在着大量的非线性负载，谐波的危害程度已经比较严重了。目前采取谐波治理的方法主要有2种:10kV，35kV侧采用高压动态SVC无源滤波装置方案;10kV，35kV侧直接采用高压有源滤波装置方案。在上面2种方案中，第一种高压SVC，它的特点是费用成本高

7、，治理效果不理想，且在使用时有发生谐振的事故隐患;第二种高压直挂式有源滤波装置，它的特点是效果理想但费用成本极高。根据以上所述，贵阳供电局与森瀚电气成套设备(上海)有限公司经过多年研究，现研发出第三种治理方案，即在低压侧加有源滤波装置，然后升压到10kV，35kV侧治理谐波，它的特点是：使用过程中没有安全隐患，最主要的是它的费用成本是最经济的，所以在今后供电系统中，值得大力推广。(3)以下以实例说明第三种治理方案在供电系统中的应用在贵阳市修文县供电局配网及电网范围内选取点进行谐波测试，对有存在谐波问题的地点进行第三种方案的谐波治理。在谐波测试中发现几处比较典型受谐波影响的地点，分别是修文供电局

8、局大楼0.4kV配电系统;修文变电站110kV变10kV线路及35kV线路，经测试修文变10kV修华II回线，35kV修治线，修桥线均存在谐波源。因此针对不同的电压等级及不同的点进行谐波治理。修文局局大楼所在城网附近，有欣盛铁厂1600kW电机负荷，在电机启动时，对线路有谐波影响，因此常引起修文供电局局大楼电能质量受谐波干扰，因此，为保证局大楼正常用电，对局大楼低压实施抗谐波干扰技术措施。通过安装一台0.4kV有源滤波装置设备后，有效滤除2次50次的谐波电流，滤波效果达到95%。有源滤波装置在主断路器合闸前，装置(SWAPF1)首先通过预充电电阻及旁路接触器对DC母线的电容器充电，这个过程会持

9、续几秒钟，是防止上电后对DC母线电容器的瞬间冲击。母线电压Vdc达到额定值后，主断路器闭合。直接电容作为储能元件，为通过IGBT逆变器和内部电抗器向外输出补偿电流提供能量。同时，直流电容器通过电源PCB向内部的控制PCB和电子电路提供工作电源。有源滤波装置(WSAPF1)通过外部CT采集电流信号送至控制PCB的谐波分离模块，该模块将基波成分分离，将谐波成分送至调节和检测模块。该模块会将采集到的系统谐波成分和WSAPF1已发出的补偿电流做比较，得到差值作为实时补偿信号输出到驱动电路，触发IGBT逆变器将补偿谐波电流(和负载谐波电流等量而方向相反，从而中和供电系统中的谐波)注入到电网中，实现滤除谐

10、波的功能。它的响应速度快，从发现负载变化到完全补偿的时间只有10ms，特别能适合负载特性变化快的负载，如点焊机等。在修文变10kV母线及35kV母线上加装低压有源滤波装置SWAPF-100A/400-3各一套，通过加装变压器(为了保证谐波治理的效果，变压器高压侧与低压侧接线组别应完全相同且低阻抗)，将高压转换为低压进行实时滤波消谐。方案如下图所示：滤波消谐方案图技术参数及特点：特点：整套有源滤波装置(10kV和35kV)主要由0.4kV低压有源滤波装置、低阻变压器、高压负荷开关、箱式变外壳等主要部件构成。技术参数：和0.4kV低压有源滤波装置的参数相同，响应速度快，可滤除谐波次数为：2次50次(消除全部或选定次数的谐波);谐波补偿率95%;完全响应速度10ms。补偿方式：谐波补偿、无功补偿或谐波无功同补。主要技术难点：快速准确的对谐波进行测量计算和对功率器件进行控制实现动态补偿，降低APF系统的损耗，系统设计模块化。(4)0.4kV，10kV，35kV谐波治理后的效果SWAPF在该项目的使用过程中，达到了预期的治理效果，谐波电流的吸收率达到了95%以上。有效的滤除了谐波，系统的谐波电流值大幅下降，保护了变压器、断路器、变