基于有源濾波器在煙草行業低壓配電系統中應用的分析

王勝鑫 / 孫先利 / 李 金

1.吉林煙草工業有限責任公司延吉卷煙廠， 吉林 延吉 133001 2.延邊巨龍信息技術有限公司，吉林 延吉 133000

0 引言

隨著煙草行業的飛速發展，設備技術改造接踵而來，業內已開始把節能減排作為重點工作全面啟動并實施。在新完成的技術改造項目中，控制設備采用了大量的變頻器設備。但變頻器設備的非線性負載屬性會給生產配電電網系統中注入大量的諧波電流。諧波電流在電網阻抗上產生的壓降，會使電壓波形變成非正弦，造成生產用電環境惡化，出現變壓器溫度升高、電容補償器損壞，電纜發熱絕緣下降，自動化生產線通訊網絡嚴重受干擾，設備信息記錄和傳輸數據不完整，數據丟失等故障發生。

有源濾波器作為在配電網絡中抑制或消除高次諧波的設備，可以提高設備運行的可靠性及企業設備的供電質量，減少因設備誤動作而造成的經濟損失及諧波電流在輸配電線路上產生的熱損，從而降低用電設備發熱，提高設備的使用壽命并減少絕緣老化及設備的維護費用，可減少諧波對系統信號傳輸的影響，增加系統可靠性和電網供電質量，保證供電網絡高效運行。

1 系統介紹

有源電力濾波器是一種可動態抑制諧波的新型電力電子裝置。其原理是用補償裝置產生一個與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流抵消補償對象中檢測出的諧波電流，最終使電網電流只含基波分量。這種濾波器可保護補償特性不受電網阻抗的影響，并對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償。有源電力濾波器具備高度可控性和響應性，其補償性能優于傳統方式，能夠克服無源濾波器的各種缺點，具有一機多能的特點，既能補償各次諧波，亦能抑制閃變、補償無功。此外，還具有：

（1）自適應能力強，可自動跟蹤補償頻率和幅值都在變化的諧波，對補償對象快速響應，并實時動態補償。

（2）可同時對諧波和無功電流進行補償，補償程度連續可調。

（3）補償無功功率時不需要儲能元件，補償諧波電流時所需的儲能元件也不大。

（4）濾波特性不受系統阻抗的影響，不易與系統阻抗發生諧振。

2 系統工作原理

有源電力濾波器工作原理如圖1所示。

圖1 有源電力濾波器工作原理

先檢測出補償對象的電流瞬時值，隨后通過指令電流運算電路得出諧波補償電流的指令信號。該信號控制變流器產生的補償電流可抵消負載電流中的諧波成份及無功電流，最終獲得期望的電源電流。其補償諧波的等效電路圖如圖2所示。

圖2 補償諧波的等效電路圖

從圖2中可以得到電網側的諧波電流，可用下式描述：

˙Ish=˙ILh-˙Ich

只要控制有源電力濾波器的輸出電流˙Ich，使其滿足˙Ich=˙ILh，即可使電網側的諧波電流˙Ish=0。

3 低壓配電系統的安裝與應用

本系統選擇廠區內制絲設備、空調機組、空壓機及除塵設備等3個不同變頻負載用的變壓器作為試驗測試對象，在安裝有源濾波器前后，分別進行滿載測試，并詳細記錄相關數據，具體結果所述如下：

3#2000kVA變壓器負載主要是制絲車間動力設備，由于制絲設備大量使用變頻器，變頻器作為典型的非線性負載，在工作過程中同時也作為諧波源，發出了大量的諧波電流，導致變壓器副邊側電流波形發生嚴重畸變。3#變壓器正常運行負荷電流在1270A左右，在設備正常運行狀態下測試出5次諧波電流56A，7次諧波電流37A，11次諧波電流30A，電流畸變率達到6.5%，總諧波電流達到1270×6.5%=82.55A。從測試圖上看電流波形已經出現嚴重畸變，電能質量受到了非常嚴重的影響，在變壓器副邊側并聯接入一臺150A有源濾波器對諧波進行集中治理。

4#變壓器負載主要是動力車間21組空調機組，每組空調機組有2～3臺75kW變頻器。變頻器作為典型的非線性負載，在工作過程中同時也作為諧波源，發出了大量的諧波電流，導致變壓器副邊側電流波形發生嚴重畸變。4#變正常運行負荷電流在880A左右，在設備正常運行狀態下測試，5次諧波電流高達185A，7次諧波達到71A，11次諧波達到37A，13次諧波達到18A、19次諧波達到14A、23次諧波達到24A，電流畸變率達到23.7%，總諧波電流達到880×23.7%=208.56A。從測試圖上看電流波形已經出現嚴重畸變，電能質量受到了非常嚴重的影響，在變壓器副邊側并聯接入兩臺150A有源濾波裝置對諧波進行集中治理。

6#變壓器負載主要是動力車間的4臺空壓機、2臺真空泵及除塵系統，這些設備使用了大功率變頻器。變頻器作為典型的非線性負載，在工作過程中同時也是諧波源，發出了大量的諧波電流，導致變壓器副邊側電流波形發生嚴重畸變。6#變運行負荷電流在1800A左右，在設備正常運行狀態下測試，5次諧波達到223A、7次諧波達到73A、11次諧波達到49A、13次諧波達到22A、17次諧波達到23A，電流畸變率達到13.5%，總諧波電流達到1800×13.5%=243A。從測試圖上看電流波形已經出現嚴重畸變，電能質量受到了非常嚴重的影響，在變壓器副邊側并聯接入2臺150A有源濾波裝置對諧波進行集中治理。

詳見對3#2000kVA變壓器低壓線側補償前與補償后測試數據的對比圖,見圖3。

4 數據分析

（1）3#2000kVA變壓器補償前的電流畸變率（THDI）平均為6.5%，補償以后降為2.2%，電壓畸變率（THDU）為2.4%，補償后降為1.6%，電流波形補償前后有明顯變化，波形正弦化。諧波電流補償率為87.26%，總補償效果超出75%。補償后總電流有明顯下降，補償效果比較理想。

圖1 3#2000kVA變壓器低壓出線側補償前的諧波電流、諧波電壓及波形圖

圖3 3#2000kVA變壓器低壓出線側補償后的諧波電流、諧波電壓及波形圖

（2）4# 2000kVA變壓器補償前的電流畸變率（THDI）平均為23.7%，補償以后降為6.4%，電壓畸變率（THDU）為4.9%，補償后降為3.0%，電流波形補償前后有明顯變化，波形接近正弦。諧波電流補償率為84.92%，總補償效果超出75%。補償后總電流有明顯下降，總的補償效果比較理想。

（3）6# 2000kVA變壓器補償前的電流畸變率（THDI）平均為13.5%，補償以后降為2.9%，電壓畸變率（THDU）為3.3%，補償后降為1.7%，電流波形補償前后有明顯變化，波形接近正弦。諧波電流補償率為87.71%，總補償效果超出75%。補償后總電流有明顯下降，總的補償效果比較理想。

（4）系統諧波得到了有效的降低，波形全部均可得到明顯改善。在設備容量之內補償率大于75%；當超出設備補償容量時，設備按最大輸出能力補償。變壓器電流畸變率降低到了6.5%以下，電能質量會得到有效的提高。

（5）電能消耗得到有效的節約和控制，經過諧波治理，電能消耗可以得到節約和控制，設備運行總電流得到下降，節約能耗在10%以上。

5 結束語

經過諧波治理后，電能質量得到提高，用電環境得到明顯改善，諧波電流在輸配電線路及設備上產生的熱損失減少，絕緣老化程度降低，設備的維護費用減少，設備的使用壽命延長，生產效率得到提高。同時抑制了諧波對信息化管理底層自控網絡的干擾，增加了信息化管理系統的穩定可靠性運行，綜合經濟效益顯著，對企業高效快速發展有著非常重要的意義。

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