适用于矿山配电系统的混合有源滤波器的研究与选型

适用于矿山配电系统的混合有源滤波器的研究与选型

张颖姣

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：有源电力滤波器（APF）是一种用于动态抑制电力系统谐波，补偿无功功率的新型电力电子装置，它能对大小和频率变化的谐波以及变化的无功进行补偿。本文首先介绍有源滤波器的基本工作原理和分类，然后针对矿山工况的特点，详细介绍一种新型并联混合有源滤波器的结构、原理及研究应用。

关键词：有源滤波；APF；谐波；并联混合

1引言

矿山设备有矿井提升机、胶带运输机、通风机等大型设备，这些设备都采用变流器驱动，由于电力电子设备的固有特性，变流器工作过程中产生了大量谐波，对电网造成了严重的谐波污染，需要专门的谐波治理装置来进行抑制。

20世纪80年代以来，随着电力电子技术以及PWM控制技术的发展，对供电质量提出更高的要求。而传统的谐波抑制和无功补偿主要采用LC滤波器，它由于结构简单、成本低，自身存在一定的缺点。而有源电力滤波器（ActivePowerFilter，简称APF）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对幅值和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿。与无源滤波器相比，APF具有高度可控性和快速响应特性，并能跟踪补偿各次谐波，自动产生所需变化的无功功率。

2无源滤波器和有源滤波器的性能比较

传统的谐波治理和无功补偿的方法是采用无源滤波器。无源滤波器由电力电容器、电抗器和电阻器组合而成。其优点是经济、实用和可靠。

APF与无源滤波器相比，有如下特点：

（1）可同时对谐波和无功进行补偿，且补偿无功功率的大小可做到连续调节。

（2）有源滤波装置是一个高阻抗电流源，它的接入对系统阻抗不会产生影响。

（3）补偿无功功率时不需要储能元件。

（4）装置可以仅输出所需补偿的高次谐波电流，不输出基波无功功率。

（5）即使补偿对象电流过大，有源滤波器不会生过载，并且能正常发挥补偿作用。

（6）可实现动态补偿，可对频率和大小均变化的谐波及变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应速度。

3APF有源滤波器的原理分析

如下图1所示为*基本的有源电力滤波器系统的构成原理图。

is

iL

负载

es

C

ic

R L

主

电

路

指令电流

运算电路

HPF

i＊

c

APF

驱动电路

电流跟踪

控制电路

图1有源电力滤波器系统的原理图

图1中，es表示交流电源，负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功。有源电力滤波器系统由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。其中，指令电流运补偿电流发生电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量，因此有时也称之为谐波和无功电流检测电路。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流，主电路采用PWM变流器。在产生补偿电流时，主要由逆变器工作。而在电网向有源电力滤波器直流侧储能元件充电时，它就作为整流器工作。两种工作状态无严格区分。

4电力有源滤波器的分类

图2中，负载为产生谐波的谐波源，变流器和与其相连的电感、直流侧贮能元件（电容）共同组成有源电力滤波器的主回路。与APF并联的小容量的一阶高通滤波器，主要用于滤除APF所产生的补偿电流中开关频率附近的谐波。

图3中，并联型有源电力滤波器主要补偿可看作电流源的谐波源，如直流侧为阻感负载的整流电路。此时，APF向电网注入补偿电流，抵消谐波源产生的谐波，使电源电流为正弦波。

5新型并联混合滤波器的研究

单独使用有源滤波器可用在小容量非线性负载的场合，但是在大容量场合就得采用混合型电力滤波器。按使用的方式可分为两大类：一类是并联混合型电力滤波器，一类是串联混合型电力滤波器。在并联混合型电力滤波器中，通常需要一个高带宽的PWM变流器作为有源滤波器，这又使得现有的混合滤波系统只适应于补偿对象在中等功率以下，一般是500KW－10MW。对于功率大于10MW的非线性负载，如何抑制所产生的谐波和无功补偿，一直是混合型滤波器研究的重要内容。在此介绍一种新型的交流并联混合型电力滤波器的拓扑结构，使得有源滤波器的容量大大减小，小于补偿对象容量的1％，使之应用范围可扩展到大功率应用场合。

图4并联混合滤波器的拓扑结构图

图4以单相系统为例，图中设置了3次和5次两条调谐支路，APF与一个很小的附加电感La通过耦合变压器并联后串入无源滤波器中，耦合变压起到隔离、匹配PWM变流器的电压与电流容量的作用。谐波和无功主要由无源滤波器补偿，而APF的作用是改善无源滤波器的滤波特性和抑制电网与无源滤波器之间可能发生的谐振。

等效电路

sh

对Ush等效电路

图5检测电网谐波电流控制方法的等效电路作时，并联混合型APF相当于受控电流源，其产生的谐波电流如下式所示：

IC＝KS·ISh

只考虑对ILh的补偿特性时，假设电源电压US为正弦波。电源电流的谐波分量ISh、连接点处谐波电压UTh由下式给出：

式（2）说明，对于ISh而言，图5a和图5b是等效的，

由图看出，这相当于给ZSh串接了一个电阻KsZah或一个电抗KsZah。如果ZSh＋KSZah垌Zfh＋Zah，则由负载产生的谐波电流将流入滤波器。如果KsZah垌Zsh，则滤波特性由Ks决定。

混合型电力滤波器系统对电源电压谐波的滤波特性分析，假设不接负载（即ILh＝0），此时有源滤波器相当于纯电阻KsZah，如图5c所示。由该等效电路得出

当Ks为无穷大时，混合型电力滤波器系统可达到理想的滤波特性如下所示：

从上式看出，当Ks足够大时，ISh≈0。于是IS＝ISf，即为不含谐波的正弦电流。其优点在于将电流引入闭环控制，不仅能补偿ILh产生的IS畸变，而且能补偿US畸变引起的IS畸变，并且由以上（4）式（1＋K）sZah的作用，在Zah＋Zfh≈0的情况下，APF能有效抑制电网阻抗和无源滤波器之间可能发生的谐振。Ks越大，补偿效果越好。

6实验论证和研究

选用1台容量40KVA的新型单相并联混合型滤波器的实验样机，对带阻感性负载的单相桥式整流电路进行了谐波补偿的实验研究。实验系统具体参数如下：

负载容量：40KVA3次滤波器：L3＝4．25mH，C3＝220μF

5次滤波器：L5＝3．98mH，C3＝87μFLH＝0．43mH

选用仪器：AN87500高性能多通道功率分析仪，普源DS1102C数字示波器

实验波形如下图所示，电力滤波器投入后电源电流波形，分别采用前馈、反馈、复合控制方式时的实验结果。

图6APF前馈控制—电流波形（左）和频谱（右）

图7APF反馈控制—电流波形（左）和频谱（右）

图8APF复合控制—电流波形（左）和频谱（右）

从波形图和频谱图可以分析出，新型并联混合滤波器投入后电源电流的谐波成分大大减少。从实验结果得出，在投入新型并联混合滤波器进行补偿后，电网电流中的3次、5次谐波降低，滤波效果明显。

7谐波治理的意义

谐波的大量存在，会造成电力系统电网畸变，使大型矿山的变压器产生发热现象，网损严重，使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。对电力系统安全运行产生影响和危害，直接危及系统的安全运行，对通讯系统的电磁干扰等。利用有源电力滤波器对煤矿企业电力系统谐波和无功进行补偿的效果明显。谐波的有效治理保证了变压器的正常运行，降低了网损，具有很大的节能降耗意义。

8安科瑞APF有源滤波器产品选型

8.1产品特点

（1）DSP+FPGA控制方式，响应时间短，全数字控制算法，运行稳定；

（2）一机多能，既可补谐波，又可兼补无功，可对2～51次谐波进行全补偿或指定特定次谐波进行补偿；

（3）具有完善的桥臂过流保护、直流过压保护、装置过温保护功能；

（4）模块化设计，体积小，安装便利，方便扩容；

（5）采用7英寸大屏幕彩色触摸屏以实现参数设置和控制，使用方便，易于操作和维护；

（6）输出端加装滤波装置，降低高频纹波对电力系统的影响；

（7）多机并联，达到较高的电流输出等级；

（8）拥有自主专利技术。

8.2型号说明

8.3尺寸说明

8.4产品实物展示

ANAPF有源滤波器

9安科瑞智能电容器产品选型

9.1产品概述

AZC/AZCL系列智能电容器是应用于0.4kV、50Hz低压配电中用于节省能源、降低线损、提高功率因数和电能质量的新一代无功补偿设备。它由智能测控单元，晶闸管复合开关电路，线路保护单元，两台共补或一台分补低压电力电容器构成。可替代常规由熔丝、复合开关或机械式接触器、热继电器、低压电力电容器、指示灯等散件在柜内和柜面由导线连接而组成的自动无功补偿装置。具有体积更小，功耗更低，维护方便，使用寿命长，可靠性高的特点，适应现代电网对无功补偿的更高要求。

AZC/AZCL系列智能电容器采用定式LCD液晶显示器，可显示三相母线电压、三相母线电流、三相功率因数、频率、电容器路数及投切状态、有功功率、无功功率、谐波电压总畸变率、电容器温度等。通过内部晶闸管复合开关电路，自动寻找*佳投入（切除）点，实现过零投切，具有过压保护、缺相保护、过谐保护、过温保护等保护功能。

9.2型号说明

AZC系列智能电容器选型：

AZCL系列智能电容器选型：

9.3产品实物展示

AZC系列智能电容模块AZCL系列智能电容模块

安科瑞无功补偿装置智能电容方案

10结束语

有源电力滤波器是谐波治理，改善电能质量的重要技术手段，其应用领域涉及到各个工业领域。在矿山这样的大容量用电场合下，由于大量的电力电子变流器的使用，使得电网侧电流存在大量的谐波，而单独使用的有源滤波器无法满足谐波抑制的需要，而采用并联混合型APF由于其便于容量扩展，特别适合于矿山工况大容量谐波抑制的需求。因此，该技术应用具有广阔的市场前景。

审核编辑 黄宇