采用APF进行谐波治理和无功补偿的工程应用

容志亮

（广东强盈电气厂有限公司，广东 江门 529100）

引言

随着我国工业化进程的不断推进，谐波成为影响工业用电的主要问题，对我国的工业发展带来严重的阻碍。大部分工矿企业的用电情况复杂，大量非线性负荷使供电系统中高次谐波含量增加，引起电网电压畸变，常规无功补偿设备无法有效应对。

一、谐波的危害及产生原因

谐波使电能传输和利用的效率降低，使电气设备过热，并使绝缘老化、缩短使用寿命，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部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，使电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使测量仪表计量不准确。谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。谐波产生的危害日益严重，迫使供电公司对一些用电量大的单位进行严格管制，限制其产生谐波电流的大小，以此来消除谐波污染带来的电能质量问题。同时，国家也出台了相关的标准和规范对谐波的控制和治理进行督导。对于一些以变频器、开关电源、电弧炉等驱动和用电设备为主的工矿企业，其电源系统容易出现谐波含量高、功率因数低等状况。

造成谐波含量超标的原因：①电力电子设备主要包括整流器、变频器、开关电源、静态换流器、晶闸管系统及其他SCR控制系统的使用。②冲击性负荷如电弧炉、轧钢机、提升机等设备及气体电光源设备的广泛应用。随着电力电子装置的日益增多，这部分谐波源产生的谐波所占的比重越来越大，目前它已成为电力系统中谐波的主要来源。

二、治理方案对比

（一）无源滤波器

无源滤波器由电感、电容和电阻元件组合而成，通过调谐来控制吸收谐波电流。这种装置造价较低，在目前的谐波治理领域应用较为广泛。该装置的主要缺点是易和系统产生并联谐振。因此在设计时，需要充分考虑电容器容量、母线短路容量以及串联电抗器电抗率之间的关系，避免因设计不合理造成滤波支路的谐振引起系统过电压和过电流。采用传统的无源滤波方案，存在的主要问题有：

（1）电容和电抗器仅针对某次谐波滤波，系统工况变化后滤波效果明显下降；

（2）滤除谐波同时兼顾无功补偿，设计不善有可能造成系统发生谐振，导致系统崩溃，设备损坏。

（3）谐波环境下的表现差，LC方案为电容和电抗串联，有阻抗、元器件对谐波形成回路，容易过载，谐波会加速电容器容值衰减，影响设备使用寿命；

（4）LC滤波回路与电压关系密切，LC的滤波和无功补偿量与电网电压的平方呈正比，当电网电压跌落时，滤波和无功补偿量下降较多。

（二）APF

随着大功率可关断电力电子器件IGBT控制技术的成熟，应用于跟随电网的波形快速变化进行谐波治理技术的产品APF逐渐成为电力滤波的主流产品。APF由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个主要部分组成，指令电流运算电路通过外部采集负载的电流和电压信号，并将模拟电流信号转换为数字信号，送入高速数字信号处理器DSP对信号进行处理，将谐波与基波分离，并以脉宽调制PWM信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲，驱动IGBT或IPM功率模块，生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，对谐波电流进行补偿或抵消，主动消除电力谐波。

三、谐波治理应用及治理效果案例

某工矿企业1#变压器型号为SCB10-1250/10/0.4kV，变压器运行中升温过快、系统供电不稳定、无功补偿电容器经常性爆裂、加工设备的稳定性较差。经实地考察，变压器低压侧负载驱动装置以变频器、开关电源为主。低压供电设备为固定式开关柜，型号为GGD，低压补偿柜分主柜和副柜共2台，补偿容量分别为250kvar和125kvar。

（一）参数测试与分析

为详细了解该企业存在的电能质量问题，采用KN-2000QPQExplorer电能质量分析设备对1#变压器0.4kV出线端进行电能质量检测和分析，测试依据是GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》、GB17626.7-1998《供电系统及所连接设备谐波和间谐波的测量和测量仪器类别》。主要检测内容为运行电压、电流、电压偏差、闪变、三相不平衡度、有功功率、无功功率、功率因数、频率谐波等。

（二）谐波治理及实施方案

（1）APF采用三电平拓扑电路，三电平设计使得IGBT承受反向电压仅为两电平的1/2，所以IGBT运行速度更快、损耗更低且更加稳定安全。（2）三电平设计使得逆变电路纹波电流特别小，所以滤波器的滤波电感和电容也比两电平逆变电路小得多。这样使得APF的散热减小、效率更高、体积更小、重量更轻，更适合现场紧凑的安装环境，或者在已定的空间内，安装容量最大化。（3）APF模块在现场安装时作业量小，只需要简单做1-2次导线的连接，施工时间短，施工质量有保证。（4）相同容量模块的APF单机之间的尺寸、结构、内部元器件排列均完全统一，安装工艺美观大方，而整柜式APF在安装生产时却需要根据现场实际情况经常变动滤波器尺寸、结构及内部元器件的排列方式。

结语

总之，采用APF对电源系统进行谐波治理和无功补偿，系统谐波滤除率达90%以上，设备自身不会放大系统谐波，且对50次以内谐波有较强的滤除作用，不会像无源滤波器随着电力电容容量衰减，LC电路谐振点会偏移，存在谐振风险；设备对于三相负载不平衡性能上也会有较大的改进，三相交流电通过直流侧连接，可以调配功率；设备能快速响应电压突变，抑制电网电压波动和闪变，稳定了电网的电压，从而有效提升了电压合格率。采用APF能够有效降低电网线损，提高供电质量和用电效率，延长变压器、变频器等设备的使用寿命。因此，在非线性负荷系统中采用APF进行滤波补偿，不仅能节能降耗，产生巨大的经济效益，而且在保障系统安全运行方面也发挥了巨大的作用。