有源滤波及智能电容技术在谐波治理上的应用

有源滤波及智能电容技术在谐波治理上的应用

兰鹏飞

（国网辽宁省电力有限公司大连供电公司辽宁庄河116400）

摘要：目前，针对一般的谐波危害，有谐波源治理、安装滤波补偿装置及其它治理方法，而主要采用的是安装滤波补偿装置。以水务部CRP配电间的实际运行情况为基础，运用有源滤波和智能电容补偿技术，开发一套经济高效的具有较大容量无功补偿功能的谐波治理系统，主要针对系统谐波及无功电流进行治理，目标是满足电能质量标准要求，将功率因数控制在0.95以上，减少系统谐波污染，实现谐波治理及智能电容技术的现场工业应用。

关键词：有源滤波；智能电容技术；谐波治理上的应用

引言

谐波在工业设备以及在电网传输的过程中，危害很大，可能导致电压和电网的波形发生畸变，增加电网的损耗；电气设备中谐波可能使得设备的负荷量增加，导致设备损坏。

1谐波的概念

理想的供电系统，电流和电压都是正弦波。在线性负载上加上正弦波电压时，电流也是同频率的正弦波，但在非线性负载上施加正弦波电压时将偏离正弦波形，引起谐波。从严格的意义来讲，谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。谐波产生的原因主要是由于正弦电压加压于非线性负载，基波电流发生畸变产生谐波。主要非线性负载有UPS、开关电源、整流器、变频器和逆变器等。

2有源滤波及智能电容技术

有源滤波器的概念在20世纪70年代初期就已提出，由于受到当时技术条件的影响使得已策划出的电路结构没有得到实施。20世纪80年代起，大量关于有源滤波器技术和改良问题的文章举不胜数。随着我国经济和科技的飞速发展，中大功率和小功率电子设备的大量应用及普及，对电网稳定性安全性要求越来越高，也催生了对谐波治理及功率补偿等相关技术设备越来越高的要求。有源滤波器对电流型谐波有较强的抑制作用，同时还能进行无功补偿，因而得到了广泛的研究和应用。有源滤波器虽然能有效地抑制电流谐波，进行可控的无功补偿，但其具有成本较高、容量较低和损耗较大的缺点。而采用电容器并联补偿电网的无功负荷，则具有单位投资少、容量大、电能损耗小和维护简单等优点。因而并联有源滤波器及智能电容技术使用的同时具有有源滤波器良好的谐波抑制能力和无功补偿电容器补偿容量大的优点。

3降低变频器网侧谐波几种方式

3.1无源谐波滤波器

无源滤波器，又称LC滤波器，是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，在将滤波支路的谐振点设计在变频器产生的5、7、11次谐波频率附近，为谐波电流提供低阻抗旁路，可滤除某一次或多次谐波，达到滤除特定次数谐波的目的。目前较多的使用变频装置、电脱盐、电除尘、电解槽、电加热器、开关电源和UPS等许多电力电子设备及大电动机、变压器等大部分感性负荷，在造成无功出力不足、功率因数较低的同时，也给电网造成了大量的谐波污染。运行经验表明，以上这些设备挂网运行，将导致供电系统谐波污染严重和无功损耗发热，诱发电气设备事故，造成设备停电、装置停车事故发生。因此，开创性地将有源滤波及智能电容技术结合起来利用有源滤波器良好的谐波抑制能力和无功补偿电容器补偿容量大的优点，在滤除谐波的同时精细地补偿无功不但对保障供电系统的安全稳定性，提高电能质量，降低电能损耗等都具有非常重要的意义，而且研究在石化企业电力设备上应用谐波治理及无功补偿技术，能够为电力设备开发出性价比高、效果良好、安全便捷和稳定性好的节能降耗技术，达到故障预警、安全增效等多重目的。LC调谐滤波器主要的缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，存在与系统发生并联谐振而导致谐波放大的可能性，使LC滤波器过载甚至烧毁，此外，它只能抑制固定频率的谐波，效果不甚理想。由于LC调谐滤波器结构简单，在海洋平台有大量应用，但是在集中应用时易出现容性过补偿。典型的6脉冲整流变频器+无源谐波滤波器系统单线原理，系统主要由MCC主开关、无源谐波滤波器、6脉冲整流变频控制柜、变频升压变压器、井口防爆接线箱构成。

3.2有源谐波滤波器

有源电力滤波器，是通过实时监测电网谐波成分，采样信号通过DSP等数字信号处理芯片进行基波和谐波分解，并以脉宽调整（PWM）方式通过功率器IGBT（或IPM）生成与电网谐波电流相位相反，幅值相等的补偿电流注入电网，从而实现与电网谐波互补抵消降低电网谐波的作用。相对于无源谐波滤波器而言，有源滤波器属于主动滤波装置。相对于无源谐波滤波器，海洋平台电潜泵地面控制系统一般采用“一对多”，即按照整个平台变频器容量进行谐波电流计算，根据最终计算所得的谐波电流值确定有源滤波器的规格。

3.3低谐波整流变频器

低谐波变频器采用可控有源整流技术，利用高频切割脉宽调制电流，达到正弦波式输入电流的目的，其原理。其内置的LCL滤波器可有效隔离高频开关频率进入电网，LCL滤波器中较高的交流电感能够抑制由整流器的高频开关造成的线电压波形畸变，滤波器的容性元件能有效地滤除高频（大于1kHz）谐波，低次谐波通过控制算法进行抵消，从而保证变频器网侧谐波畸变率THD≤5%。典型的低谐波变频控制系统电气单线图，相对于多脉冲整流变频控制系统，变频控制柜前端无需配置其他谐波抑制或者滤波设备，系统结构简单。

4有源滤波谐波治理的关键技术

有源电力滤波器的基本原理，检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消，最终得到期望的电源电流。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。有源滤波装置系统结构。

5智能电容无功补偿的关键技术

（1）采用进口晶闸管控制电容器实现无触点、无冲击和无过滤投切，与普通补偿柜相比还具有损耗低，元件寿命长，免维护的优点。（2）避免谐波谐振，防止谐波放大。（3）快速跟踪系统负荷无功变化，实时动态响应。（4）投切无冲击，实现过零触发，投切速度快，无机械触点，无电弧重燃。通过上述关键技术的攻克，研制出现代电力电子绿色节能产品，为石化企业提供性能可靠的自动化、智能化节能型绿色产品，达到节能降耗、降低成本、保护环境的目的。动态无功补偿装置（MTSC）采用无触点半导体模块作为开关，采用全智能控制，由控制器动态投切开关、电容器、电抗器和保护元件组成。控制器实时跟踪测量负荷的基波功率因数，无功电流，与预先设定的给定值进行比较，动态控制投切不同组数的电容器，以保证功率因数始终满足设定要求。晶闸管过零触发确保投切电容无冲击、无涌流、无过渡过程。动态无功补偿装置硬件布置，其中一组无功补偿模组配置。

结束语

通过有源滤波及智能电容技术的配合使用消除谐波效果明显，减少了谐波对电气设备的危害，并可节约能源消耗。

参考文献：

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