1引言

礦山設(shè)備有礦井提升機(jī),、膠帶運(yùn)輸機(jī),、通風(fēng)機(jī)等大型設(shè)備,，這些設(shè)備都采用變流器驅(qū)動(dòng),，由于電力電子設(shè)備的固有特性,，變流器工作過程中產(chǎn)生了大量諧波，對(duì)電網(wǎng)造成了嚴(yán)重的諧波污染,，需要專門的諧波治理裝置來進(jìn)行抑制,。

20世紀(jì)80年代以來,，隨著電力電子技術(shù)以及PWM控制技術(shù)的發(fā)展，對(duì)供電質(zhì)量提出更高的要求,。而傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補(bǔ)償主要采用LC濾波器,，它由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低,，自身存在一定的缺點(diǎn),。而有源電力濾波器（ActivePowerFilter，簡(jiǎn)稱APF）是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波,、補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置,，它能夠?qū)Ψ岛皖l率都變化的諧波以及變化的無功進(jìn)行補(bǔ)償。與無源濾波器相比,，APF具有高度可控性和快速響應(yīng)特性,，并能跟蹤補(bǔ)償各次諧波，自動(dòng)產(chǎn)生所需變化的無功功率,。

2無源濾波器和有源濾波器的性能比較

傳統(tǒng)的諧波治理和無功補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ遣捎脽o源濾波器,。無源濾波器由電力電容器、電抗器和電阻器組合而成,。其優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì),、實(shí)用和可靠。

APF與無源濾波器相比,，有如下特點(diǎn)：

（1）可同時(shí)對(duì)諧波和無功進(jìn)行補(bǔ)償,，且補(bǔ)償無功功率的大小可做到連續(xù)調(diào)節(jié)。

（2）有源濾波裝置是一個(gè)高阻抗電流源,，它的接入對(duì)系統(tǒng)阻抗不會(huì)產(chǎn)生影響,。

（3）補(bǔ)償無功功率時(shí)不需要儲(chǔ)能元件。

（4）裝置可以僅輸出所需補(bǔ)償?shù)母叽沃C波電流,，不輸出基波無功功率,。

（5）即使補(bǔ)償對(duì)象電流過大，有源濾波器不會(huì)生過載,，并且能正常發(fā)揮補(bǔ)償作用,。

（6）可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，可對(duì)頻率和大小均變化的諧波及變化的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償,，對(duì)補(bǔ)償對(duì)象的變化有極快的響應(yīng)速度,。

3APF有源濾波器的原理分析

如下圖1所示為*基本的有源電力濾波器系統(tǒng)的構(gòu)成原理圖。

圖1有源電力濾波器系統(tǒng)的原理圖

圖1中,，es表示交流電源,，負(fù)載為諧波源，它產(chǎn)生諧波并消耗無功。有源電力濾波器系統(tǒng)由兩大部分組成,，即指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路,。其中,，指令電流運(yùn)補(bǔ)償電流發(fā)生電路的核心是檢測(cè)出補(bǔ)償對(duì)象電流中的諧波和無功等電流分量,，因此有時(shí)也稱之為諧波和無功電流檢測(cè)電路。補(bǔ)償電流發(fā)生電路的作用是根據(jù)指令電流運(yùn)算電路得出的補(bǔ)償電流的指令信號(hào),，產(chǎn)生實(shí)際的補(bǔ)償電流,，主電路采用PWM變流器。在產(chǎn)生補(bǔ)償電流時(shí),，主要由逆變器工作,。而在電網(wǎng)向有源電力濾波器直流側(cè)儲(chǔ)能元件充電時(shí)，它就作為整流器工作,。兩種工作狀態(tài)無嚴(yán)格區(qū)分,。

4電力有源濾波器的分類

圖2中，負(fù)載為產(chǎn)生諧波的諧波源,，變流器和與其相連的電感,、直流側(cè)貯能元件（電容）共同組成有源電力濾波器的主回路。與APF并聯(lián)的小容量的一階高通濾波器,，主要用于濾除APF所產(chǎn)生的補(bǔ)償電流中開關(guān)頻率附近的諧波,。

圖3中，并聯(lián)型有源電力濾波器主要補(bǔ)償可看作電流源的諧波源,，如直流側(cè)為阻感負(fù)載的整流電路,。此時(shí)，APF向電網(wǎng)注入補(bǔ)償電流,，抵消諧波源產(chǎn)生的諧波，使電源電流為正弦波,。

5新型并聯(lián)混合濾波器的研究

單獨(dú)使用有源濾波器可用在小容量非線性負(fù)載的場(chǎng)合,，但是在大容量場(chǎng)合就得采用混合型電力濾波器。按使用的方式可分為兩大類：一類是并聯(lián)混合型電力濾波器,，一類是串聯(lián)混合型電力濾波器,。在并聯(lián)混合型電力濾波器中，通常需要一個(gè)高帶寬的PWM變流器作為有源濾波器,，這又使得現(xiàn)有的混合濾波系統(tǒng)只適應(yīng)于補(bǔ)償對(duì)象在中等功率以下,，一般是500KW－10MW。對(duì)于功率大于10MW的非線性負(fù)載,，如何抑制所產(chǎn)生的諧波和無功補(bǔ)償,，一直是混合型濾波器研究的重要內(nèi)容。在此介紹一種新型的交流并聯(lián)混合型電力濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得有源濾波器的容量大大減小,，小于補(bǔ)償對(duì)象容量的1％,，使之應(yīng)用范圍可擴(kuò)展到大功率應(yīng)用場(chǎng)合。

圖4并聯(lián)混合濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖4以單相系統(tǒng)為例,，圖中設(shè)置了3次和5次兩條調(diào)諧支路,，APF與一個(gè)很小的附加電感La通過耦合變壓器并聯(lián)后串入無源濾波器中，耦合變壓起到隔離,、匹配PWM變流器的電壓與電流容量的作用,。諧波和無功主要由無源濾波器補(bǔ)償，而APF的作用是改善無源濾波器的濾波特性和抑制電網(wǎng)與無源濾波器之間可能發(fā)生的諧振,。

.       等效電路

sh

.       對(duì)Ush等效電路

圖5檢測(cè)電網(wǎng)諧波電流控制方法的等效電路作時(shí),，并聯(lián)混合型APF相當(dāng)于受控電流源，其產(chǎn)生的諧波電流如下式所示：

IC＝KS·ISh

只考慮對(duì)ILh的補(bǔ)償特性時(shí),，假設(shè)電源電壓US為正弦波,。電源電流的諧波分量ISh、連接點(diǎn)處諧波電壓UTh由下式給出：

式（2）說明,，對(duì)于ISh而言,，圖5a和圖5b是等效的，

由圖看出,，這相當(dāng)于給ZSh串接了一個(gè)電阻KsZah或一個(gè)電抗KsZah,。如果ZSh＋KSZah垌Zfh＋Zah，則由負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流將流入濾波器,。如果KsZah垌Zsh,，則濾波特性由Ks決定。

混合型電力濾波器系統(tǒng)對(duì)電源電壓諧波的濾波特性分析,，假設(shè)不接負(fù)載（即ILh＝0）,，此時(shí)有源濾波器相當(dāng)于純電阻KsZah，如圖5c所示,。由該等效電路得出

當(dāng)Ks為無窮大時(shí),，混合型電力濾波器系統(tǒng)可達(dá)到理想的濾波特性如下所示：

從上式看出，當(dāng)Ks足夠大時(shí),，ISh≈0,。于是IS＝ISf，即為不含諧波的正弦電流,。其優(yōu)點(diǎn)在于將電流引入閉環(huán)控制,，不僅能補(bǔ)償ILh產(chǎn)生的IS畸變，而且能補(bǔ)償US畸變引起的IS畸變,，并且由以上（4）式（1＋K）sZah的作用,，在Zah＋Zfh≈0的情況下，APF能有效抑制電網(wǎng)阻抗和無源濾波器之間可能發(fā)生的諧振。Ks越大,，補(bǔ)償效果越好,。

6實(shí)驗(yàn)論證和研究

選用1臺(tái)容量40KVA的新型單相并聯(lián)混合型濾波器的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，對(duì)帶阻感性負(fù)載的單相橋式整流電路進(jìn)行了諧波補(bǔ)償?shù)膶?shí)驗(yàn)研究,。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具體參數(shù)如下：

負(fù)載容量：40KVA3次濾波器：L3＝4．25mH,，C3＝220μF

5次濾波器：L5＝3．98mH，C3＝87μFLH＝0．43mH

選用儀器：AN87500高性能多通道功率分析儀,，普源DS1102C數(shù)字示波器

實(shí)驗(yàn)波形如下圖所示,，電力濾波器投入后電源電流波形，分別采用前饋,、反饋、復(fù)合控制方式時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,。

圖6APF前饋控制—電流波形（左）和頻譜（右）

圖7APF反饋控制—電流波形（左）和頻譜（右）

圖8APF復(fù)合控制—電流波形（左）和頻譜（右）

從波形圖和頻譜圖可以分析出,，新型并聯(lián)混合濾波器投入后電源電流的諧波成分大大減少。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出,，在投入新型并聯(lián)混合濾波器進(jìn)行補(bǔ)償后,，電網(wǎng)電流中的3次、5次諧波降低,，濾波效果明顯,。

7諧波治理的意義

諧波的大量存在，會(huì)造成電力系統(tǒng)電網(wǎng)畸變,，使大型礦山的變壓器產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象,，網(wǎng)損嚴(yán)重，使電能的生產(chǎn),、傳輸和利用的效率降低,，使電氣設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲,，并使絕緣老化,，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀,。對(duì)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行產(chǎn)生影響和危害,，直接危及系統(tǒng)的安全運(yùn)行，對(duì)通訊系統(tǒng)的電磁干擾等,。利用有源電力濾波器對(duì)煤礦企業(yè)電力系統(tǒng)諧波和無功進(jìn)行補(bǔ)償?shù)男Ч黠@,。諧波的有效治理保證了變壓器的正常運(yùn)行，降低了網(wǎng)損,，具有很大的節(jié)能降耗意義,。

8安科瑞APF有源濾波器產(chǎn)品選型

8.1產(chǎn)品特點(diǎn)

（1）DSP+FPGA控制方式，響應(yīng)時(shí)間短，全數(shù)字控制算法,，運(yùn)行穩(wěn)定,；

（2）一機(jī)多能，既可補(bǔ)諧波,，又可兼補(bǔ)無功,，可對(duì)2～51次諧波進(jìn)行全補(bǔ)償或特定次諧波進(jìn)行補(bǔ)償；

（3）具有完善的橋臂過流保護(hù),、直流過壓保護(hù),、裝置過溫保護(hù)功能；

（4）模塊化設(shè)計(jì),，體積小,，安裝便利，方便擴(kuò)容,；

（5）采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏以實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和控制,，使用方便，易于操作和維護(hù),；

（6）輸出端加裝濾波裝置,，降低高頻紋波對(duì)電力系統(tǒng)的影響；

（7）多機(jī)并聯(lián),，達(dá)到較高的電流輸出等級(jí),；

（8）擁有自主技術(shù)。

8.2型號(hào)說明

8.3尺寸說明

8.4產(chǎn)品實(shí)物展示

ANAPF有源濾波器

9安科瑞智能電容器產(chǎn)品選型

9.1產(chǎn)品概述

AZC/AZCL系列智能電容器是應(yīng)用于0.4kV,、50Hz低壓配電中用于節(jié)省能源,、降低線損、提高功率因數(shù)和電能質(zhì)量的新一代無功補(bǔ)償設(shè)備,。它由智能測(cè)控單元,，晶閘管復(fù)合開關(guān)電路，線路保護(hù)單元,，兩臺(tái)共補(bǔ)或一臺(tái)分補(bǔ)低壓電力電容器構(gòu)成,。可替代常規(guī)由熔絲,、復(fù)合開關(guān)或機(jī)械式接觸器,、熱繼電器、低壓電力電容器,、指示燈等散件在柜內(nèi)和柜面由導(dǎo)線連接而組成的自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置,。具有體積更小，功耗更低,，維護(hù)方便,，使用壽命長(zhǎng),，可靠性高的特點(diǎn)，適應(yīng)現(xiàn)代電網(wǎng)對(duì)無功補(bǔ)償?shù)母咭蟆?/span>

AZC/AZCL系列智能電容器采用定式LCD液晶顯示器,，可顯示三相母線電壓,、三相母線電流、三相功率因數(shù),、頻率,、電容器路數(shù)及投切狀態(tài)、有功功率,、無功功率,、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等,。通過內(nèi)部晶閘管復(fù)合開關(guān)電路,，自動(dòng)尋找*佳投入（切除）點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)過零投切,，具有過壓保護(hù),、缺相保護(hù)、過諧保護(hù),、過溫保護(hù)等保護(hù)功能。

9.2型號(hào)說明

AZC系列智能電容器選型：

AZCL系列智能電容器選型：

9.3產(chǎn)品實(shí)物展示

AZC系列智能電容模塊AZCL系列智能電容模塊

安科瑞無功補(bǔ)償裝置智能電容方案

10結(jié)束語(yǔ)

有源電力濾波器是諧波治理,，改善電能質(zhì)量的重要技術(shù)手段,，其應(yīng)用領(lǐng)域涉及到各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。在礦山這樣的大容量用電場(chǎng)合下,，由于大量的電力電子變流器的使用,，使得電網(wǎng)側(cè)電流存在大量的諧波，而單獨(dú)使用的有源濾波器無法滿足諧波抑制的需要,，而采用并聯(lián)混合型APF由于其便于容量擴(kuò)展,，特別適合于礦山工況大容量諧波抑制的需求。因此,，該技術(shù)應(yīng)用具有廣闊的市場(chǎng)前景,。

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