张煜，丛嘉庆，高宇
随着低压变频电机和低压永磁电机在水泥和砂石骨料生产线项目中的应用越来越广泛，直流驱动装置及其他非线性负载也越来越多地投入使用并产生谐波。负载谐波电流通过系统网络反馈至系统电网，对电网电能质量产生不良影响，导致电气设备性能下降，电气设备使用寿命缩短，严重时可能造成人员伤亡。目前，我国各类工业园区投入使用的电力电子设备越来越多，这些设备在运行过程中均会产生谐波电流，消耗电网中的无功功率，造成电能质量下降，严重时甚至会威胁电网系统的稳定运行。
在理想状态下，三相交流电力系统的电压和电流的幅值及频率是定值，电压和电流的波形为完美的正弦波。但在电力供配电系统中，其实际运行状态与理想状态存在一定偏差，为了表征这种偏差，我国制定了电能质量的参数指标，包括：电压偏差、频率偏差、谐波含量、电压波动和闪变及三相不平衡度等。
为更好地提升电能质量，国内外科学家和电力工程技术研究人员对能够有效改善电网电能质量的电力电子装置开展了深入研究，并开发出了无源电力滤波装置、静止无功发生器、串联电容器、晶闸管控制电容电抗装置、动态无功补偿装置、自愈式低压并联电容器及有源滤波装置等众多可用于无功补偿和谐波治理的电气设备。
一般来说，产生谐波的设备包括含有半导体的非线性设备及含有铁磁和电弧的非线性设备[2]，其中，含有半导体的非线性设备是指各类整流器、变频装置、交直流换流装置及晶闸管控制设备；
含有铁磁和电弧的非线性设备是指荧光灯具、电焊设备和电弧炉等。在水泥或骨料生产线项目中，往往采用了大量变频电机或永磁电机，需相应配置变频器装置（含有半导体的非线性设备），进而在使用时产生谐波。该谐波会造成电力线路发热、变压器附加损耗增加、开关设备过热，影响设备的使用寿命，严重时会造成火灾。
治理低压设备的谐波，首先，应合理设置变频装置的技术参数，如，增加变频装置的脉冲数，采用12脉冲以上的变频装置取代6脉冲的变频装置，主动减少谐波源。其次，应采用有源滤波装置（Active Powert Filter，APF），利用补偿技术进行谐波的被动治理。GB/T 14549-1993《电能质量公用电网谐波》对公用电网谐波电压畸变率和电流畸变率的限制值提出了要求。为了抑制各种非线性负载产生的谐波，在电气设计中可采用有源滤波装置。有源滤波装置在电气自动化系统中主要应用于[1]：变频设备；
电气化铁路；
不稳定负荷；
节能灯和空调集中的场所；
高精度自动化生产线等。
有源滤波装置（APF）是一种可用于动态抑制谐波、补偿无功的电力电子装置，其基本工作原理是，以并联方式将有源滤波装置接入电网，实时监测负载谐波分量，当负载谐波电流超过规定限值，利用PWM变换技术，在系统中产生一个与负载谐波分量大小相等、方向相反的谐波电流，与负载谐波电流相抵消[2]。
有源滤波装置的分类见图1。如图1所示，按照电网接入方式的不同，有源滤波装置分为并联型、串联型和混合型；
按电源相数的不同，有源滤波装置分为单相和三相；
按储能元件的不同，有源滤波装置分为电流型和电压型；
按接入系统的不同，有源滤波装置分为直接接入系统和间接接入系统两种方式。
图1 有源滤波装置的分类
在水泥或骨料生产线项目中，若有大量的非线性负载，应考虑配置有源滤波装置，并根据计算选取恰当的有源滤波装置补偿容量。工程项目中往往采用的是并联型直接接入系统有源滤波装置，其工作原理可用下述公式阐明：
式中：
iLf——负载的基波电流
iLh——谐波电流
iC——补偿电路输出的补偿电流
分析可知，有源滤波装置最大的优势是具有优秀的动态跟踪补偿特性。
由刘方[2]的研究可知，当系统谐波电流含量达到30%时，会产生20%的电气线路损耗和100%的变压器铜损；
谐波电压会使配电变压器的铁芯磁化曲线产生畸变，造成变压器铁损大幅增大；
谐波电流在配电变压器中会产生较大的涡流损耗，占用变压器的容量，造成变压器负载升高，引发过载等问题。如何合理选择有源滤波装置的容量，是电气设计时需重点关注的内容。
谐波电流值的计算一般采用式（5）~（7），式（5）为集中滤波方式下的谐波电流计算公式，式（6）为部分滤波方式下的谐波电流计算公式，式（7）为局部滤波方式下的谐波电流计算公式。
式中：
S——变压器额定容量
U——变压器二次侧额定电压
K——负荷率
Un——设备额定线电压
P——总功率
In——设备额定电流
THD——总谐波电流畸变率
集中滤波是在变压器二次侧进行谐波集中治理；
部分滤波是在已知设备功率的情况下，据此计算谐波电流值；
局部滤波是指在负载的输入端进行就地滤波，据此计算出的谐波电流值。
在水泥或骨料生产线项目中，一般都是在电力室集中配置有源滤波装置，不采用局部滤波的方式，因此，式（7）不适用于一般的水泥或骨料生产线项目，下面按式（5）和式（6）计算水泥或骨料生产线项目谐波电流值。
主要行业谐波电流畸变数据见表1。由表1可以看到，工业用电的谐波电流畸变率（THD）最为严重，尤其以冶金化工行业为甚，其谐波电流畸变率可以达到30%，这是因为冶金化工行业大量采用了变频及整流装置。而以砂石骨料和水泥生产为主的建材行业，因无文献数据说明其谐波电流畸变率，所以笔者根据经验选择与其相近的矿产开采行业为参考，将建材行业的谐波电流畸变率按25%计算，举例如下：
表1 主要行业谐波电流畸变数据
（1）实例一
某熟料生产线项目的窑头电力室车间负荷，此窑头电力室车间配置了两台2 000kVA配电变压器，1号配电变压器负荷率为69.8%，2号配电变压器负荷率为66.6%；
1号低压母线车间额定负荷为1 650kW，2号低压母线车间额定负荷为1 582kW；
1号低压母线下，变频器负载额定负荷为1 179kW，2号低压母线下，变频器负载额定负荷为887kW。
按式（5）可计算出，1号配电变压器下谐波补偿容量Ih=514A，2号配电变压器下的谐波补偿容量Ih=491A；
按式（6）可计算出，1号配电变压器下的谐波补偿容量Ih=320A，2号配电变压器下的谐波补偿容量Ih=230A。
（2）实例二
某骨料生产线项目的选粉制砂电力室车间负荷，该电力室车间配置了一台2 500kVA的配电变压器，车间额定负荷约为2 488kW。其中，变频负载额定负荷约为1 129kW，变压器负荷率约为68.7%。
按式（5）可计算出该低压母线段的谐波补偿容量Ih=633A，按式（6）可计算出其谐波补偿容量Ih=304A。
由上述两个实例可以看到，式（5）和式（6）计算出的结果存在一定的偏差，尤其是在第一个实例中，按式（5）计算，在容量相同、计算负荷率基本一致的情况下，虽然两个车间配电变压器变频负载的功率不一致，但其谐波补偿容量计算结果却相差很小。笔者认为式（5）更适用于无详细低压变频负载、需利用配电变压器容量估算有源滤波装置谐波补偿容量的情况，而式（6）更适用于水泥或骨料生产线项目的施工图设计阶段，此时配电变压器容量、负荷率及变频器负载的技术参数均可通过计算得出。
在施工图设计阶段，设计者计算谐波补偿容量时，因计算公式系数较多，有时会出现计算偏差，笔者根据水泥或骨料生产线项目的实际情况，在式（5）的基础上，总结出了一个简化的有源滤波装置谐波补偿容量计算公式：
式中：
P——某变压器下的全部低压变频器额定功率
C——常数，水泥或骨料生产线项目中的总谐波电流畸变率取值一般比较固定，部分计算结果可固定为常数，C值为0.4
K——变压器负荷率
按式（8）计算可得实例一中，1号配电变压器下的谐波补偿容量Ih=330A，2号配电变压器下谐波补偿容量Ih=236A；
实例二中，低压母线段的谐波补偿容量Ih=310A。
根据计算结果可知，式（8）计算结果与式（6）计算结果比较接近，偏差不大，且此公式计算简便快速，更适用于水泥或骨料生产线项目。同时，笔者建议在安装有源滤波装置的相应低压母线进线柜处，安装可以检测谐波分量的计量装置，以检测有源滤波装置投运前后的谐波参数。
5.1 有源滤波装置关键技术参数
除了关注有源滤波装置的容量，在进行电气设计时，还应关注有源滤波装置的其他关键技术参数。对于工程总承包项目来说，电气专业应在技术文件中明确在基本工作条件下满足有源滤波装置性能指标。若项目处于特殊气象或地质环境工作条件，应将信息及时反馈设备厂家，并调整相应的技术参数。有源滤波装置基本工作条件如下：
（1）环境温度:-20℃~+50℃
（2）相对湿度:日平均值≯95%，月平均值≯90%，无凝露。
（3）海拔高度：≤2 000m
（4）抗震等级：7级
（5）空气中无足以损坏绝缘体和腐蚀金属的气体，无导电及易燃易爆的介质存在。
在技术标书中，必须先明确有源滤波装置的相关技术参数后，再编制并确定有源滤波装置的技术招标文件，要求设备厂家核实并确认参数和偏差情况。如明确有源滤波装置容量（150A）、IGBT品牌（德国英飞凌或其他）、接线方式（三相三线或三相四线）、接入的电压和频率（380V±20%或其他，50Hz±10%或其他）、滤波范围（2~50次谐波全补偿或指定次数补偿）、整机效率（97%）、响应时间（5ms）、有功损耗（<3%）、接入电网方式（并联入网）、补偿率、通讯方式（RS485接口）、机柜IP防护等级（IP3X）、机柜安装方式（落地整柜或壁装）、机柜尺寸等。
在上述有源滤波装置的技术参数中，装置容量、补偿次数、补偿率、响应时间等关键参数是电气设计时必须予以明确的。有源滤波装置容量的定义与其他三相交流设备容量的定义相同，但有源滤波装置供应商一般采用的是电流标称，如50A、75A、150A、250A等；
需要注意的是，有源滤波装置输出电流不是任何频次电流都可以达到额定值，补偿次数需在招标时与供应商澄清具体要求；
有源滤波装置的补偿率为针对典型负载的补偿率；
有源滤波装置的响应时间，是指谐波负载投入后，电网谐波电流被完全滤除或达到稳定状态所需时间。
5.2 有源滤波装置的选型
目前，在水泥或骨料生产线项目中，常用的有源滤波装置是整柜式，有源滤波装置整柜可与低压柜并柜，也可独立设置，可根据工程项目的具体情况选择采取何种形式。同时，在电气设计阶段，应了解不同厂家有源滤波装置的柜型及模块参数的区别。三个不同厂家有源滤波装置柜型及模块参数对比如表2所示。由表2可以看到，三个厂家在柜型尺寸、单组模块、单柜最大容量均略有差别。在施工图设计阶段，应关注设备的选型和参数的选择。如，计算所得谐波补偿容量Ih=310A，按厂家A和厂家C情况，可以选择补偿容量为350A的有源滤波柜；
按厂家B情况，则可以选择325A的有源滤波柜，这些均需根据工程实际进行选型。目前，有些电能质量保障设备厂家，将用于低压母线的有源滤波装置和低压无功补偿装置结合在一起，组成电能质量改善电气设备，这可能会成为提升电能质量的另一种解决方案。
表2 不同厂家有源滤波装置柜型及模块参数
5.3 有源滤波装置的接线
有源滤波装置的接线，分为信号电缆和动力电缆，信号电缆用于连接电流互感器和滤波器，一般选择屏蔽电缆，而动力电缆在工程实践中一般按截面相同的四芯电缆选型。动力电缆规格见表3。
表3 动力电缆规格
在水泥或骨料生产线项目中，选择有源滤波装置不仅能够达到良好的节能效果，也能取得一定的经济效益，需根据项目实际非线性负载情况，通过计算，选择合适的容量。
在谐波电流计算理论公式的基础上，笔者根据水泥或骨料生产线项目的实际情况，总结出了一个简化的有源滤波装置谐波补偿容量计算公式，利用此经验公式，在施工图阶段可快速准确计算出不同低压母线所需的有源滤波装置容量。计算实例显示，此经验公式的计算结果与理论值很接近，可用于实际工程项目选型计算。
在总承包项目中，需根据项目实际情况，合理选择有源滤波装置的技术参数，尤其是有源滤波装置的补偿容量、补偿次数、补偿率和响应时间。同时，应注意不同有源滤波装备厂家的设备参数差异，优化有源滤波装置的选型，建议在各个电力室的低压进线柜处，装设可测量谐波分量的多功能测量表，获取不同车间典型负荷下的THD，进而在多个项目数据基础上，得到更精确的建材行业THD值。
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