有源电力滤波器在电厂除尘谐波治理中的应用

摘要：电除尘电场采用的高压脉冲电源产生的谐波污染会影响保护装置的正常运行。某电厂4号机组除尘段安装了有源滤波器后，消除了谐波对配电系统的不良影响，电能质量得到明显改善，保证了用电设备正常使用，具有良好的经济效益和社会效益。安科瑞任运业-15021601437

关键词：高压脉冲电源；有源滤波器；谐波治理

0引言

某电厂4号机组电除尘电场采用高压脉冲电源进行超低排放改造后，粉尘排放浓度和电源能耗都有了明显下降，存在可观的经济效益和社会效益。但是，电除尘器高压脉冲电源是一种由大量晶闸管等整流及换流设备构成的逆变式电源，这些电力电子元件使得除尘配电段的非线性负载增加，大量谐波电流注入到电网中，导致电压电流波形畸变，使电能质量下降，对厂用电源及其他电气设备的安全稳定运行造成危害。特别是谐波污染影响了上级6kV配电系统除尘变综合保护装置的安全运行,保护装置出现间隙性死机现象，无法保证保护功能正常使用[1]。

经过方案研讨，结合其他行业经验，某电厂采用有源电力滤波器对4号机组380V除尘4A、4B段进行谐波治理，通过滤除除尘段系统中由高压脉冲电源产生的5次、7次等奇次谐波，减小其对本级用电设备及上游保护装置的不良影响，从而确保厂用电安全稳定的运行。

1治理前系统情况

某电厂4号机组380V除尘配电系统主接线为单母线分段结构，正常工作时两台1000kVA变压器及两路低压进线同时工作，低压母联断开，每段含两台高压脉冲电源负载。高频脉冲电源利用EMI滤波器和三相整流桥，将三相380V工作电源整流得到高压直流电，再经过IBGT逆变模块和谐振网络输出20KHz的高频交流电，*后高频变压器将其升压整流后形成高频高压脉动直流送至电除尘器[2]。大量的谐波电流因电除尘器高压脉冲电源的使用而注入到除尘段系统中，通过科陆CL316变送器电能表现场校验仪测试得出4号机组4A、4B除尘变高压侧电流谐波含量非常高，以5次和7次等奇次谐波为主，其中5次谐波含量17%，7次谐波含量13%，奇次谐波电流达150A。

2有源电力滤波器

目前国内外谐波治理及抑制的主要技术有无源滤波及有源滤波两种。无源滤波装置通过电容和电抗构建结构简单的LC低阻抗回路进行滤除特定频率的谐波，因此，无源滤波装置成本价格比有源滤波装置低，技术也比较成熟，但存在着补偿效果差、受系统阻抗和负载变化影响等难以克服的缺陷。综合比较，以IGBT为核心元件的有源滤波装置有着无可比拟的性能优势[3]。

如图1所示，有源电力滤波器利用电流互感器实时检测系统中的负载电流，并反馈到其内部的DSP和IGBT控制逆变器等电能变换设备，从而主动向电网输出一个和负载谐波电流大小相等，方向相反的补偿电流，达到去除谐波分量的目的[1]。

3治理方案和实施效果

由治理前的谐波测量数据可知，某电厂4号机组380V除尘配电系统谐波问题较为突出，计划在每段变压器低压侧母线下加装一台KHAPF3(4)-150A/400/G有源电力滤波器，滤波器输出额定电流150A，通过实时跟踪除尘配电段中的电流来补偿每段母线负载产生的*大谐波电流。

3.1治理方案

有源滤波器安装接线如图2所示，A段装设的有源滤波器尘A段#1柜CT端子至A段有源滤波柜TX接线端子；新增电缆从380V除尘B段#1柜CT端子至B段有源滤波柜TX接线端子。

图1有源电力滤波器装置一次原理图

图2有源滤波器安装接线示意图

3.2试验数据

安装调试完成后，当负荷正常运行（55% -90%负荷率）时，用电能质量分析仪重点检测4号机组380V除尘4A、4B段开启和关闭有源滤波器的两种状态的电源质量情况。（图3、4、5、6）

图3除尘4A段变压器谐波治理前电源质量测量情况

图4除尘4A段变压器谐波治理后电源质量测量情况

图5除尘4B段变压器谐波治理前电源质量测量情况

图6除尘4B段变压器谐波治理后电源质量测量情况

3.3对比结果

从上面测量情况分析可得出谐波治理前后数据如表1。可以明显看出，原有除尘系统中电压波形和电流波形被污染现象较为严重，安装有源滤波器后，除尘4A段线路中的谐波含量控制在1.6%，除尘4B段线路中的谐波含量控制在1.3%，均小于国标要求的低压配电系统电压总谐波畸变不大于5%的规定值[4]，4号机组除尘段中谐波污染的现象得到了明显的改善，谐波滤除率均控制在90%以上。从测试结果看，有源滤波器的应用使得除尘段的谐波含量显著降低，有较好谐波治理效果。同时，经过谐波治理后，上级6kV配电系统除尘变综合保护装置间歇性死机现象消失，故障率明显下降。表1滤波前后谐波数据对比情况

	滤波前5次谐波电流含量	滤波后5次谐波电流含量	滤除率
4号机组380V除尘4A段	83A（18.9%）	5A（1.6%）	94%
4号机组380V除尘4B段	64A（15.1%）	8A（1.3%）	92%

4电能质量监测与治理系统

4.1概述

电能质量分析与治理系统主要研究供配电系统中的无功补偿和谐波治理问题，适用于新建、改建、扩建和技改项目中工业与民用及公共建筑内电气设备的无功补偿、谐波及综合治理等，可根据不同行业类型和负载类型的电能质量问题提供合适的设计解决方案，以达到改善供电质量和确保电力系统安全经济运行的目的。

4.2典型行业

①商业中心/办公大楼/医疗/机场/体育馆：空调、电梯、LED屏幕、可控硅调光系统、音响系统；

②港口码头/造船/造纸/烟草/煤矿：变频器等；

③光伏/充电桩/化工/冶金：变频器、整流器等；

④学校/研究院：实验室、机房设备、数据中心；

⑤工厂：使用大型设备的生产线，高精度数控中心等；

⑥通信/金融/医疗/商业中心：UPS、开关电源等。

4.3系统架构

电能质量分析与治理系统由低压侧电能治理产品组成，主要产品有ANAPF有源电力滤波器、ANSVG静止无功发生器、ANSNP中线安防保护器、ANHPD谐波保护器、ANSVC低压无功功率补偿装置、ANSVG-G-A混合动态滤波补偿装置、ANSVG-S-A混合动态消谐补偿装置、ANSVG-S-G智慧型动态无功补偿装置等。

4、5产品选型

5.1谐波治理产品选型

种类 区别	ANAPF 有源电力滤波器	ANSNP 中线安防保护器	ANHPD 谐波保护器
组成	电力电子元器件	电力电子元器件	高通滤波模块
功能	谐波治理、无功补偿、 平衡三相电流	谐波治理、无功补偿、 平衡三相电流	治理高次谐波，防止高频干扰
滤波范围	2-51次	2-51次	3kHz~10MHz
应用	应用范围较广，可无功补偿和平衡三相电流，与传统无源滤波器相比节省空间，有较强的补偿性能、适应场合多。	适用于商场、剧院、体育中心、数据中心、医院等3N次谐波较大场合，能够的治理过大的零线电流。	通常应用于医院、机房、工厂、实验室等易受高频谐波干扰场合。

5.2无功补偿产品快速选型

种类 区别	ANSVC 低压无功功率补偿装置	ANSVG 静止无功发生器	ANSVG-S-G 智慧型动态无功补偿装置	ANSVG-S-A 无功谐波混合补偿装置	ANSVG-G-A 混合动态滤波补偿装置
组成	分立元件（电容、电抗、投切开关）或智能电容	SVG模块	ANSVG-S-G模块+分立元件	APF模块+分立元件	ANSVG-G-A模块（输出无功和谐波）
无功补偿 范围	容性无功	容性无功 感性无功	容性无功 部分感性无功	容性无功 部分感性无功	容性无功 感性无功
无功补偿 精度	一般 （宽范围无功补偿）	高 （精细无功补偿）	很高 （宽+精细无功补偿）	一般 （宽范围无功补偿）	高 （精细无功补偿）
谐波治理		5,7,11,13次	5,7,11,13次	2-50次	2-50次
动态响应	≥100ms	≤5ms	≤5ms	≤5ms	≤5ms
应用	功率因数较低，负荷波动不能太快，主要以无功补偿为主的场所。	功率因数低，负荷快速变化，兼顾无功补偿和低次谐波治理。例如： 点焊机；汽车行业，分布式光伏，码头提升装置；钢厂	功率因数低，负荷快速变化，以无功补偿为主，低次谐波治理为辅。如： 点焊机； 负荷较平稳的场所，例如：工厂、省网、农网等	功率因数低，负荷变化稳定，谐波电流严重畸变的场所。 例如： 变频器	适用于无功量大，负载频繁变化，电流严重畸变，且现场柜体安装空间有限制的场所。如：汽车行业，钢铁冶金行业，光伏行业，单（多）晶炉行业等。
单柜容量 （800*800*2200）柜体尺寸可定制	300Kvar	500Kvar	300Kvar	200Kvar无功+100A谐波	500Kvar无功+250A谐波

6产品功能

6.1ANAPF有源电力滤波器

APF模块

触摸屏

互感器

ANAPF系列有源电力滤波器并联在电网上，负载电流通过电流互感器采集到ANAPF的控制系统中，通过实时检测威廉希尔官方网站 将负载电流中的谐波分量和基波无功分量分离出来，经控制系统快速运算，采用PWM控制IGBT的触发。通过由大容量IGBT管组成的三相变流器向系统注入补偿电流，该补偿电流与负荷电流中的谐波电流大小相等，方向相反，互相抵消，实现滤除谐波的功能，保证流入电网电流是正弦波。

6.2ANSNP中线安防保护器

互感器

ANSNP壁挂模块

ANSNP中线安防保护器通过电流检测环节采集系统中性线上各次谐波电流，经控制器快速计算并提取各次谐波电流的含量，产生谐波电流指令，通过功率执行器件产生与谐波电流幅值相等方向相反的补偿电流，并注入中性线，从而消除中性线中过大的电流。

6.3ANSVG静止无功发生器

触摸屏

互感器

ANSVG模块

ANSVG静止无功发生器是一种用于补偿无功以及不平衡的新型电力电子装置，它能对大小变化的无功以及负序进行快速和连续的补偿，其应用可克服LC补偿器等传统的无功补偿器响应速度慢、补偿效果不能控制、容易与电网发生并联谐振和投切震荡等缺点。

6.4ANSVC低压无功功率补偿装置

（1）分立元件方案

ANBSMJ电容

ANCKSG电抗

AFK复合开关

ARC控制器

ANSVC低压无功功率补偿装置适用于频率50Hz电压0.4kV电网的无功功率自动补偿；它集无功补偿、电网监测于一体，不但可以通过投切电容器组来补偿电网中的无功损耗，提高功率因数，降低线损，从而提高电网的负载能力和供电质量；同时还能够实时监测电网的三相电压、电流、功率因数等电量参数。

（2）智能电容方案

AZCL智能电容

ARC28F控制器

AZC系列智能电力电容补偿装置是应用于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。AZC由智能测控单元，投切开关，线路保护单元，低压电力电容器等构成，AZCL在AZC的基础上添加了电抗器，电抗率可选7%/14%，用于主要谐波为5次及以上/3次、5次及以上的电气环境。改变了传统无功补偿装置体积庞大和笨重的结构模式。具有补偿效果更好，体积更小，功耗更低，价格更廉，节约成本更多，使用更加灵活，维护更方便，使用寿命更长，可靠性更高等特点。

6.5ANSVG-G-A混合动态滤波补偿装置

触摸屏

互感器

ANSVG-G-A模块

ANSVG-G-A混合动态滤波补偿装置在补偿无功的同时可兼治理系统的谐波，该设备以并联方式接入配电系统，实时监测系统的电流分量，通过控制计算及逻辑变化，计算出系统所需的无功分量及谐波分量，然后通过三相全桥换流威廉希尔官方网站 实时产生系统所需要的无功与谐波电流注入到配电系统中，实现智能补偿，兼谐波治理。

6.6ANSVG-S-A系列混合动态消谐补偿装置

TSC模块

ANSVG-S-A模块

ANSVG-S-A系列混合动态消谐补偿装置应用新技术，以SVC的经济性和APF滤波的性等特点为基础，将两者技术相结合，提高传统无功补偿技术，在降低成本的同时，实现谐波治理与无功补偿。

6.7ANSVG-S-G智慧型动态无功补偿装置

TSC模块

ANSVG-S-G模块

ANSVG-S-G智慧型动态无功补偿装置是一种用于补偿无功，提高功率因数，实现补偿效果的新型电力电子装置；智能控制系统主动根据系统的线性动态需求，自动调节有源及无源模块的输出配比；ANSVG-S-G整机主要是由ANSVG-S-G模块、无源补偿电容器（TSC）、液晶显示器组成。

7应用案例

7.1概述

某工厂负载为空压机、注塑机一类的变频设备，是典型的谐波发生源，客户要求针对谐波电流进行治理，改造前/后实测数据如下：

治理前数据截图

治理后数据截图

现场安装图

7.2测量前/后数据统计

变压器	电流	电流畸变率	谐波电流	电压畸变率	3次谐波	5次谐波	7次谐波	11次谐波
治理前A相	493.0	32.39%	159.7	5.4%	5.5	138.5	49.7	29.3
治理后A相	458.5	10.42%	47.8	2.97%	0.7	39.9	21.8	4.7
治理前B相	483.2	32.67%	157.8	5.48%	6.4	138.8	44.1	29.3
治理后B相	455.0	10.56%	48.0	3.01%	6.0	40.8	19.8	7.0
治理前C相	498.8	31.82%	158.8	5.51%	1.9	139.4	46.7	29.3
治理后C相	479.2	10.40%	49.8	3.01%	2.9	41.4	23.2	6.8

7.3测量前/后数据分析

从治理前后的测量数据电流波形对比图中，我们可以较为直观的看出谐波治理后的电流波形更加平滑，更加趋近于正弦波形。根据数据统计可知，谐波电流主要以5、7、11次为主，治理前的5、7、11次谐波电流均超出国标限值（5次62A、7次44A、11次28A），经过容量200A的ANAPF有源滤波器治理后均降到了限值以下，满足国标对于各次谐波电流值的要求；治理后谐波电流畸变率（以A相为例）由治理前的32.39%降到了10.42%；治理后谐波电压畸变率（以A相为例）由治理前的5.4%降到了2.97%，满足国标限值电压畸变率≤5%的要求，各项指标完全符合国家标准，谐波治理效果明显。

8典型业绩

常州市轨道交通	青岛国际机场
武汉军运会体育中心	赞比亚城市安全中心
沪通铁路	哈尔滨某医院松北院区
兰州某人工智能云计算	棋山隧道配电
中国邮政速递物流	晋江第二体育馆中心
安徽某生物医药产业园	华电淄博华星项目
北湖轻轨	方庄未来水厂
利时广场	长沙某智能制造产业园
杭州火车南站	达州西客站充电站
高淳人民医院	上海张江高科产业园
深圳某污水处理厂	兰州大学
尧塘中小学	郑州市民活动中心

9结论

某电厂4号的动力电源取自380V除尘4A段母排，经空气开关至装置本体；B段装设的有源滤波器的动力电源取自380V除尘4B段母排，经空气开关至装置本体。因380V除尘4A、4B段#1柜已安装有电流互感器，不用重复装设CT，只需将有源滤波器的CT回路串接进#1柜的原有CT回路。因此，需新增电缆从380V除机组380V除尘4A、4B段加装有源滤波器改造项目，通过滤除除尘段的奇次谐波，减小了其对除尘系统的不良影响，综合保护装置功能恢复正常使用，在运行中故障的几率大大降低，确保了厂用电的安全运行，保证了用电设备正常使用。随着我们对碳达峰、碳中和等工作的持续推进,我国环保质量标准也将会不断的完善和提高,排放监督与控制也会更加严格。为了满足我国及地方的环保政策和法规的要求，作为沿海城市的重点企业，某电厂为响应国家的政策要求，降低污染负荷，规避影响电除尘器除尘效率的一系列问题。有源滤波器改造项目减少了对电除尘配电系统及其综合保护装置的损害和干扰，提高了除尘配电段供电的安全性和可靠性，确保电除尘设备安全可靠运行，这将有助于改善区域环境治理，为电厂持续改善环境质量，推动超低排放、绿色低碳发展增添助力。本项目是在电除尘高压脉冲电源谐波治理上的成功案例，对国内电厂在谐波治理上起到启示借鉴作用，具有良好的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]刘峰.探讨有源电力滤波器(APF)在谐波治理中的应用[J].中文科技期刊数据库（文摘版）工程技术,2016(9):99.

[2]杨灵芝.基于有源电力滤波器在变频调速系统中的谐波治理与应用研究[D].成都：西南交通大学,2015.

[3]贾秀臣.混合型有源电力滤波器在铸锻企业谐波抑制及无功功率补偿中的应用[D].镇江：江苏大学,2017.

[4]GB/T14549-1993,电能质量公用电网谐波[S].

[5]杨卓权.有源电力滤波器在电除尘谐波治理中的应用

[6]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版.

作者简介：

任运业，男，现任职于安科瑞电气股份有限公司。

审核编辑 黄宇