有源濾波裝置在機場(chǎng)的應用

1、 引言

    隨著(zhù)城市交通水平的提高，飛機作為一種便捷的交通方式給人們日常交通生活帶來(lái)了多樣化的選擇，隨之機場(chǎng)也在逐年擴建。但在機場(chǎng)的低壓配電系統中，存在著(zhù)大量的諧波源，如機場(chǎng)助航燈、直流電機、電爐、軋機、電焊機等，這些諧波源具有電流畸變大、諧波頻譜范圍廣、無(wú)功需求變化快等特點(diǎn)。這類(lèi)負載產(chǎn)生的諧波，危及配電系統的正常運行，甚至引發(fā)嚴重的電氣事故。其中以機場(chǎng)助航燈光系統為例，助航燈光負載設備不斷增加，機場(chǎng)燈光站大量使用可控硅調光設備，導致產(chǎn)生大量的諧波電流，對電能質(zhì)量造成污染，同時(shí)附加電流和額外的熱效應對各類(lèi)電氣設備和電纜線(xiàn)路安全也造成一定危害。因此，對機場(chǎng)助航燈光站電力諧波問(wèn)題進(jìn)行分析與治理極為重要。

2、 機場(chǎng)諧波的產(chǎn)生及危害

    電力系統諧波產(chǎn)生的根本原因是一些具有非線(xiàn)性伏安特性的輸配電和用電設備。當電流流經(jīng)非線(xiàn)性負載時(shí)，與所加的電壓不呈線(xiàn)性關(guān)系，就形成了非正弦波電流，從而產(chǎn)生諧波。諧波污染越來(lái)越多地威脅到電力系統安全、穩定、經(jīng)濟運行，給同一網(wǎng)絡(luò )的線(xiàn)性負載和其它用戶(hù)帶來(lái)了極大影響。

    助航燈光站中的主要設備是控制助航燈光開(kāi)／關(guān)和調節燈光亮度的調光器，采用可控硅斬波來(lái)調節輸出電壓，以達到輸出電流保持在規定值的目的，輸入的正弦波形經(jīng)過(guò)可控硅斬波后變成非線(xiàn)性波形。調光器在調相變控恒流過(guò)程中產(chǎn)生了大量的諧波，對整個(gè)助航燈光系統造成污染，導致供電效率極低。

    助航燈光系統，在市電供電的運行時(shí)燈光系統運行平穩正常；但在柴油發(fā)電機供電時(shí)，系統出現明顯的電流電壓波動(dòng)，當發(fā)電機供電時(shí)，由于柴油發(fā)電機無(wú)法提供全負荷運行所需的有功電能，因此調光器無(wú)法進(jìn)行高光級下的電流控制和調節，嚴重情況下甚至可能會(huì )出現設備跳閘的現象，延誤飛機的正常運行。

3、 諧波評估標準

    為了限制諧波污染，保障公用電網(wǎng)的安全運行，IEEE 和IEC 從不同角度出發(fā)推出了相應的諧波標準，我國早于1993 年7 月31 日頒布了GB/T14549-1993《電能質(zhì)量——公用電網(wǎng)諧波》國家標準，并于1994 年3 月1 日實(shí)施。制定標準的基本原則是限制諧波源注入電網(wǎng)的諧波電流及其在電網(wǎng)中產(chǎn)生的諧波電壓，防止其對電網(wǎng)中供電設備的干擾，保證電網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行；把電網(wǎng)中的電壓總諧波畸變率及各次諧波含有率控制在允許的范圍內，保證供電質(zhì)量，使接入電網(wǎng)中用戶(hù)的各種用電器具免受諧波的危害，保持正常工作。

    在GB/T14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》國標中，對諧波電壓畸變率的限值規定如表1所示：

    根據對機場(chǎng)助航燈光系統諧波參數的分析和國家諧波治理標準，我們對機場(chǎng)諧波抑制方案進(jìn)行了選擇。

4、 諧波治理方案選擇

    目前電力系統諧波治理主要存在兩大主流方式：無(wú)源濾波技術(shù)和有源濾波技術(shù)。機場(chǎng)燈光站采用的大功率電力半導體調光設備，會(huì )產(chǎn)生大量高次諧波（主要是3 倍次諧波以外的所有奇次諧波），而無(wú)源濾波器對每次諧波都要單獨設計單諧振濾波器，設計參數要跟系統阻抗有關(guān)（計算系統阻抗很繁瑣，并且系統逐年擴建，系統阻抗也會(huì )變化）；無(wú)源濾波不能對諧波*消除，反而存在著(zhù)放大諧振的危險；電容的老化也會(huì )使原來(lái)設計諧振點(diǎn)偏移而達不到濾除目標諧波的目的；無(wú)源濾波系統適合負荷單一、穩定的場(chǎng)合。

    與無(wú)源濾波器相比，有源濾波系統具有高度可控性和快速響應性（≤1ms），能補償各次諧波，可抑制閃變、補償無(wú)功，有一機多能的特點(diǎn)；在性?xún)r(jià)比上較為合理；濾波特性不受系統阻抗的影響，可消除與系統阻抗發(fā)生諧振的危險；具有自適應功能，可自動(dòng)跟蹤補償變化著(zhù)的諧波。其基本原理是從諧波源（被補償對象）負載回路中檢測出諧波電流，由補償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等而相位相反的補償電流波形，用以抵消諧波源負載所產(chǎn)生的諧波電流，從而使電網(wǎng)側電流只含有基波分量。

    ANAPF有源濾波裝置專(zhuān)門(mén)針對此類(lèi)工況特點(diǎn)的低壓配電系統而設計，該裝置濾波效率高、實(shí)時(shí)跟蹤、響應速度快特點(diǎn)，可濾除負載諧波，抑制系統振蕩，提高電網(wǎng)的穩定性，同時(shí)取得明顯的節能降耗和供電設備增容的效果。

5、ANAPF低壓有源濾波器在醫院建筑中的應用案例

    某機場(chǎng)供電系統的基本狀況如下：供電容量較大，供電電壓以110/10/0.4KV 等級為主，機場(chǎng)設備較多且分散，用電量大，部分為設備，負荷有一定沖擊性，供配電系統三相基本平衡，低壓部分進(jìn)行了集中無(wú)功補償。

    以1#助航燈光站為例進(jìn)行諧波分析，1#助航燈光站包括2臺500KVA變壓器和一臺150kVA柴油發(fā)電機備。主要用電設備為機場(chǎng)助航燈光設備。

5.1 ANAPF有源濾波裝置的工作原理

    ANAPF系列有源電力濾波裝置，以并聯(lián)方式接入電網(wǎng)，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測負載的諧波和無(wú)功分量，采用PWM變流技術(shù)，從變流器中產(chǎn)生一個(gè)和當前諧波分量和無(wú)功分量對應的反向分量并實(shí)時(shí)注入電力系統，從而實(shí)現諧波治理和無(wú)功補償。

原理如下圖：

5.2 ANAPF有源濾波裝置投入前后對比

    (1)有源濾波器投入前功率、電流波形畸變嚴重，諧波治理后波形趨于正弦波，諧波治理的工作達到了預期的目標和效果；

    (2)有源濾波器投入后功率因數波形畸變情況明顯改善，諧波治理前分別為-0.805，-1.000，-1.000，治理后分別為0.925,0.394,0.347。

    從附圖的對比中可以看出：同種負載條件下，投入使用ANAPF有源濾波器后，電能質(zhì)量改善的同時(shí)，又節省了電能；功率因數的大幅度提高，提升了變壓器、發(fā)電機的供電容量，從而解決了系統發(fā)電機帶全負荷運行時(shí)控制設備失調的問(wèn)題。

 5.3安裝要求

    ANAPF一般為標準柜式結構，安裝時(shí)應避免倒置或平放，外形尺寸由所選諧波補償電流值決定，平面布置形式一般由諧波電流補償點(diǎn)位置決定。其平面布置要求如下：

    1)離墻安裝：正常情況下建議與低壓開(kāi)關(guān)柜并列離墻布置，正面操作，雙面維護，背面維護通道不小于800mm。

    2)靠墻安裝：ANAPF也可靠墻布置，正面操作，正面維護。

    3）電氣設計人員在考慮系統接線(xiàn)及平面布置時(shí)應注意將ANAPF的補償接入點(diǎn)盡量靠近補償對象，并處于采樣CT的上游，或在末端預留空間供設計安裝，CT采樣處下游不能包含容性負荷。平面布置示意如下圖：

變電所平面布置圖

     4）ANAPF所有正常情況下不帶電的金屬外殼均應根據設計要求的接地制式（TN-S、TN-C-S、TT等）嚴格做好相應的保護接零或保護接地。

 5.4 有源濾波器報價(jià)及元件清單

 6、 結論

    本文通過(guò)介紹機場(chǎng)助航燈光系統諧波源的產(chǎn)生及危害，對比有源濾波裝置和無(wú)源濾波裝置的方案，采用ANAPF有源濾波裝置對機場(chǎng)供電系統的電能治理，達到了國家相應的諧波標準，系統內電能質(zhì)量得到很大地提高，減少了變壓器和線(xiàn)路的損耗，提升了變壓器、發(fā)電機的供電容量，從而解決了系統發(fā)電機帶全負荷運行時(shí)控制設備失調的問(wèn)題。大大提高了機場(chǎng)運行的安全性和經(jīng)濟性。

 【參考文獻】

［1］ 上海安科瑞電氣股份有限公司產(chǎn)品手冊.2013.01.版

［2］ 民用機場(chǎng)助航燈光供電系統的電力諧波分析. 馮興學(xué)

作者簡(jiǎn)介：

周菁，女，本科，江蘇安科瑞電器制造有限公司，主要研究方向為智能電網(wǎng)供配電。