690V工业型有源电力滤波器
简介
随着我国工业化水平的不断提高，工业企业电气化水平也随之提升，同时具有非线性的负荷也日益增多，比如现代工业企业中的电动机、传动装置几乎都采用晶闸管等换流设备，另外电弧炉、变频装置、荧光灯、计算机正被推广使用。工业企业中产生的谐波主要就是这些具有非线性伏安特性输配电设备和用电设备的运行中的产生的。正是这种非线性关系产生的谐波，使电能质量下降，影响企业用电设备的安全和经济运行，增加对通信等系统的干扰。所以，我们把谐波视为对电力系统的“污染”和“公害”。谐波对电力系统的电磁环境的污染将危害电力系统本身及广大电力客户，危害面十分广泛。因此，从减少其对各种电气设备和环境的危害等方面出发，治理和消除工业企业中的谐波电流，对改善供电质量和确保电力系统安全经济运行是必要的。
从工作原理来分，常见的工业现场产生谐波的谐波源主要有以下三类 ：
工业现场常见负载类型及应用场合
工业现场存在的问题及负载特征
工业现场照片及测量数据
传统无源与有源在工业现场治理对比
工业现场对于有源治理的要求
工业型有源电力滤波器工作原理
工业型有源电力滤波器系统组成
工业型有源电力滤波器产品型号选型表
工业型静止无功发生器产品选型表
产品照片及通用外观尺寸
产品技术特点及显著优势
案例分析
项目1现场描述：
山东某中频窑炉现场改造项目，通过对两台窖炉运行时进行测量，根据测量数据分析可知：窑炉在正常生产运行时有功功率为230KW，无功功率为335kvar，功率因数较低为0.4左右，现场谐波电流总畸变率为54.9%，根据上述基本参数，单台窑炉供电回路上的总谐波电流最大为350A，其中 5 次谐波电流在整个总谐波电流中占比最大，7 次谐波电流次之，并且还含有一定的2次和3次谐波电流成分。
解决方案：
根据现场存在的谐波情况，并按照客户的需求，最终选择在两套窑炉的供电回路上进行集中治理，则配置了两套 400A 三相三线有源滤波柜。
项目2现场描述：
该工业现场新增两套窑炉负载，其窑炉供电电源为晶闸管调功器。由一台容量 2500KVA 变压器供电，变压器电压等级为10kV/0.4kV。该变压器 400V低压母线末端装设有抗谐波传统无功电容补偿柜，在窑炉建成试运行过程中，无功电容补偿柜中的一个电容器发生严重爆裂起火故障。
解决方案：
通过对现场变压器低压侧在窑炉升温保温烘炉阶段的电能质量进行相应测量，检测到两套窑炉在升温过程中会产生较高的谐波电流，2次和4次偶次谐波在总谐波中占比较高。当电容补偿柜投入到整个系统时，电容总进线的2次谐波电流含量异常变大，因此导致电容投入运行后爆裂起火。根据现场电能质量测试情况，并结合数据分析，在两套窑炉负载进线侧各安装一套容量为1000A的整柜式工业型有源滤波装置，就地治理晶闸管电源产生的谐波电流，避免谐波电流流入电容柜中对电容造成损坏。
工作原理
工业型有源电力滤波器（简称 APF）采用现代电力电子技术和基于高速 DSP 器件的数 字信号处理技术制成的新型电力谐波治理专用设备。 它由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个主要部分组成。通过外部互感器实时检 测电网中各次谐波电流和无功电流，得到其指令电流，指令电流运算电路实时监视线路中的 电流，并将模拟电流信号转换为数字信号，送入高速数字信号处理器（DSP）对信号进行处理，将谐波与基波分离，并以脉宽调制（PWM）信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉 冲，驱动 IGBT 或 IPM 功率模块，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。
图 1-1 APF 工作原理图
基本组成
APF 系统主要包括主接触器 KM1、预充电接触器 KM2、预充电电阻 R、滤波电感 L、电压型 PWM 整流桥（VSR）和直流母线电容 C 等。系统图如图 1-2 所示，电阻 R 为系统的预充电电阻，当 KM2 闭合后，系统母线电容电压缓慢充电；KM1 控制主回路，同时将预充电电阻 R 短路；电感是功率转换器和电力系统之间的功率传送接口元件，一方面起储能作用，另一方面滤除高频开关纹波电流；电压型 PWM 整流桥为 APF 的功率转换部件，由绝缘栅双极晶体管（）IGBT）构成，应用电压空间矢量调制（SVPWM）技术驱动 IGBT 产生补偿电流波形；直流电容模块储存了经 IGBT 功率转化模块产生的直流能量。
图 1-2 APF 系统原理图
工业产品特点
设计理念
工业型 APF 是我公司专门针对工业应用环境开发的产品，有源模块立式结构设计。此 种结构模式，采取大容量 IGBT 功率器件，器件选择有效值的 3 倍以上，留有足够大的 安全裕量，在负载较大冲击下，能长期工作。模块采取轴流风机散热，风量大，风压足， 散热好； 整柜采取下进风上出风模式，整柜顶部采用轴流风机抽风，底部采取防尘百 叶窗进风，可较大程度隔离外部环境，特别适合高温工业现场及环境恶劣尤其粉尘较大的场合应用。例如：粉体厂、粉石厂、瓷砖厂、水泥厂等。
抗高电压畸变
适用在 5%-25%谐波电压畸变率的工业负载配电系统应用，微妙级的瞬时响应速度，全响应时间小于 10ms。
全面补偿、安全稳定
谐波治理、感性与容性无功补偿，自由选择补偿组合。
自动限流运行与全面的故障保护功能。
先进的控制策略和拓扑结构设计
采用 LCL 拓扑结构滤波，在输出谐波电流的情况下，不会引入高频 IGBT 开关谐波干扰，并且适用于任何现场电网系统阻抗，不会发生谐振；
故障自诊断自启动功能
装置具有非装置自身问题导致停机自恢复功能，自恢复之前需对外部电网及装置本身进行自动诊断，诊断通过方可自启动。如果外部电网问题，设备将不再启动，并给上位机
传输装置故障告警，点亮装置自身故障指示灯；
