1引言

礦山設備有礦井提升機、膠帶運輸機、通風(fēng)機等大型設備，這些設備都采用變流器驅動(dòng)，由于電力電子設備的固有特性，變流器工作過(guò)程中產(chǎn)生了大量諧波，對電網(wǎng)造成了嚴重的諧波污染，需要專(zhuān)門(mén)的諧波治理裝置來(lái)進(jìn)行抑制。

20世紀80年代以來(lái)，隨著(zhù)電力電子技術(shù)以及PWM控制技術(shù)的發(fā)展，對供電質(zhì)量提出更高的要求。而傳統的諧波抑制和無(wú)功補償主要采用LC濾波器，它由于結構簡(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(chēng)APF）是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補償無(wú)功的新型電力電子裝置，它能夠對幅值和頻率都變化的諧波以及變化的無(wú)功進(jìn)行補償。與無(wú)源濾波器相比，APF具有高度可控性和快速響應特性，并能跟蹤補償各次諧波，自動(dòng)產(chǎn)生所需變化的無(wú)功功率。

2無(wú)源濾波器和有源濾波器的性能比較

傳統的諧波治理和無(wú)功補償的方法是采用無(wú)源濾波器。無(wú)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、實(shí)用和可靠。

APF與無(wú)源濾波器相比，有如下特點(diǎn)：

（1）可同時(shí)對諧波和無(wú)功進(jìn)行補償，且補償無(wú)功功率的大小可做到連續調節。

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

（3）補償無(wú)功功率時(shí)不需要儲能元件。

（4）裝置可以?xún)H輸出所需補償的高次諧波電流，不輸出基波無(wú)功功率。

（5）即使補償對象電流過(guò)大，有源濾波器不會(huì )生過(guò)載，并且能正常發(fā)揮補償作用。

（6）可實(shí)現動(dòng)態(tài)補償，可對頻率和大小均變化的諧波及變化的無(wú)功功率進(jìn)行補償，對補償對象的變化有極快的響應速度。

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的構成原理圖。

圖1有源電力濾波器系統的原理圖

圖1中，es表示交流電源，負載為諧波源，它產(chǎn)生諧波并消耗無(wú)功。有源電力濾波器系統由兩大部分組成，即指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路。其中，指令電流運補償電流發(fā)生電路的核心是檢測出補償對象電流中的諧波和無(wú)功等電流分量，因此有時(shí)也稱(chēng)之為諧波和無(wú)功電流檢測電路。補償電流發(fā)生電路的作用是根據指令電流運算電路得出的補償電流的指令信號，產(chǎn)生實(shí)際的補償電流，主電路采用PWM變流器。在產(chǎn)生補償電流時(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儲能元件充電時(shí)，它就作為整流器工作。兩種工作狀態(tài)無(wú)嚴格區分。

4電力有源濾波器的分類(lèi)

圖2中，負載為產(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)生的補償電流中開(kāi)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償可看作電流源的諧波源，如直流側為阻感負載的整流電路。此時(shí)，APF向電網(wǎng)注入補償電流，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

單獨使用有源濾波器可用在小容量非線(xiàn)性負載的場(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(lèi)：一類(lèi)是并聯(lián)混合型電力濾波器，一類(lèi)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，這又使得現有的混合濾波系統只適應于補償對象在中等功率以下，一般是500KW－10MW。對于功率大于10MW的非線(xiàn)性負載，如何抑制所產(chǎn)生的諧波和無(wú)功補償，一直是混合型濾波器研究的重要內容。在此介紹一種新型的交流并聯(lián)混合型電力濾波器的拓撲結構，使得有源濾波器的容量大大減小，小于補償對象容量的1％，使之應用范圍可擴展到大功率應用場(chǎng)合。

圖4并聯(lián)混合濾波器的拓撲結構圖

圖4以單相系統為例，圖中設置了3次和5次兩條調諧支路，APF與一個(gè)很小的附加電感La通過(guò)耦合變壓器并聯(lián)后串入無(wú)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(wú)功主要由無(wú)源濾波器補償，而APF的作用是改善無(wú)源濾波器的濾波特性和抑制電網(wǎng)與無(wú)源濾波器之間可能發(fā)生的諧振。

.       等效電路

sh

.       對Ush等效電路

圖5檢測電網(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ILh的補償特性時(shí)，假設電源電壓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(shuō)明，對于ISh而言，圖5a和圖5b是等效的，

由圖看出，這相當于給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對電源電壓諧波的濾波特性分析，假設不接負載（即ILh＝0），此時(shí)有源濾波器相當于純電阻KsZah，如圖5c所示。由該等效電路得出

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

從上式看出，當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，不僅能補償ILh產(chǎn)生的IS畸變，而且能補償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(wú)源濾波器之間可能發(fā)生的諧振。Ks越大，補償效果越好。

6實(shí)驗論證和研究

選用1臺容量40KVA的新型單相并聯(lián)混合型濾波器的實(shí)驗樣機，對帶阻感性負載的單相橋式整流電路進(jìn)行了諧波補償的實(shí)驗研究。實(shí)驗系統具體參數如下：

負載容量：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數字示波器

實(shí)驗波形如下圖所示，電力濾波器投入后電源電流波形，分別采用前饋、反饋、復合控制方式時(shí)的實(shí)驗結果。

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)驗結果得出，在投入新型并聯(lián)混合濾波器進(jìn)行補償后，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 )造成電力系統電網(wǎng)畸變，使大型礦山的變壓器產(chǎn)生發(fā)熱現象，網(wǎng)損嚴重，使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使電氣設備過(guò)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。對電力系統安全運行產(chǎn)生影響和危害，直接危及系統的安全運行，對通訊系統的電磁干擾等。利用有源電力濾波器對煤礦企業(yè)電力系統諧波和無(wú)功進(jìn)行補償的效果明顯。諧波的有效治理保證了變壓器的正常運行，降低了網(wǎng)損，具有很大的節能降耗意義。

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，響應時(shí)間短，全數字控制算法，運行穩定；

（2）一機多能，既可補諧波，又可兼補無(wú)功，可對2～51次諧波進(jìn)行全補償或特定次諧波進(jìn)行補償；

（3）具有完善的橋臂過(guò)流保護、直流過(guò)壓保護、裝置過(guò)溫保護功能；

（4）模塊化設計，體積小，安裝便利，方便擴容；

（5）采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏以實(shí)現參數設置和控制，使用方便，易于操作和維護；

（6）輸出端加裝濾波裝置，降低高頻紋波對電力系統的影響；

（7）多機并聯(lián)，達到較高的電流輸出等級；

（8）擁有自主技術(shù)。

8.2型號說(shuō)明

8.3尺寸說(shuō)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用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節省能源、降低線(xiàn)損、提高功率因數和電能質(zhì)量的新一代無(wú)功補償設備。它由智能測控單元，晶閘管復合開(kāi)關(guān)電路，線(xiàn)路保護單元，兩臺共補或一臺分補低壓電力電容器構成?？商娲Ｒ幱扇劢z、復合開(kāi)關(guān)或機械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在柜內和柜面由導線(xiàn)連接而組成的自動(dòng)無(wú)功補償裝置。具有體積更小，功耗更低，維護方便，使用壽命長(cháng)，可靠性高的特點(diǎn)，適應現代電網(wǎng)對無(wú)功補償的更高要求。

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(xiàn)電壓、三相母線(xiàn)電流、三相功率因數、頻率、電容器路數及投切狀態(tài)、有功功率、無(wú)功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過(guò)內部晶閘管復合開(kāi)關(guān)電路，自動(dòng)尋找*佳投入（切除）點(diǎn)，實(shí)現過(guò)零投切，具有過(guò)壓保護、缺相保護、過(guò)諧保護、過(guò)溫保護等保護功能。

9.2型號說(shuō)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(wú)功補償裝置智能電容方案

10結束語(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)側電流存在大量的諧波，而單獨使用的有源濾波器無(wú)法滿(mǎn)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)應用具有廣闊的市場(chǎng)前景。

參考文獻

［1］天津電氣傳動(dòng)設計研究所．電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)手冊［M］（第2版）。北京：機械工業(yè)出版社，2005：732－784

［2］馬小亮著(zhù)．大功率交－交變頻調速及矢量控制技術(shù)［M］（第3版）機械工業(yè)出版社，2004：30－38

［3］王清靈，龔幼民等著(zhù)．現代礦井提升機電控系統［M］（第1版）。機械工業(yè)出版社，1996：44－48

[4]趙興彥.適用于礦山工況的混合有源濾波器的研究[J].電氣傳動(dòng)自動(dòng)化,2019,41(01):1-4.

[5]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.05版