浅析有源滤波器在选煤厂供电系统谐波治理中的应用与选型

摘要:针对选煤厂供电系统设计中谐波对电机等设备的影响，在研究了谐波危害以及诸多谐波治理方法的基础上，采用有缘滤波器抑制供电系统中的谐波分量，从而进一步提高供电系统供电质量。应用效果显示，使用有源滤波器后的系统运行稳定，谐波分量抑制在可接受范围内，大部分电流谐波被过滤掉，功率因数由0.92提高到0.97，能够为以后类似的工程项目提供借鉴，改善矿井及选煤厂电网条件差的现状。

关键词:选煤厂;供电系统;有源滤波器;谐波治理;谐波分量抑制

0引言

现代化的选煤厂一般都采用PLC或DCS进行自动控制，洗选过程中，由流量、压力、密度等参数与变频技术结合形成的闭环控制系统得到更多的应用。在自动化程度提高的同时，由于变频器等应用增多，非线性的设备接入电网，会将产生的谐波电流反馈到电网中，进而通过电网阻抗产生谐波压降，引起电网电压的畸变，供电系统的电能质量下降，不利于系统的安全运行。由于煤矿工业系统技术人员对谐波重视程度不够，没有采取有效的谐波抑制措施，导致煤矿供电系统电网质量较差，有谐波引起的机电事故屡屡出现。

1谐波产生原因分析

谐波的产生根据其在供电系统中处的位置不同，原因可大致分为3种情况:电源处本身具有的谐波、电源传输时产生谐波及变频器、电焊机等末端用电设备产生的谐波。厂房中照明使用的气体放电灯的电路本身含有电弧，电弧的负阻特性也会产生谐波。

对选煤厂来说负载中谐波主要是由变频器产生的，现代化的洗煤厂，洗选过程通常采用“传感器—控制器—变频调节"的模式来进行密度、流量、压力等工艺参数的自动调节。许多设备都需要使用变频器，变频器本身需要对正弦波电流进行“破坏重组"，即变频的“整流—逆变"过程，在这个过程中会向电网反馈大量的谐波电流。虽然目前对变频器的制作有谐波量的限制，有时还要在变频器的输入侧增加电抗器，来降低谐波对电网的影响，但从目前来看，变频器仍然是选煤厂供电系统主要的谐波来源。

2谐波危害

谐波对选煤厂供电系统的危害有以下方面:

(1)对变压器的危害

谐波电流对变压器的危害主要表现在会使变压器产生附加损耗，变压器运行时产生温度升高、噪声增大。另谐波中含有的无功分量会占据部分变压器容量，使得变压器的实际输出容量变小。在谐波环境下运行，加速绝缘老化，变压器的寿命也会降低。

(2)对供电线路的危害

谐波电流中含有较大的无功分量，会增加线路的损耗，导致电缆过热，降低其使用寿命。

(3)对无功补偿装置的危害

谐波电流会对系统的无功补偿装置造成了不同程度的影响，流过补偿装置的电流过大会导致无功补偿装置中的保险丝烧断，甚至会由于电容过热导致无功补偿装置中的电容炸裂。

电力谐波除直接威胁无功补偿装置的安全外，其对其他电气设备寿命和线损的影响及对供配电系统安全运行的影响在很多方面是逐步积累的，其作用过程具有渐进性、隐蔽性。另外谐波还会影响到电力系统中微机自动综合保护装置的工作，对系统故障做出错误判断，误动作或者不动作，影响供电系统的安全运行。因此为保证系统的安全性，应对系统的谐波进行治理。

3谐波治理方式

抑制谐波从原理上来说方法较多，例如:采用较高的电压等级，电压等级越高，系统的短路容量越大，以某选煤厂为例，洗选系统采用重介洗煤工艺，对谐波的承受能力也就越强;再有就是增加变频器等变流设备的脉动数，理论上变流设备反馈回电网的只有kP±1(k=1、2、3…，P为脉动数)次的谐波，可见脉动数越多，谐波的产生量越少。

在工程中抑制谐波的手段主要有2种:①无源滤波即在系统中增加滤波电路;②有源滤波。无源滤波可根据系统的谐波含量设计滤波电路，可滤掉固定频次的谐波，主要由电感、电容和电阻等元器件按照一定的设计参数组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，具有容量较大、结构简单、经济性好等优点，但是受本身原理的制约，其在生产以后就只能滤除某频率范围内的谐波。

有源电力滤波器是一种主动性的电流补偿谐波治理滤波装置，可通过互感器对系统电流进行采样，通过控制器分析中其中的谐波成分，然后控制晶闸管动作，产生一个与谐波电流大小一样、方向相反的电流反馈到电网中，抵消电网中的谐波。有源电力滤波器可滤除系统中多次及高次谐波，治理效果好，但容量一般不大，且经济性不如无源滤波器。

4有源滤波器的应用

设有两套重介洗选流程，自动化程度较高，重介浅槽入料泵、磁选尾矿泵、煤泥泵、加压过滤机入料泵、压滤机入料泵等设备均需要变频控制。根据设备分布，其主要谐波源生产车间为主洗车间，该车间设有3台10/0.69kV变压器，变压器容量为1600kVA，其中2台各自变压器负担一套重介系统的所有设备供电，另一台则负责为2套重介系统配套的共用设备提供电源。其中1台变压器下面带有6台变频器(所带的电机容量*大为350kW)，设有1套480kVar的电容补偿装置。

在工程调试过程中，由于350kW变频电机启动时，使选煤厂内一台2.2kW的小电机烧毁，更换电机后又出现同样的现象。根据现场的情况进行分析，初步判断是系统的谐波较大引起的，随后对系统的谐波进行了检测，系统的电压、电流波形如图1、图2、图3所示，系统A、B、C三相电压、电流及谐波的数据见表1。

可见，系统电流波形已发生严重畸变，电流畸变率已超过30%，其中以5次、7次谐波为主。

图1电压波形

图2电流波形

图3各次谐波分布

表1三相电压及电流数据

由表1中基本数据可知，B相谐波电流*大，把B相电流Irms=574.5A，B相基波电流IH1=545.6A，B相电流畸变率THDIb=32.6%代入计算公式:

选择1套YD-APF有源滤波器进行谐波治理,YD-APF有源滤波器为模块化设计，可根据需补偿的电流容量，自由的选择模块数量。根据式(1)的计算结果可知，系统的谐波电流约177.9A,选择有源滤波器容量为225A,含有3个75A滤波模块有源滤波器在低压配电室内与低压柜并排安装，取样互感器取自变压器低压出线侧，根据系统取样数据,有源滤波器控制系统能自动计算出系统的谐波分量,并生成一个大小一样、方向相反的补偿电流补偿至供电系统中，从而抵消供电系统中的谐波分量,使系统恢复平滑的正弦波形态。有源滤波装置具有以下功能:

(1)实时监测。YD-APF全功能监控系统实时监测配电系统的电能质量，通过监控系统，可实时读取电网侧、负载侧的THD,和THD.各相电流大小.补偿前后效果波形图及有源电力滤波器发出的补偿电流大小、波形等一系列电能质量数据,操作简单，读取数据方便。

(2)系统设置。YD-APF全功能监控系统可设置工作模式、日期、CT变比及补偿模式等一系列功能。设置系统需要密码才可以操作，保证机器独立安全运行，所有设置项会记忆并保存在系统中。

(3)后台监控。YD-APF有源滤波器RS485和网口,通过数据线或网线可与计算机进行通讯。在计算机终端安装后台监控软件，即可实现对有源滤波器的远程操作和控制,为了解有源滤波器的运行提供了很大的便利。

其工作原理如图4所示

4有源滤波器工作原理

通过安装在低压母线上的电流互感器对母线电流进行采样,通过YD-APF有源滤波器内置控制器对采样信号进行分析,找出其中的谐波成分,然后控制晶闸管动作，产生一个与谐波电流大小一致、方向相反的电流反馈到母线上,抵消电网中的谐波

5治理效果分析

投入滤波器后电网电流谐波绝大部分被滤除掉,波形显示为正弦波，总的电流畸变率由32%降为3.3%，补偿率达到87%，功率因数由0.92提高到0.97,350kW变频电机启动时烧毁小电机的情况没有再出现。可见投入有源电力滤波器后,电网中的谐波得到了显著的抑制，并可以快速对变频器等在运行过程中产生的谐波快速响应，消除谐波，提高系统的电能质量。

6安科瑞APF有源滤波器产品选型

6.1产品特点

(1)DSP+FPGA控制方式，响应时间短，全数字控制算法，运行稳定；

(2)一机多能，既可补谐波，又可兼补无功，可对2～51次谐波进行全补偿或特定次谐波进行补偿；

(3)具有完善的桥臂过流保护、直流过压保护、装置过温保护功能；

(4)模块化设计，体积小，安装便利，方便扩容；

(5)采用7英寸大屏幕彩色触摸屏以实现参数设置和控制，使用方便，易于操作和维护；

(6)输出端加装滤波装置，降低高频纹波对电力系统的影响；

(7)多机并联，达到较高的电流输出等级；

6.2型号说明

6.3尺寸说明

6.4产品实物展示

ANAPF有源滤波器

7安科瑞智能电容器产品选型

7.1产品概述

AZC/AZCL系列智能电容器是应用于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。它由智能测控单元，晶闸管复合开关电路，线路保护单元，两台共补或一台分补低压电力电容器构成。可替代常规由熔丝、复合开关或机械式接触器、热继电器、低压电力电容器、指示灯等散件在柜内和柜面由导线连接而组成的自动无功补偿装置。具有体积更小，功耗更低，维护方便，使用寿命长，可靠性高的特点，适应现代电网对无功补偿的更高要求。

AZC/AZCL系列智能电容器采用定式LCD液晶显示器，可显示三相母线电压、三相母线电流、三相功率因数、频率、电容器路数及投切状态、有功功率、无功功率、谐波电压总畸变率、电容器温度等。通过内部晶闸管复合开关电路，自动寻找适宜投入（切除）点，实现过零投切，具有过压保护、缺相保护、过谐保护、过温保护等保护功能。

7.2型号说明

AZC系列智能电容器选型：

AZCL系列智能电容器选型：

7.3产品实物展示

AZC系列智能电容模块AZCL系列智能电容模块

安科瑞无功补偿装置智能电容方案

8结语

随着选煤技术的发展,变频器等非线性设备在选煤厂供电系统中得到越来越多的应用，提升了选煤厂的控制水平,但是其在工作过程中也产生了更多的谐波，为供电系统的运行带来了新的问题，在现代工程中应重视对谐波的治理，维护供电系统安全可靠的运行。

参考文献

[1]戴苏伟.直挂式电压电力有源滤波谐波治理技术[.中州煤炭,2013(7):7273.

[2]曹婷.有源滤波器在选煤厂供电系统谐波治理中的应用[J].能源与环 保,2017(03):171-174.DOI:10.19389/j.cnki.1003-0506.2017.03.036.

[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版.