張 超，張 雷，陳 豪

（1合肥高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)建筑工程質(zhì)量監(jiān)督站，安徽 合肥 230088；2中國建筑第八工程局有限公司，上海 200120）

1 技術(shù)背景

合肥市作為全國科技之城，創(chuàng)新高地，擁有中科院物質(zhì)科學(xué)研究院為代表的各類科研機(jī)構(gòu)200多個，擁有“合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室”“國家（合肥）同步輻射實(shí)驗(yàn)室”等多個國家重點(diǎn)科研設(shè)施，高端科研設(shè)施和實(shí)驗(yàn)室里面存在大量先進(jìn)精密設(shè)備，為了保證設(shè)備運(yùn)行效果的準(zhǔn)確性，對供電電能質(zhì)量要求非常高。超標(biāo)的諧波將導(dǎo)致精密設(shè)備工作異常，影響運(yùn)行效果，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致設(shè)備損壞。而近年來，節(jié)能設(shè)計(jì)的要求使得用戶負(fù)載特性發(fā)生很大的變化；大量變頻、LED、電子設(shè)備的普及采用使得用戶配電系統(tǒng)的諧波含量過高，也嚴(yán)重影響了用戶配電系統(tǒng)的安全以及設(shè)備的正常工作。

2 重難點(diǎn)分析

有源濾波裝置（APF）是一個電氣行業(yè)的高科技電力電子產(chǎn)品，技術(shù)門檻很高。目前國內(nèi)品牌基本上都面臨無法長期穩(wěn)定運(yùn)行或諧波治理效果不明顯的質(zhì)量問題；而少數(shù)國外品牌已經(jīng)被證明是產(chǎn)品質(zhì)量過關(guān)，諧波治理效果良好；能很好地改善用戶的電能質(zhì)量問題，降低事故風(fēng)險(xiǎn)。

對于高端行業(yè)精密設(shè)備，有源濾波器的選用應(yīng)該尤為慎重。如果沒有選用真正的有源濾波器裝置，可能會導(dǎo)致重大事故的產(chǎn)生[1]：

1）嚴(yán)重降低供電安全，引起斷路器誤判斷誤跳閘；

2）中性線電流過大導(dǎo)致開關(guān)跳閘，甚至引發(fā)線路火災(zāi)；

3）干擾精密醫(yī)療設(shè)備的正常運(yùn)行，縮短設(shè)備使用壽命，嚴(yán)重時(shí)會損壞昂貴的醫(yī)療設(shè)備；

4）燒毀電容柜電容及保護(hù)元件、母排。

3 研發(fā)過程

3.1 高次諧波執(zhí)行方式的解決問題

所謂諧波指的是在工頻（50 Hz）基礎(chǔ)上的泛在高頻，例如3次諧波即為150 Hz（工頻的3倍頻），在一些高精密項(xiàng)目中生產(chǎn)方與設(shè)計(jì)方都明確要求諧波治理頻率范圍需要達(dá)到2~61次諧波，對應(yīng)到50 Hz工頻頻率即有源濾波裝置的需要達(dá)到100 Hz~3 kHz的濾波范圍。

3 kHz的高頻對應(yīng)到50 Hz工頻系統(tǒng)即為60次諧波，對應(yīng)到60 Hz的工頻系統(tǒng)即為50次諧波。由于精美設(shè)備的工作易于受到高頻諧波分量的影響，諧波頻段治理范圍需要達(dá)到3 kHz的濾波范圍。

實(shí)際項(xiàng)目往往高頻諧波的問題在電能質(zhì)量的領(lǐng)域范疇內(nèi)是容易被忽視的，但是一旦形成危害結(jié)果往往比較嚴(yán)重。

這主要是因?yàn)楦叽沃C波有著一定的隱蔽性：

1）高頻諧波含量不像3、5、7次等常見諧波，一般含量較小。

2）由于變壓器阻抗對于高頻諧波有著較好的阻斷作用，因此高次諧波一般很少回饋電網(wǎng)，電力部門在10 kV或更高電壓等級中很少監(jiān)測到高次諧波的存在，因此在電網(wǎng)層面不夠重視。

3）由于變壓器對高次諧波有較高的阻抗，比較容易在變壓器副邊形成一定的電壓畸變，進(jìn)而影響所有的供電設(shè)備。嚴(yán)重時(shí)會引起負(fù)載與變壓器的諧振。

4）高次諧波容易在線路末端形成串?dāng)_，直接影響用電設(shè)備。

5）高次諧波一般在線路上和變壓器端直接以線損、變損的形式形成額外的發(fā)熱消耗掉。

6）有源濾波裝置對于高次諧波相當(dāng)于一個零阻抗通路，會直接吸收線路中的高頻諧波使之無法形成諧波電壓產(chǎn)生諧波串?dāng)_。

針對高次諧波的治理其實(shí)對有源濾波裝置提出了一定的性能要求。首先在第一級采樣互感器上高次諧波在采集層面就會產(chǎn)生更高的精度誤差（包括幅值與相位），這要求有源濾波裝置必須針對系統(tǒng)采集端就要具有相關(guān)的自動糾錯與動態(tài)恢復(fù)機(jī)制[2]。

其次更高的補(bǔ)償頻譜范圍對于有源濾波設(shè)備的開關(guān)頻率也提出了更高的要求。以3 kHz的諧波頻率為例要達(dá)到90%以上較好的濾波效果設(shè)備的開關(guān)頻率因不低于30 kHz。這就要求APF設(shè)備在面對不同的諧波頻段時(shí)能具有不同開關(guān)頻率控制方式，并最終確保補(bǔ)償設(shè)備在全頻段下有效的濾除諧波?；趧討B(tài)自適應(yīng)開關(guān)頻率的技術(shù)其目的就是為了在寬頻域范圍內(nèi)讓補(bǔ)償裝置具有最佳的動態(tài)適應(yīng)能力與補(bǔ)償效果。

3.2 解決關(guān)鍵元器件重要性的問題

IGBT是有源逆變設(shè)備內(nèi)部的核心部件，該部件對于有源逆變設(shè)備的工作穩(wěn)定性起到了至關(guān)重要的作用，雖然目前我國的電力電子技術(shù)也在快速發(fā)展，但是目前主要集中以購買國外晶圓國內(nèi)做封裝的業(yè)務(wù)模式。且國內(nèi)電力電子技術(shù)的發(fā)展主要是以高鐵、電力為支柱產(chǎn)業(yè)的大容量功率傳輸。在中小功率的IGBT工業(yè)類產(chǎn)品其性能與穩(wěn)定性還沒有達(dá)到國外同類產(chǎn)品的技術(shù)水準(zhǔn)。由于在醫(yī)療行業(yè)有源濾波設(shè)備的重要性決定了設(shè)備的核心IGBT部件應(yīng)采用國際一流品牌的相關(guān)元器件。

3.3 解決有源濾波設(shè)備的損耗問題

所有的電力電子設(shè)備在運(yùn)行時(shí)都存在一定的損耗，目前標(biāo)準(zhǔn)中對于APF設(shè)備的損耗要求是小于5%，目前大部分企業(yè)可以將損耗做到3%。這主要是由核心元器件的性能所決定的。APF類補(bǔ)償設(shè)備在工作時(shí)損耗主要分成兩個環(huán)節(jié)：一是通態(tài)損耗；二是開關(guān)損耗從元器件層面現(xiàn)在無法解決的問題，通過應(yīng)用層面加以突破。目前在大部分的設(shè)計(jì)應(yīng)用中設(shè)備內(nèi)部主要采用多模塊并聯(lián)的技術(shù)加以擴(kuò)容。主從熱進(jìn)備一體化控制方案可以根據(jù)負(fù)載的波動情況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)模塊的工作數(shù)量，并實(shí)時(shí)分配不同模塊的數(shù)據(jù)容量將整套裝置的損耗做最優(yōu)化處理。例如當(dāng)負(fù)載容量較小時(shí)，整個成套設(shè)備內(nèi)部只有一個模塊在工作，這時(shí)其他模塊處于待機(jī)狀態(tài)，只有靜態(tài)功耗（3~5W），當(dāng)負(fù)載波動時(shí)設(shè)備可以根據(jù)負(fù)載的大小實(shí)時(shí)確認(rèn)投入模塊的運(yùn)行數(shù)量。這種控制方式可以最大限度降低設(shè)備的開關(guān)損耗與補(bǔ)償功耗，在負(fù)載變化的綜合工況下設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的補(bǔ)償性能，和最少的能量消耗。為了實(shí)現(xiàn)這一控制模式，要求成套柜內(nèi)的全部APF設(shè)備有集中控制進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)。本項(xiàng)目成套柜內(nèi)僅有第一臺模塊接入外部采樣互感器作為全局調(diào)控設(shè)備使用，其他所有的模塊由主機(jī)協(xié)調(diào)工作。再配以的綜合控制系統(tǒng)可以將整套設(shè)備的性能做最佳發(fā)揮。

3.4 解決有源濾波設(shè)備的損耗問題

目前有源濾波柜內(nèi)部多采用多模塊堆疊的應(yīng)用方案，其成套維護(hù)的便捷度已經(jīng)超過了傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償柜的運(yùn)行方式。這主要得益于電子電子技術(shù)的進(jìn)步與整個電能質(zhì)量行業(yè)的發(fā)展?？觳灏蔚某商讘?yīng)用方式可以在后期維護(hù)上給用戶帶來巨大的便捷，讓設(shè)備可以在10 min內(nèi)定位并更換相關(guān)的部件。同時(shí)熱插拔模塊也支持逐步增加模塊投資的分布式方案?？梢栽谇捌谙纫?guī)劃整套電能質(zhì)量設(shè)備的最大容量，并根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目建成的進(jìn)度分布式采買符合容量匹配要求的模塊。熱插拔模塊相較于傳統(tǒng)方式通過端子或銅排接線，熱插拔采用插頭/插座的方式，實(shí)現(xiàn)APF模塊主回路與二次回路的快速連接。如下圖模塊上紅框的快插端子頭所示，包括有一次和二次的插針，模塊通過導(dǎo)軌導(dǎo)向，與固定的插座實(shí)現(xiàn)電氣連接，可以簡化現(xiàn)場拆接線纜的工作，可以上線帶點(diǎn)情況下的插接。

4 應(yīng)用效果與總結(jié)

有源濾波裝置投運(yùn)后，現(xiàn)場諧波電流被有效治理，諧波電流畸變率由44%下降到4%左右，系統(tǒng)電壓畸變率由治理前的3%降低到1%，有源濾波裝置對現(xiàn)場諧波的治理效果非常顯著。如圖1投置參數(shù)（左）投置后參數(shù)（右）為裝置治理前后的數(shù)據(jù)對比（部分配電系統(tǒng)沒有負(fù)載，有源濾波裝置無補(bǔ)償前后數(shù)據(jù)）。