浅谈有源滤波器在水泥生产线中的应用

浅谈有源滤波器在水泥生产线中的应用

赵龙

（合肥水泥研究设计院有限公司230051）

摘要：有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，其应用可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点。

关键词：滤波；干扰；谐波

随着大量具有非线性特性的电力设备投入运行，电力系统中的谐波污染变得越来越严重，谐波治理已成为人们必须解决的重要问题之一。对于传统的水泥企业，属于高耗能型生产企业，鉴于目前日益激烈的竞争形势，水泥企业的运行成本的高低决定了水泥企业在市场竞争的地位，其中如何降低水泥生产各个工段的电耗即是降低运行成本的手段之一。在水泥生产过程中，电能消耗非常大，电费在水泥生产成本中占了很大的比例。水泥生产线从原料处理、均化烧成、熟料冷却、水泥粉磨系统的各工段工艺设备配置中，风机设备则占很大一部分。所以风机的电耗直接影响到水泥企业的生产成本。因此变频器的节能优势使得其在水泥企业中应用日益广泛，但变频器使用，使得电网中的高次谐波污染越来越严重。

一、谐波产生的原因和危害

在水泥供配电系统中，存在各种类型的谐波源，它们以不同的方式向电力系统注入谐波。如直流电动机、变频器、整流设备、UPS电源、电子调速装置、荧光灯系统、计算机等，以变频器为例，在变频器中大量使用了晶闸管等非线性电力电子元件，不管采用哪种整流方式，变频器从电网中吸取能量的方式均不是连续的正弦波，而是以脉动的断续方式向电网索取电流，这种脉动电流和电网的沿路阻抗共同形成脉动电压降叠加在电网的电压上，使电压发生畸变，产生了5、7次等6n±1次谐波，从而造成相当严重的谐波污染，使电能质量明显下降。这些谐波则会对电网的设备产生危害：

1、对变压器的危害

谐波会导致变压器噪声增大，由于电流的趋肤效应，会使变压器增加铜损；高频涡流会使变压器增加铁损，变压器发热量增加并影响其输出功率，造成容量裕度减小，严重时甚至会烧毁变压器。

2、对电动机的危害

谐波电压在电动机短路阻抗上产生的谐波电流和电动机负序基波电流一起使设备产生附加铜耗和铁耗，引起电机发热，甚至烧毁，并且在电动机起动时容易发展成脉动干扰力矩，这些力矩产生较大的噪声。谐波电流和负序基波电流有效值之和一般不得大于电动机额定电流的5%～10%。

3、对通信的危害

高频谐波会使电子设备误动、拒动或产生无故障跳闸，干扰电子设备对信号识别的准确性，影响各种计量仪表的显示精度，还会影响监控等设备的正常工作，造成断路器的拒动或误动，出现无故障停机。

4、对无功补偿装置的危害

谐波可使电容器介质损耗增加、发热和寿命缩短；大量吸收谐波会导致电容器过流，引起熔丝熔断；电容器与电网电感形成串联谐振回路，能导致谐波的放大、电容烧毁等。在畸变电压下电容器的电流有效值为：规程规定电容器长期工作电流不得超过1.3倍额定电流。位于谐波源附近的电容器或者滤波电容器通常按较高的电流有效值特殊制造。

二、谐波治理方案

下面就是以变频器使用较多的一段母线为例，介绍有源滤波器的应用。

如上图所示，对低压设备供电选用的是一台S11M-1000/10/0.4DYn11的电力变压器，变压器一次与二次侧均采用电缆方式进、出线。在低压400V母线上设置一套150kVar低压电容器无功补偿装置进行低压集中补偿，设备配套低压动力柜直接挂在变压器低压侧母排上，有源滤波器则安装于变压器低压侧主分配母线处。

有源滤波器由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。通过安装在母线上的外部电流互感器CT，实时检测负载电流，并通过内部DSP计算，提取出负载电流的谐波成分。然后通过PWM信号发送给内部IGBT，控制逆变器产生一个和负载谐波大小相等、方向相反的电流注入到电网中补偿谐波电流，实现滤波功能。

项目中在此段母线我们选用了一套型号为KDAPF-A-200-4有源滤波器，通过计算谐波电流：

ITHD=STx0.15xK1xK2

ITHD：谐波电流，单位：A。

ST：变压器额定容量，单位：kVA。

K1：负荷率，亦即计算负荷占变压器额定容量的比例，通常在0.5~0.7之间。

K2：补偿系数，通常在0.5~2.0之间。

ST变压器额定容量为1000kVA，负荷率K1为0.7，补偿系数K2取1.7。则ITHD=1000x0.15x0.7x1.7=178.5A。

根据所计算的系统谐波电流值，选择了匹配的有源滤波器KDAPF-A-200-4。

三、结束语

因此有源滤波器作为水泥企业消除变频器带来的电网谐波污染，改善电能质量的有效手段，越来越受到国内水泥企业的信赖。