有源濾波裝置在機(jī)場的應(yīng)用

1、 引言

      隨著城市交通水平的提高，飛機(jī)作為一種便捷的交通方式給人們?nèi)粘＝煌ㄉ顜砹硕鄻踊倪x擇，隨之機(jī)場也在逐年擴(kuò)建。但在機(jī)場的低壓配電系統(tǒng)中，存在著大量的諧波源，如機(jī)場助航燈、直流電機(jī)、電爐、軋機(jī)、電焊機(jī)等，這些諧波源具有電流畸變大、諧波頻譜范圍廣、無功需求變化快等特點(diǎn)。這類負(fù)載產(chǎn)生的諧波，危及配電系統(tǒng)的正常運(yùn)行，甚至引發(fā)嚴(yán)重的電氣事故。其中以機(jī)場助航燈光系統(tǒng)為例，助航燈光負(fù)載設(shè)備不斷增加，機(jī)場燈光站大量使用可控硅調(diào)光設(shè)備，導(dǎo)致產(chǎn)生大量的諧波電流，對電能質(zhì)量造成污染，同時附加電流和額外的熱效應(yīng)對各類電氣設(shè)備和電纜線路安全也造成一定危害。因此，對機(jī)場助航燈光站電力諧波問題進(jìn)行分析與治理為重要。

2、 機(jī)場諧波的產(chǎn)生及危害

      電力系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的根本原因是一些具有非線性伏安特性的輸配電和用電設(shè)備。當(dāng)電流流經(jīng)非線性負(fù)載時，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成了非正弦波電流，從而產(chǎn)生諧波。諧波污染越來越多地威脅到電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，給同一網(wǎng)絡(luò)的線性負(fù)載和其它用戶帶來了大影響。

      助航燈光站中的主要設(shè)備是控制助航燈光開／關(guān)和調(diào)節(jié)燈光亮度的調(diào)光器，采用可控硅斬波來調(diào)節(jié)輸出電壓，以達(dá)到輸出電流保持在規(guī)定值的目的，輸入的正弦波形經(jīng)過可控硅斬波后變成非線性波形。調(diào)光器在調(diào)相變控恒流過程中產(chǎn)生了大量的諧波，對整個助航燈光系統(tǒng)造成污染，導(dǎo)致供電效率低。

助航燈光系統(tǒng)，在市電供電的運(yùn)行時燈光系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)正常；但在柴油發(fā)電機(jī)供電時，系統(tǒng)出現(xiàn)明顯的電流電壓波動，當(dāng)發(fā)電機(jī)供電時，由于柴油發(fā)電機(jī)無法提供全負(fù)荷運(yùn)行所需的有功電能，因此調(diào)光器無法進(jìn)行高光級下的電流控制和調(diào)節(jié)，嚴(yán)重情況下甚至可能會出現(xiàn)設(shè)備跳閘的現(xiàn)象，延誤飛機(jī)的正常運(yùn)行。

3、 諧波評估標(biāo)準(zhǔn)

      為了限制諧波污染，保障公用電網(wǎng)的安全運(yùn)行，IEEE 和IEC 從不同角度出發(fā)推出了相應(yīng)的諧波標(biāo)準(zhǔn)，我國早于1993 年7 月31 日頒布了GB/T14549-1993《電能質(zhì)量——公用電網(wǎng)諧波》國家標(biāo)準(zhǔn)，并于1994 年3 月1 日實(shí)施。制定標(biāo)準(zhǔn)的基本原則是限制諧波源注入電網(wǎng)的諧波電流及其在電網(wǎng)中產(chǎn)生的諧波電壓，防止其對電網(wǎng)中供電設(shè)備的干擾，保證電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；把電網(wǎng)中的電壓總諧波畸變率及各次諧波含有率控制在允許的范圍內(nèi)，保證供電質(zhì)量，使接入電網(wǎng)中用戶的各種用電器具免受諧波的危害，保持正常工作。

在GB/T14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》國標(biāo)中，對諧波電壓畸變率的限值規(guī)定如表1所示：

4、 諧波治理方案選擇

      根據(jù)對機(jī)場助航燈光系統(tǒng)諧波參數(shù)的分析和國家諧波治理標(biāo)準(zhǔn)，我們對機(jī)場諧波抑制方案進(jìn)行了選擇。

      目前電力系統(tǒng)諧波治理主要存在兩大主流方式：無源濾波技術(shù)和有源濾波技術(shù)。機(jī)場燈光站采用的大功率電力半導(dǎo)體調(diào)光設(shè)備，會產(chǎn)生大量高次諧波（主要是3 倍次諧波以外的所有奇次諧波），而無源濾波器對每次諧波都要單獨(dú)設(shè)計(jì)單諧振濾波器，設(shè)計(jì)參數(shù)要跟系統(tǒng)阻抗有關(guān)（計(jì)算系統(tǒng)阻抗很繁瑣，并且系統(tǒng)逐年擴(kuò)建，系統(tǒng)阻抗也會變化）；無源濾波不能對諧波*，反而存在著放大諧振的危險；電容的老化也會使原來設(shè)計(jì)諧振點(diǎn)偏移而達(dá)不到濾除目標(biāo)諧波的目的；無源濾波系統(tǒng)適合負(fù)荷單一、穩(wěn)定的場合。

      與無源濾波器相比，有源濾波系統(tǒng)具有高度可控性和快速響應(yīng)性（≤1ms），能補(bǔ)償各次諧波，可抑制閃變、補(bǔ)償無功，有一機(jī)多能的特點(diǎn)；在性價比上較為合理；濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，可與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險；具有自適應(yīng)功能，可自動跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波。其基本原理是從諧波源（被補(bǔ)償對象）負(fù)載回路中檢測出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等而相位相反的補(bǔ)償電流波形，用以抵消諧波源負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流，從而使電網(wǎng)側(cè)電流只含有基波分量。

      ANAPF有源濾波裝置專門針對此類工況特點(diǎn)的低壓配電系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，該裝置濾波效率高、實(shí)時跟蹤、響應(yīng)速度快特點(diǎn)，可濾除負(fù)載諧波，抑制系統(tǒng)振蕩，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，同時取得明顯的節(jié)能降耗和供電設(shè)備增容的效果。

5、ANAPF低壓有源濾波器在醫(yī)院建筑中的應(yīng)用案例

    某機(jī)場供電系統(tǒng)的基本狀況如下：供電容量較大，供電電壓以110/10/0.4KV 等級為主，機(jī)場設(shè)備較多且分散，用電量大，部分為設(shè)備，負(fù)荷有一定沖擊性，供配電系統(tǒng)三相基本平衡，低壓部分進(jìn)行了集中無功補(bǔ)償。

    以1#助航燈光站為例進(jìn)行諧波分析，1#助航燈光站包括2臺500KVA變壓器和一臺150kVA柴油發(fā)電機(jī)備。主要用電設(shè)備為機(jī)場助航燈光設(shè)備。

5.1 ANAPF有源濾波裝置的工作原理

      ANAPF系列有源電力濾波裝置，以并聯(lián)方式接入電網(wǎng)，通過實(shí)時檢測負(fù)載的諧波和無功分量，采用PWM變流技術(shù)，從變流器中產(chǎn)生一個和當(dāng)前諧波分量和無功分量對應(yīng)的反向分量并實(shí)時注入電力系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)諧波治理和無功補(bǔ)償。

原理如下圖：

5.2 ANAPF有源濾波裝置投入前后對比

（1）有源濾波器投入前功率、電流波形畸變嚴(yán)重，諧波治理后波形趨于正弦波，諧波治理的工作達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)和效果；

（2）有源濾波器投入后功率因數(shù)波形畸變情況明顯，諧波治理前分別為-0.805，-1.000，-1.000，治理后分別為0.925,0.394,0.347。 

    從附圖的對比中可以看出：同種負(fù)載條件下，投入使用ANAPF有源濾波器后，電能質(zhì)量的同時，又節(jié)省了電能；功率因數(shù)的大幅度提高，提升了變壓器、發(fā)電機(jī)的供電容量，從而解決了系統(tǒng)發(fā)電機(jī)帶全負(fù)荷運(yùn)行時控制設(shè)備失調(diào)的問題。

5.3安裝要求

    ANAPF一般為標(biāo)準(zhǔn)柜式結(jié)構(gòu)，安裝時應(yīng)避免倒置或平放，外形尺寸由所選諧波補(bǔ)償電流值決定，平面布置形式一般由諧波電流補(bǔ)償點(diǎn)位置決定。其平面布置要求如下：

1）離墻安裝：正常情況下建議與低壓開關(guān)柜并列離墻布置，正面操作，雙面維護(hù)，背面維護(hù)通道不小于800mm。

2）靠墻安裝：ANAPF也可靠墻布置，正面操作，正面維護(hù)。

3）電氣設(shè)計(jì)人員在考慮系統(tǒng)接線及平面布置時應(yīng)注意將ANAPF的補(bǔ)償接入點(diǎn)盡量靠近補(bǔ)償對象，并處于采樣CT的上游，或在末端預(yù)留空間供設(shè)計(jì)安裝，CT采樣處下游不能包含容性負(fù)荷。平面布置示意如下圖：

                  變電所平面布置圖

4）ANAPF所有正常情況下不帶電的金屬外殼均應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求的接地制式（TN-S、TN-C-S、TT等）嚴(yán)格做好相應(yīng)的保護(hù)接零或保護(hù)接地。

5.4 有源濾波器報價及元件清單

6、 結(jié)論

    本文通過介紹機(jī)場助航燈光系統(tǒng)諧波源的產(chǎn)生及危害，對比有源濾波裝置和無源濾波裝置的方案，采用ANAPF有源濾波裝置對機(jī)場供電系統(tǒng)的電能治理，達(dá)到了國家相應(yīng)的諧波標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)內(nèi)電能質(zhì)量得到很大地提高，減少了變壓器和線路的損耗，提升了變壓器、發(fā)電機(jī)的供電容量，從而解決了系統(tǒng)發(fā)電機(jī)帶全負(fù)荷運(yùn)行時控制設(shè)備失調(diào)的問題。大大提高了機(jī)場運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

【參考文獻(xiàn)】

［1］ 上海安科瑞電氣股份有限公司產(chǎn)品手冊.2013.01.版

［2］ 民用機(jī)場助航燈光供電系統(tǒng)的電力諧波分析. 馮興學(xué)

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