有源濾波器在機(jī)場助航燈光系統(tǒng)中的諧波分析與治理方案_百

1、周潔江蘇安科瑞電器制造有限公司,江蘇 江陰2144050引言機(jī)場助航燈光系統(tǒng)是目視助航設(shè)施中一個(gè)非常重要的組成部分,它通過高(中 光強(qiáng)不同顏色的燈光系列, 勾勒出一個(gè)機(jī)場的跑道、 滑行道及進(jìn)近區(qū)域的主要特 征, 在夜間或能見度不好的情況下提供飛機(jī)駕駛員一個(gè)明確的目視信息。 助航燈 光系統(tǒng)的供電等級屬于一級負(fù)荷中的特別重要負(fù)荷,關(guān)系到飛機(jī)的安全運(yùn)行, 通 常在跑道附近的安全區(qū)域內(nèi)設(shè)置一座或兩座燈光變電站, 專供燈光及導(dǎo)航設(shè)備用 電。 各種類型的助航燈具設(shè)置在跑道和滑行道上或道肩上, 屬于場外燈具, 供電 線路較長, 國際民航組織推薦使用串聯(lián)的供電方式, 為保證在串聯(lián)電路供電的情 況下, 有個(gè)別燈

2、具故障而不至于造成整個(gè)回路中所有燈具都不亮, 每個(gè)燈具前必 須設(shè)置隔離變壓器。 同時(shí), 燈光系統(tǒng)要求采用三至五級的調(diào)光, 其調(diào)光器以可控 硅為主。因此,在燈光系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過程中,會產(chǎn)生大量的諧波。1諧波的危害隨著科技的進(jìn)步, 技術(shù)的發(fā)展, 節(jié)能和自動化設(shè)備的應(yīng)用越來越廣, 容量也日益 擴(kuò)大, 雖然這些設(shè)備能起到很大一部分節(jié)能降耗的作用, 但是其產(chǎn)生的諧波對電 網(wǎng)的污染, 以及電磁干擾等, 可能會進(jìn)一步影響系統(tǒng)中的其他用電設(shè)備, 也帶來 了危害。供電系統(tǒng)諧波的定義是:對周期性交流量進(jìn)行傅立葉級數(shù)分解, 得到頻率為基波 頻率大于1整數(shù)倍的分量。 諧波頻率與基波頻率的比值 (n=fn/f1稱為諧波

3、次數(shù)。 電網(wǎng)中有時(shí)也存在非整數(shù)倍諧波,稱為非諧波(Non-harmonics或分?jǐn)?shù)諧波。 諧 波實(shí)際上是一種干擾量,使電網(wǎng)受到“污染”。 向公用電網(wǎng)注入諧波電流或在 公用電網(wǎng)上產(chǎn)生諧波電壓的電氣設(shè)備稱為諧波源。電網(wǎng)中的諧波污染日益嚴(yán)重, 給電力系統(tǒng)和各類用電設(shè)備帶來危害, 諧波會增加 電氣設(shè)備的熱損耗,如對變壓器來說,鐵芯產(chǎn)生熱損耗,尤其是渦流損耗大, 在 變壓器繞組中有諧波電流, 在鐵芯中感應(yīng)磁通, 產(chǎn)生鐵損。 諧波還會干擾電子設(shè) 備, 使信息發(fā)生失真, 可對信息系統(tǒng)產(chǎn)生頻率藕合干擾。 諧波電流在高壓架空線 路上的流動除增加線路損耗外, 還將對相鄰的通訊線路產(chǎn)生干擾影響。 諧波輕則 增加能耗

4、, 縮短設(shè)備壽命, 影響系統(tǒng)的運(yùn)行效率, 重則損壞設(shè)備, 造成用電事故, 甚至危害電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。 因此, 消除諧波污染, 把諧波含量控制在允許范 圍內(nèi)是非常有必要的。2助航燈光產(chǎn)生的諧波分析目前,電力系統(tǒng)中的諧波源,不但類型多,而且分布廣,用戶電網(wǎng)中的諧波電流 可能來自本身的非線性設(shè)備, 也可能來自外部線路, 具有非線性特性的電氣設(shè)備 是主要的諧波源,例如帶有功率電子器件的變流設(shè)備,交流控制器、變壓器、 晶 閘管串級調(diào)速的風(fēng)機(jī)水泵和冶煉電弧爐等。如不加以區(qū)分將給諧波治理造成困難。在機(jī)場助航燈光系統(tǒng)中, 為了達(dá)到有效的調(diào)光效果, 目前世界上通常采用可控硅 恒流調(diào)光器(CCR 。恒流調(diào)光器的

5、工作原理是:用反并聯(lián)的可控硅調(diào)節(jié)器,對一 臺升壓變壓器進(jìn)行供電。 由一個(gè)數(shù)字調(diào)節(jié)器確定可控硅導(dǎo)通角, 以便將輸出電流 調(diào)整到一個(gè)基準(zhǔn)值。 該基準(zhǔn)值隨著所選定的光級而變化。 在此前提條件下, 恒流 調(diào)光器的輸出電流要求保證為一個(gè)恒定值, 一級光為2.8A, 二級光為3.4A, 三級 光為4.1A, 四級光為5.2A, 五級光為6.6A。 恒流調(diào)光器的功能還在于當(dāng)負(fù)荷在二 分之一額定負(fù)荷到滿負(fù)荷的范圍內(nèi)變化,在30%的隔離變壓器次級開路的情況下 維持恒定的電流輸出, 變化不大于正負(fù)2%。 這個(gè)可控硅調(diào)節(jié)器和升壓變壓器就是 助航燈光的主要諧波源。在進(jìn)行諧波治理之前, 必須要了解電網(wǎng)中諧波的次數(shù)及其含

6、量, 即必須進(jìn)行諧波 的測試。 諧波測量是諧波問題的一個(gè)重要環(huán)節(jié), 它也是諧波問題研究的主要依據(jù)。 我們在上海虹橋機(jī)場東跑道北燈光站進(jìn)行了諧波檢測。 針對北燈光站兩臺變壓器 的低壓進(jìn)線側(cè)、 跑道邊燈回路2、 滑行道中線燈回路3的調(diào)光器進(jìn)線側(cè)進(jìn)行了電能 質(zhì)量等各項(xiàng)數(shù)據(jù)的測量和采集。 (測量點(diǎn)位見圖1圖1測量點(diǎn)位簡圖具體測量情況如下:測量點(diǎn)1:北燈光站進(jìn)線乙的變壓器低壓側(cè),電容柜投切前后,實(shí)時(shí)測量 1級 光至 5級光時(shí)的情況;測量點(diǎn)2:滑行道中線燈回路 3調(diào)光器進(jìn)線側(cè), 實(shí)時(shí)測量 1級光至5級光的情 況;測量點(diǎn)3:北燈光站進(jìn)線甲的變壓器低壓側(cè),電容柜投切前后,實(shí)時(shí)測量 1級 光至 5級光的情況;測

7、量點(diǎn)4:跑道邊燈回路2調(diào)光器的進(jìn)線側(cè), 實(shí)時(shí)測量 1級光至 5級光的情況; 1主要諧波源調(diào)光器(以測量點(diǎn)1為例電壓波形 電流波形A 相電壓、電流對比波形 B 相電壓、電流對比波形 C 相電壓、電流對比波形 諧波柱狀分布圖從上圖的對比中可以看出:電壓波形畸變很小,而電流波形畸變率非常嚴(yán)重, 這 是由于大量高次諧波疊加導(dǎo)致正弦波出現(xiàn)嚴(yán)重畸變。從諧波柱狀分布圖可知可控硅恒流調(diào)光器諧波電流的頻譜范圍很寬, 除3、5、 7、 9、11和13次以外,還存在15、17、19、25、29、31和34次等更高次諧波。 電容柜切除情況下的數(shù)據(jù)匯總見表1 表一:測量數(shù)據(jù)匯總(切除電容柜數(shù)據(jù)3治理措施3.1諧波治理方

8、案的選擇從上述系統(tǒng)配電簡圖及測量數(shù)據(jù)表明:北燈光站1#、 2#變壓器供電系統(tǒng)的電能質(zhì) 量問題相當(dāng)突出, 其中首要問題是諧波污染非常嚴(yán)重, 并且功率因數(shù)很低。 由于 變壓器下主要負(fù)載可控硅調(diào)光器為典型的非線性諧波源, 該裝置在調(diào)光過程中造 成大量的諧波污染,同時(shí)電流也嚴(yán)重滯后于電壓,功率因數(shù)非常低;其次,調(diào)光 器要求采用兩相供電方式(AB相、BC 相、CA 相 ,這將導(dǎo)致嚴(yán)重的三相不平衡, 在快速頻繁的電容柜投切過程中導(dǎo)致電壓、電流波動和大量的無功功率沖擊, 同 時(shí)對系統(tǒng)諧波有明顯的放大作用, 進(jìn)一步影響供配電系統(tǒng)的安全可靠性, 對整個(gè) 助航燈光系統(tǒng)的運(yùn)行存在安全隱患。這些問題也長期困擾著我們設(shè)

9、計(jì)和管理人 員。因此,采用諧波治理裝置提高系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性,通過治理消除系統(tǒng)諧波, 同時(shí)提高功率因數(shù)和改善系統(tǒng)三相不平衡等主要電能質(zhì)量問題已迫切需要。合理設(shè)計(jì)和選擇濾波器, 并正確地安裝和使用濾波器, 是抑制諧波干擾的重要環(huán) 節(jié)。通常有以下幾種方法:1有源電力濾波器(APF工作原理:有源濾波器是由電力電子元件和 DSP 等構(gòu)成的電能變換設(shè)備, 檢測負(fù) 載側(cè)的諧波電流后, 利用瞬時(shí)提取的無功成分和諧波成分作為參考值, 主動提供 與之相對應(yīng)的反向補(bǔ)償電流,補(bǔ)償后系統(tǒng)剩下的基波有功電流幾乎為純正弦波, 其行為模式為主動式電流源輸出。特點(diǎn):實(shí)時(shí)產(chǎn)生幅值相等、 相位相反的諧波電流抵消需要治理的諧波。 可

10、實(shí)時(shí)動 態(tài)濾波各次諧波,不受負(fù)載變化影響,理論濾波率大于97%。2無源電力濾波器(PF工作原理:由 LC 等元件組成,將其設(shè)計(jì)為某頻率下極低阻抗,對相應(yīng)頻率諧波 電流進(jìn)行分流, 其行為模式為提供某幾次的諧波電流旁路通; 電容器和電抗器串 聯(lián)成需治理諧波的低阻抗“陷阱”。特點(diǎn):只能濾除固定幾次諧波,進(jìn)行靜態(tài)治理,負(fù)載率較小的情況下,會出現(xiàn)過 補(bǔ)現(xiàn)象,易與電網(wǎng)發(fā)生諧振,理論濾波率小于70%。根據(jù)現(xiàn)場測量結(jié)果,北燈光站變壓器低壓出線側(cè)的諧波相當(dāng)大、頻譜非常寬, 同 時(shí)負(fù)載率變化范圍大且存在部分三相不平衡, 因而不適合采用無源濾波器進(jìn)行治 理, 并且存在很大的諧振風(fēng)險(xiǎn)。 有源濾波器專門針對此類工況特點(diǎn)

11、的低壓配電系 統(tǒng)而設(shè)計(jì),該裝置濾波效率高、實(shí)時(shí)跟蹤、響應(yīng)速度快特點(diǎn),可高效濾除負(fù)載諧 波, 抑制系統(tǒng)振蕩, 提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性, 同時(shí)取得明顯的節(jié)能降耗和供電設(shè)備增 容的效果。3.2諧波治理方案安科瑞 ANAPF 系列有源電力濾波器, 以并聯(lián)方式接入電網(wǎng), 通過實(shí)時(shí)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(gè)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(shí)注入電力系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)諧波治理和無功補(bǔ)償, 如 圖2所示:圖2ANAPF 有源電力濾波器原理圖(1集中治理適用于單臺設(shè)備諧波含量小,但數(shù)量龐大、布局分散的場合,比如辦公大樓(個(gè)人電腦、節(jié)能燈、變頻空調(diào)、電梯等，雖然單臺設(shè)備的電流小，諧波含量低， 但整棟大樓的電流大，諧波電流也大，如圖3所示： 圖3 集中治理 （2）局部治理 適用于諧波源集中在某一條或幾條饋出支路的配電系統(tǒng)，比如醫(yī)院的精密儀器、 UPS 電源等，雖然單臺設(shè)備的電流小，諧波含量低，但為防止其他設(shè)備產(chǎn)生的諧 波對其干擾，采用局部