ABB PQF 有源动态滤波器提高系统性能和效率
供稿：ABB过程自动化事业部
- 关键词：ABB,PQF,有源动态滤波器,电能质量
- 摘要：Kurt Schipman, Francois Delincé – 非线性负载在各工商业应用中的使用正逐渐增加，这会导致具有潜在危害的电流谐波进入电网。
Kurt Schipman, Francois Delincé – 非线性负载在各工商业应用中的使用正逐渐增加，这会导致具有潜在危害的电流谐波进入电网，可能造成电缆、电机和变压器过热、损害敏感设备、断路器跳闸，保险丝烧断以及设备过早老化等问题。ABB PQF 有源动态滤波器便是解决这一问题最可靠和高效的解决方案。它可以通过实时监控电流以分析各次谐波的污染情况，然后向电网中注入大小相等、方向相反的谐波电流以滤除设定的目标谐波，这两个谐波电流互相抵消，使馈电变压器出线侧电流呈现出平滑的正弦波状态。
电网中的电能质量差可能导致财产损失、影响环境或安全问题。造成电能质量差的主要原因有三个：
— 谐波污染
— 负载不平衡造成电压不稳
— 无功功率
这些条件如果超过一定限度，就会导致设备故障频发、设备使用周期缩短、产量降低、设备安全系数降低、碳排放增加、不符合电力局规范以及其它不良影响。除财产损失外，一些电网的典型组件（变压器、电缆和电机）中的额外有功功率损耗还会增加其他成本，这些损失最后都由电力局承担，且发电过程所需的燃料还造成了二氧化碳排放增加。例如，核电厂生产每千瓦时电几乎不会产生二氧化碳，而煤电厂生产的每千瓦时电大约会产生 900—1000克二氧化碳。
如果电能质量差而导致生产停止，就会造成巨大损失。表 ➔ 1 显示了不同行业中，供电系统出现电能质量事故（电力中断）造成的财产损失情况。表中标有 (*) 的数据基于欧洲铜业协会（ECI）2002 年在欧洲范围内进行的电能质量调查，其它信息则基于 ABB 数据。
从理论上来说，使用 IEEE C57.110 标准[2]可以计算出变压器因为谐波而带来的额外损耗。计算结果虽然受到实际因素的影响，但可以清楚的是，损失迅速累积。
目前，大部分谐波污染都是指单个设备负载产生的谐波电流。这种谐波电流被注入电网后，通过阻抗转化为谐波电压（欧姆定律），然后会污染用户所有的设备负载。此外，某一低压侧产生的谐波电流，如果没有过滤，还会流经馈电变压器进入电力系统中，并在公共电网上产生谐波电压失真。因此，在同一个电力系统中，一个用户制造的污染可能会影响到其他用户。这将导致电网中的其他设备可能因为谐波而出现运行故障。
为了避免此类问题的发生，许多电力局已经采纳和严格遵守相关电能质量标准和法规。如不遵守这些法规，用户的新设备将不再被允许连接。
解决谐波污染和负载不平衡问题
历史上，曾建议使用过无源滤波器减少谐波污染。
在低压 (LV) 设备中，已经很少使用这种解决方案，因为:
—低压设备是动态的，会很快造成无源滤波器超载
—现代负载（如变频器、现代照明系统）已有很好的功率因数（甚至可能是电容性的），安装无源滤波器时，会导致过度补偿。加之备用发电机的能力有限，在电容性功率因数上运行，会降低设备的可靠性。
—安装在低压装置上的无源滤波器通常只能够处理低频次谐波。但是，目前问题通常出现在设备中的高频谐波上。
—无源滤波器的滤波效率由无源滤波器阻抗和电网滤波器阻抗的比例决定，因此无法保证。使用无源滤波器保证符合规定几乎不可能。
基于这些原因，摆脱无源滤波解决方案成为全球趋势，因此在低压和中压应用中采用有源滤波解决方案。
最常见的有源滤波器是以电力电子为基础的电力设备，并联安装于馈电母线上以滤除电网中非线性负载所产生谐波污染。
ABB PQF （有源滤波器）控制器不仅能够分析电流谐波污染情况，而且能根据客户需求自动调整滤波功能，PQF通过产生一个大小相等、方向相反的谐波电流（补偿电流）以抵消系统中的谐波电流。
由于 PQF 没有按照无源滤波器采用的传统低谐波阻抗原则进行操作，因此它不受电网参数变化影响，也不会超载。此外，与无源滤波装置相比，有源装置更易扩展。
为了在滤波器频谱中获得优良性能，PQF采用了下面两种重要的控制方法：
— 使用闭环控制系统
— 适用于处理和控制污染电流的频域分析法。
对于有源滤波器来说，有源滤波器测量电流互感器（CTs）安装位置有闭环和开环两种方式。
在闭环系统中，PQF通过电流互感器检测负载和滤波器连接点上游的电流，然后采取纠正措施。闭环系统可以自动修正任何测量误差或其他误差。在开环系统中，电流互感器只检测负载电流，滤波器通过驱动绝缘栅双极晶体管（IGBT）桥以产生的反向电流进行补偿。由于不存在反馈，由此产生的线电流可能含有错误成分，而控制系统则监测不到。
总之，相比于开环控制系统，闭环控制系统的优势包括：
—在应对外部干扰的过程中，闭环控制系统能够消除控制回路和执行单元中的误差。开环控制系统则不具备这一能力。
—如果要优化控制回路参数，闭环控制系统可以像开环控制系统一样反应迅速。
与时域方法相比，频域方法更受欢迎，下面列出了其中的原因。
在时域方法中，将测量到的电流信号剔除基波成分，然后将剩余的波形倒转，由此产生的信号驱动有源滤波器的绝缘栅双极晶体管（IGBT）桥。但这种方法忽略了一个事实，就是对于不同频率、不同 CT 特征和控制系统来说，电网特征是不同的。使用这种控制方法，随着频率增加，有源滤波器的性能逐渐下降。在频域方法中，每次谐波及其相应的系统特性都单独处理，并且可以优化滤波带宽中各次谐波的滤波效果。因此频域法可以保证稳定的（高的）滤波性能。频域滤波法的原理请参见➔ 4。
使用闭环控制系统和独立频域法的有源滤波器，可获得最佳滤波性能。这种滤波器的其他优点包括：
— 可根据用户要求预设每次谐波限制（如符合标准要求）。
— 可独立选择各次谐波，优化使用滤波器容量（如果某次谐波已经被另一个现有的滤波装置滤除，就无需过滤该次谐波）。
— 可设置精确功率因数目标值，并保证功率因数值维持不变。在某些特殊场合需要保证功率因数稳定，以避免电网中的干扰（如发电机跳闸），在这种情况下，就需要使用有源滤波器实现此功能。ABB 有源动态滤波器能够给电感性负载和电容性负载提供补偿。
— 可实现精准的负载平衡功能，降低中性线上的电流压力，确保中性点接地电压保持在最低水平。此外，还可确保 UPS 等系统的输出侧电流平衡，以保证供电设备不会因为负载电流不平衡而跳闸。图➔ 5是闭环控制 的ABB PQF 有源动态滤波器实现负载电流平衡的一个实例。
除丰富的功能之外，包括 ABB 有源动态滤波器在内的更先进有源滤波器可以将设备运行损失降到最低，为系统增加更多可靠性。一些有价值的辅助功能（如自动降容功能）为此发挥了相应的作用。
现场效果
ABB PQF 有源动态滤波器和其它 ABB 电能质量设备应用于多个领域。
例如，一个油田开采设施通常采用一个中央发电站，为许多泵组供电。其中大量负载由交流传动控制。总共大约有 40 个泵组，每个泵组负载是 2 兆瓦。如果不使用有源滤波器，集群低压端总谐波电压畸变率（THDV）大约为 12%，总谐波电流畸变率（THDI）等于 27%➔ 6.。
如果使用有源滤波器，总谐波电压畸变率（THDV）减少到 2%，总谐波电流畸变率（THDI）为 3%➔ 7