有源濾波裝置在機場的應用

1、 引言

      隨著城市交通水平的提高，飛機作為一種便捷的交通方式給人們日常交通生活帶來了多樣化的選擇，隨之機場也在逐年擴建。但在機場的低壓配電系統中，存在著大量的諧波源，如機場助航燈、直流電機、電爐、軋機、電焊機等，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。這類負載產生的諧波，危及配電系統的正常運行，甚至引發嚴重的電氣事故。其中以機場助航燈光系統為例，助航燈光負載設備不斷增加，機場燈光站大量使用可控硅調光設備，導致產生大量的諧波電流，對電能質量造成污染，同時附加電流和額外的熱效應對各類電氣設備和電纜線路安全也造成一定危害。因此，對機場助航燈光站電力諧波問題進行分析與治理為重要。

2、 機場諧波的產生及危害

      電力系統諧波產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備。當電流流經非線性負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成了非正弦波電流，從而產生諧波。諧波污染越來越多地威脅到電力系統安全、穩定、經濟運行，給同一網絡的線性負載和其它用戶帶來了大影響。

      助航燈光站中的主要設備是控制助航燈光開／關和調節燈光亮度的調光器，采用可控硅斬波來調節輸出電壓，以達到輸出電流保持在規定值的目的，輸入的正弦波形經過可控硅斬波后變成非線性波形。調光器在調相變控恒流過程中產生了大量的諧波，對整個助航燈光系統造成污染，導致供電效率低。

助航燈光系統，在市電供電的運行時燈光系統運行平穩正常；但在柴油發電機供電時，系統出現明顯的電流電壓波動，當發電機供電時，由于柴油發電機無法提供全負荷運行所需的有功電能，因此調光器無法進行高光級下的電流控制和調節，嚴重情況下甚至可能會出現設備跳閘的現象，延誤飛機的正常運行。

3、 諧波評估標準

      為了限制諧波污染，保障公用電網的安全運行，IEEE 和IEC 從不同角度出發推出了相應的諧波標準，我國早于1993 年7 月31 日頒布了GB/T14549-1993《電能質量——公用電網諧波》國家標準，并于1994 年3 月1 日實施。制定標準的基本原則是限制諧波源注入電網的諧波電流及其在電網中產生的諧波電壓，防止其對電網中供電設備的干擾，保證電網的安全經濟運行；把電網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，保證供電質量，使接入電網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《電能質量 公用電網諧波》國標中，對諧波電壓畸變率的限值規定如表1所示：

4、 諧波治理方案選擇

      根據對機場助航燈光系統諧波參數的分析和國家諧波治理標準，我們對機場諧波抑制方案進行了選擇。

      目前電力系統諧波治理主要存在兩大主流方式：無源濾波技術和有源濾波技術。機場燈光站采用的大功率電力半導體調光設備，會產生大量高次諧波（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設計單諧振濾波器，設計參數要跟系統阻抗有關（計算系統阻抗很繁瑣，并且系統逐年擴建，系統阻抗也會變化）；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計諧振點偏移而達不到濾除目標諧波的目的；無源濾波系統適合負荷單一、穩定的場合。

      與無源濾波器相比，有源濾波系統具有高度可控性和快速響應性（≤1ms），能補償各次諧波，可抑制閃變、補償無功，有一機多能的特點；在性價比上較為合理；濾波特性不受系統阻抗的影響，可與系統阻抗發生諧振的危險；具有自適應功能，可自動跟蹤補償變化著的諧波。其基本原理是從諧波源（被補償對象）負載回路中檢測出諧波電流，由補償裝置產生一個與該諧波電流大小相等而相位相反的補償電流波形，用以抵消諧波源負載所產生的諧波電流，從而使電網側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的低壓配電系統而設計，該裝置濾波效率高、實時跟蹤、響應速度快特點，可濾除負載諧波，抑制系統振蕩，提高電網的穩定性，同時取得明顯的節能降耗和供電設備增容的效果。

5、ANAPF低壓有源濾波器在醫院建筑中的應用案例

    某機場供電系統的基本狀況如下：供電容量較大，供電電壓以110/10/0.4KV 等級為主，機場設備較多且分散，用電量大，部分為設備，負荷有一定沖擊性，供配電系統三相基本平衡，低壓部分進行了集中無功補償。

    以1#助航燈光站為例進行諧波分析，1#助航燈光站包括2臺500KVA變壓器和一臺150kVA柴油發電機備。主要用電設備為機場助航燈光設備。

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，以并聯方式接入電網，通過實時檢測負載的諧波和無功分量，采用PWM變流技術，從變流器中產生一個和當前諧波分量和無功分量對應的反向分量并實時注入電力系統，從而實現諧波治理和無功補償。

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、電流波形畸變嚴重，諧波治理后波形趨于正弦波，諧波治理的工作達到了預期的目標和效果；

（2）有源濾波器投入后功率因數波形畸變情況明顯，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：同種負載條件下，投入使用ANAPF有源濾波器后，電能質量的同時，又節省了電能；功率因數的大幅度提高，提升了變壓器、發電機的供電容量，從而解決了系統發電機帶全負荷運行時控制設備失調的問題。

5.3安裝要求

    ANAPF一般為標準柜式結構，安裝時應避免倒置或平放，外形尺寸由所選諧波補償電流值決定，平面布置形式一般由諧波電流補償點位置決定。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柜并列離墻布置，正面操作，雙面維護，背面維護通道不小于800mm。

2）靠墻安裝：ANAPF也可靠墻布置，正面操作，正面維護。

3）電氣設計人員在考慮系統接線及平面布置時應注意將ANAPF的補償接入點盡量靠近補償對象，并處于采樣CT的上游，或在末端預留空間供設計安裝，CT采樣處下游不能包含容性負荷。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根據設計要求的接地制式（TN-S、TN-C-S、TT等）嚴格做好相應的保護接零或保護接地。

5.4 有源濾波器報價及元件清單

6、 結論

    本文通過介紹機場助航燈光系統諧波源的產生及危害，對比有源濾波裝置和無源濾波裝置的方案，采用ANAPF有源濾波裝置對機場供電系統的電能治理，達到了國家相應的諧波標準，系統內電能質量得到很大地提高，減少了變壓器和線路的損耗，提升了變壓器、發電機的供電容量，從而解決了系統發電機帶全負荷運行時控制設備失調的問題。大大提高了機場運行的安全性和經濟性。

【參考文獻】

［1］ 上海安科瑞電氣股份有限公司產品手冊.2013.01.版

［2］ 民用機場助航燈光供電系統的電力諧波分析. 馮興學

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