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有源濾波器在機場助航燈光系統(tǒng)中的諧波分析與治理方案

更新時間：2014-04-02

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蔡舒韜

安科瑞電氣股份有限公司，上海嘉定，201801

0　引言

機場助航燈光系統(tǒng)是目視助航設(shè)施中一個非常重要的組成部分，它通過高（中）光強不同顏色的燈光系列，勾勒出一個機場的跑道、滑行道及進近區(qū)域的主要特征，在夜間或能見度不好的情況下提供飛機駕駛員一個明確的目視信息。助航燈光系統(tǒng)的供電等級屬于一級負荷中的特別重要負荷，關(guān)系到飛機的安全運行，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，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，民航組織*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，有個別燈具故障而不至于造成整個回路中所有燈具都不亮，每個燈具前必須設(shè)置隔離變壓器。同時，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)的實際運行過程中，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) 稱為諧波次數(shù)。電網(wǎng)中有時也存在非整數(shù)倍諧波，稱為非諧波（Non-harmonics)或分數(shù)諧波。諧波實際上是一種干擾量，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，縮短設(shè)備壽命，影響系統(tǒng)的運行效率，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。

在機場助航燈光系統(tǒng)中，為了達到有效的調(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行供電。由一個數(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)整到一個基準值。該基準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)負荷在二分之一額定負荷到滿負荷的范圍內(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2%。這個可控硅調(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)及其含量，即必須進行諧波的測試。諧波測量是諧波問題的一個重要環(huán)節(jié)，它也是諧波問題研究的主要依據(jù)。我們在上海虹橋機場東跑道北燈光站進行了諧波檢測。針對北燈光站兩臺變壓器的低壓進線側(cè)、跑道邊燈回路2、滑行道中線燈回路3的調(diào)光器進線側(cè)進行了電能質(zhì)量等各項數(shù)據(jù)的測量和采集。（測量點位見圖1）

圖1 測量點位簡圖

具體測量情況如下：

測量點1 ：北燈光站進線乙的變壓器低壓側(cè)，電容柜投切前后，實時測量 1 級光至 5 級光時的情況；

測量點2 ：滑行道中線燈回路 3 調(diào)光器進線側(cè)，實時測量 1 級光至5 級光的情況；

測量點3 ：北燈光站進線甲的變壓器低壓側(cè)，電容柜投切前后，實時測量 1 級光至 5 級光的情況；

測量點4 ：跑道邊燈回路2 調(diào)光器的進線側(cè)，實時測量 1 級光至 5 級光的情況；

1）主要諧波源——調(diào)光器（以測量點1為例）

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重，這是由于大量高次諧波疊加導(dǎo)致正弦波出現(xiàn)嚴重畸變。

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重，并且功率因數(shù)很低。由于變壓器下主要負載可控硅調(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，同時電流也嚴重滯后于電壓，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，同時對系統(tǒng)諧波有明顯的放大作用，進一步影響供配電系統(tǒng)的安全可靠性，對整個助航燈光系統(tǒng)的運行存在安全隱患。這些問題也*困擾著我們設(shè)計和管理人員。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，檢測負載側(cè)的諧波電流后，利用瞬時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)的反向補償電流，補償后系統(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：實時產(chǎn)生幅值相等、相位相反的諧波電流抵消需要治理的諧波�？蓪崟r動態(tài)濾波各次諧波，不受負載變化影響，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)計為某頻率下極低阻抗，對相應(yīng)頻率諧波電流進行分流，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：只能濾除固定幾次諧波，進行靜態(tài)治理，負載率較小的情況下，會出現(xiàn)過補現(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，同時負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行治理，并且存在很大的諧振風(fēng)險。有源濾波器專門針對此類工況特點的低壓配電系統(tǒng)而設(shè)計，該裝置濾波效率高、實時跟蹤、響應(yīng)速度快特點，可濾除負載諧波，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。

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)，通過實時檢測負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)的反向分量并實時注入電力系統(tǒng)，從而實現(xiàn)諧波治理和無功補償，如圖2所示：

　　圖2 ANAPF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，采用局部諧波補償，如圖4所示：

圖4 局部治理

（3）就地治理

適用于諧波源比較明確且單臺設(shè)備諧波含量較大的配電系統(tǒng)，比如大型商業(yè)區(qū)的景觀照明、影劇院的可控硅調(diào)光設(shè)備、工業(yè)區(qū)的變頻器調(diào)速設(shè)備等，單臺設(shè)備電流大、諧波含量高、諧波電流大，為防止諧波電流影響其他用電設(shè)備，采用就地治理，如圖5所示：

圖5 就地治理

3.3 主要設(shè)備清單

4　結(jié)語

動態(tài)有源濾波器可實時動態(tài)過濾各次諧波，不受負載變化影響，可以在諧波源處安裝，也可以在變電站集中治理，安裝方便，能耗小，效率高，并具備無功補償和三相平衡功能，大大改善了功率因數(shù)。

安裝動態(tài)有源濾波器后，燈光站的各級諧波分量均低于3％，滿足了公共電網(wǎng)接入點（PCC）的總諧波限值要求，各項指標符合《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》的國家標準，避免了集中諧波源設(shè)備之間的相互干擾和影響，從而保證調(diào)光器負載、內(nèi)部供電系統(tǒng)的正常連續(xù)運行。治理效果較好，改善了供電質(zhì)量，達到了預(yù)期的治理目標。

參考文獻

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[2] 柴潔瓊.機場助航燈光系統(tǒng)中諧波的分析與治理[J].電氣應(yīng)用，2013(16)

[3] 《民用機場飛行區(qū)技術(shù)標準》（MH5001-2006)

[4] 《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》 GB/T 14549-93

作者簡介：

蔡舒韜，女，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為電力電子及諧波治理，: 2880157861 15106209610