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有源濾波器在機場助航燈光系統中的諧波分析與治理方案

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前言

機場助航燈光系統是目視助航設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。助航燈光系統的供電等級屬于一級負荷中的特別重要負荷,關系到飛機的安全運行,通常在跑道附近的安全區域內設置一座或兩座燈光變電站,專供燈光及導航設備用電。各種類型的助航燈具設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的供電方式,為保證在串聯電路供電的情況下,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,每個燈具前必須設置隔離變壓器。同時,燈光系統要求采用三至五級的調光,其調光器以可控硅為主。因此,在燈光系統的實際運行過程中,會產生大量的諧波。

諧波的危害

隨著科技的進步,技術的發展,節能和自動化設備的應用越來越廣,容量也日益擴大,雖然這些設備能起到很大一部分節能降耗的作用,但是其產生的諧波對電網的污染,以及電磁干擾等,可能會進一步影響系統中的其他用電設備,也帶來了危害。

供電系統諧波的定義是:對周期性交流量進行傅立葉級數分解,得到頻率為基波頻率大于1整數倍的分量。諧波頻率與基波頻率的比值(n=fn/f1) 稱為諧波次數。電網中有時也存在非整數倍諧波,稱為非諧波(Non-harmonics)或分數諧波。諧波實際上是一種干擾量,使電網受到“污染”。 向公用電網注入諧波電流或在公用電網上產生諧波電壓的電氣設備稱為諧波源。電網中的諧波污染日益嚴重,給電力系統和各類用電設備帶來危害,諧波會增加電氣設備的熱損耗,如對變壓器來說,鐵芯產生熱損耗,尤其是渦流損耗大,在變壓器繞組中有諧波電流,在鐵芯中感應磁通,產生鐵損。諧波還會干擾電子設備,使信息發生失真,可對信息系統產生頻率藕合干擾。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生干擾影響。諧波輕則增加能耗,縮短設備壽命,影響系統的運行效率,重則損壞設備,造成用電事故,甚至危害電力系統的安全運行。因此,消除諧波污染,把諧波含量控制在允許范圍內是非常有必要的。

助航燈光產生的諧波分析

目前,電力系統中的諧波源,不但類型多,而且分布廣,用戶電網中的諧波電流可能來自本身的非線性設備,也可能來自外部線路,具有非線性特性的電氣設備是主要的諧波源,例如帶有功率電子器件的變流設備,交流控制器、變壓器、晶閘管串級調速的風機水泵和冶煉電弧爐等。如不加以區分將給諧波治理造成困難。在機場助航燈光系統中,為了達到有效的調光效果,目前世界上通常采用可控硅恒流調光器(CCR)。恒流調光器的工作原理是:用反并聯的可控硅調節器,對一臺升壓變壓器進行供電。由一個數字調節器確定可控硅導通角,以便將輸出電流調整到一個基準值。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。恒流調光器的功能還在于當負荷在二分之一額定負荷到滿負荷的范圍內變化,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%。這個可控硅調節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,必須要了解電網中諧波的次數及其含量,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節,它也是諧波問題研究的主要依據。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、跑道邊燈回路2、滑行道中線燈回路3的調光器進線側進行了電能質量等各項數據的測量和采集。(測量點位見圖1)

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,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 調光器進線側,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,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 調光器的進線側,實時測量 1 級光至 5 級光的情況;

圖2 電壓波形電流波形

圖3 A相電壓電流對比波形和B相電壓電流對比波形

圖4 C 相電壓、電流對比波形與諧波柱狀分布圖

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重,這是由于大量高次諧波疊加導致正弦波出現嚴重畸變。

諧波治理方案的選擇

從上述系統配電簡圖及測量數據表明:北燈光站1#、2#變壓器供電系統的電能質量問題相當突出,其中首要問題是諧波污染非常嚴重,并且功率因數很低。由于變壓器下主要負載可控硅調光器為典型的非線性諧波源,該裝置在調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,功率因數非常低;其次,調光器要求采用兩相供電方式(AB相、BC相、CA相),這將導致嚴重的三相不平衡,在快速頻繁的電容柜投切過程中導致電壓、電流波動和大量的無功功率沖擊,同時對系統諧波有明顯的放大作用,進一步影響供配電系統的安全可靠性,對整個助航燈光系統的運行存在安全隱患。這些問題也長期困擾著我們設計和管理人員。因此,采用諧波治理裝置提高系統的安全穩定性,通過治理消除系統諧波,同時提高功率因數和改善系統三相不平衡等主要電能質量問題已迫切需要。合理設計和選擇濾波器,并正確地安裝和使用濾波器,是抑制諧波干擾的重要環節。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等構成的電能變換設備,檢測負載側的諧波電流后,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的反向補償電流,補償后系統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,將其設計為某頻率下極低阻抗,對相應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,進行靜態治理,負載率較小的情況下,會出現過補現象,易與電網發生諧振,理論濾波率小于70%。根據現場測量結果,北燈光站變壓器低壓出線側的諧波相當大、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險。有源濾波器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,可高效濾除負載諧波,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。

諧波治理方案

安科瑞ANAPF系列有源電力濾波器,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,如圖2所示:

2 ANAPF有源電力濾波器原理圖(1)

集中治理適用于單臺設備諧波含量小,但數量龐大、布局分散的場合,比如辦公大樓(個人電腦、節能燈、變頻空調、電梯等),雖然單臺設備的電流小,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:

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,比如醫院的精密儀器、UPS電源等,雖然單臺設備的電流小,諧波含量低,但為防止其他設備產生的諧波對其干擾,采用局部諧波補償,如圖4所示:

4 局部治理(3)

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

5 就地治理

結語

動態有源濾波器可實時動態過濾各次諧波,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。安裝動態有源濾波器后,燈光站的各級諧波分量均低于3%,滿足了公共電網接入點(PCC)的總諧波限值要求,各項指標符合《電能質量公用電網諧波》的國家標準,避免了集中諧波源設備之間的相互干擾和影響,從而保證調光器負載、內部供電系統的正常連續運行。治理效果較好,改善了供電質量,達到了預期的治理目標。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2020年5月29日 09:10
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