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有源滤波器在剧场中的应用

 剧场电气系统中, 由于大量非线性负荷的应用, 谐波污染问题较为严重。剧场电气设备中,舞台调光装置是主要谐波源。由于可控硅调光设备在工作时产生的谐波量及谐波频谱随导通角变化而改变, 传统的LC 无源滤波装置不能有效治理。有源电力滤波装置具有动态补偿的特性, 可以弥补这些不足。本文以施耐德电气公司的AccuSine 有源滤波器为例, 详细分析了有源滤波装置的工作原理及在剧场中的应用。

  关键词 剧场 谐波 可控硅调光装置 有源电力滤波器

  1 概述

  在理想情况下, 电力供应应该提供具有正弦波形的电压。但实际上, 供电电压的波形往往由于某些原因而畸变为不同程度的非正弦波形, 即产生谐波。供电系统中的谐波是指一些频率为基波频率(在我国取工频50 Hz ) 整数倍的正弦波分量, 又称为高次谐波。在供电系统中, 产生谐波的根本原因是由于给具有非线性阻抗特性的电气设备(又称为非线性负荷)供电。这些非线性负荷在工作时向电源注入高次谐波, 导致供电系统的电压、电流波形畸变, 使电能质量变差。因此, 谐波是衡量电能质量的重要指标之一。

  民用建筑电气设备中存在着众多的非线性阻抗特性的谐波源负荷, 如: 荧光灯、气体放电灯、计算机、UPS、电子调速装置、软启动设备等。剧场电气设备中也存在大量的谐波源, 尤其是舞台灯光的可控硅调光装置引起的电流波形畸变, 使谐波问题尤为严重。为保证剧场供电系统中所有的电气、电子设备正常、和谐的工作, 必须采取有效的措施, 抑制并防止电网中因谐波危害所造成的严重后果。

  2 剧场电气谐波特性分析及谐波危害

  2. 1 剧场电气主要谐波特性分析

  剧场非线性负荷包括舞台调光设备、带电子镇器的荧光灯、变频空调等。根据剧场非线性负荷的容量及占用系统电源的比例, 舞台调光设备属于剧场电气主要的非线性负荷。这些调光设备造成的谐波污染不仅影响剧场配电系统电能质量, 还可能造成系统其它用电设备故障。因此在电气设计阶段应该着重考虑谐波的影响并采取合理的治理措施。

  舞台灯光用的各种调光器实质上就是一个单相的相位控制交流调压器。舞台调光技术在经历了电阻型调光、变压器式调光、磁放大器型调光阶段后,发展为现在的用可控硅调光和计算机控制的现代化调光设备。可控硅调光器是目前舞台上的主流调光器。

  正弦交流电压过零后的某一时刻t1 (或某一相位角ωt 1), 在可控硅的门极上加一触发脉冲, 使可控硅导通, 这一导通将维持到正弦波正半周结束。因此在正弦波的正半周(即0 ~ p 区间), 0 ~ ωt 1范围可控硅不导通, 这一范围称为控制角; 而在ωt 1 ~ p 间可

  控硅导通, 这一范围称为导通角。同理在正弦交流电压的负半周, 对处于反向联接的另一个可控硅(对两个单向可控硅反并联而言) 在t2时刻(即相位角ωt 2 ) 施加触发脉冲, 使其导通。如此周而复始, 对正弦波的每一半周期控制其导通, 获得相同的导通角。如改变触发脉冲的施加时间(或相位), 即改变了导通角(或控制角) 的大小。导通角越大调光器输出的电压越高, 灯就越亮。

  由以上分析可知, 可控硅调光设备吸收的不再是正弦电流, 因此会造成调光设备的输入电流畸变为周期性的非正弦电流波形。对该周期性非正弦电流进行傅里叶级数分解, 可得出电流中除含有与电源相同频率的基波成分外, 还含有一系列频率为电源频率奇数倍的高次谐波电流。这些高次谐波通过导线传导到其它负荷, 同时由于系统中谐波阻抗的存在, 这些高次谐波电流还会引起电源电压波形畸变。

  2. 2 剧场谐波危害

  电源电压波形畸变造成电网谐波污染, 使电力系统的发、输、配电设备出现许多异常现象和故障。谐波的危害是多方面的, 就剧场电气系统而言, 主要有以下几个方面。

  2. 2. 1 谐波对供配电线路的危害

  三相四线配电线路中, 相线上3 的整数倍次谐波(零序谐波) 在中性线上会叠加, 使中性线的电流值可能超过相线上的电流值。由于中性线电流过大, 使配电系统中性线出现过负荷, 从而引起绝缘老化加速, 增加了火灾隐患。

  保护继电器在谐波影响下产生误动或拒动, 将严重威胁供配电系统的稳定与安全运行。随着谐波频率的上升, 电缆导体集肤效应越发明显, 导致导体的交流电阻增大, 使得电缆的允许载流量减小, 增加输电线路的附加损耗。另外, 电缆的电阻、系统母线及线路感抗与系统串联, 提高功率因数用的电力电容器及线路的容抗与系统并联, 在一定数值的电感与电容下可能发生谐振。

  2. 2. 2 谐波对电力设备的危害

  当电网存在谐波时, 投入电力电容器后其端电压增大。通过电容器的电流增加得更大, 使电容器损耗功率增加, 加速绝缘介质老化。在谐波严重的情况下, 还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。尤其是电容器投入到电压已经畸变的电网中时, 还可能使电网的谐

  波加剧, 即产生谐波放大现象。

  谐波使电力变压器的铜耗增大, 包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗都要增加。谐波还使变压器的铁耗增大, 主要表现在铁芯中的磁滞损耗增加。由于以上两方面的损耗增加, 降低了变压器的设备利用率。因此设计阶段在选择变压器额定容量时需要考虑电网中的谐波含量, 适当放大变压器容量。

  对于配电用断路器来说, 受谐波电流的影响,导体的集肤效应与铜耗增加而引起发热, 使得额定电流降低与脱扣电流降低, 可能因谐波而误动作。

  2. 2. 3 谐波对弱电系统设备的干扰

  对于计算机网络、通信、有线电视、火灾自动报警系统, 以及楼宇自动化系统等弱电设备, 电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到这些系统中, 产生干扰。其中电磁感应与静电感应的耦合强度与干扰频率成正比, 通过公共接地耦合的传导, 干扰弱电系统。

  3 剧场电气谐波治理措施分析

  目前, 国内有采用提高变压器质量及容量、增大电缆截面积(特别是加大中性线电缆截面积)、选用整定值较大的断路器、熔断器等保护元件的方法减小谐波的影响, 这些方法并不能从根本上消除谐波, 反而降低了保护特性与功能, 加大了投资成本, 增加了供电系统隐患。

  为有效抑制谐波, 在剧场电气设计中, 可采用的方法主要有: 合理设计配电线路、适当的变压器接线方式、合理布线、装设滤波装置等。其中配电线路设计、变压器接线方式及布线方式可参照《剧场建筑设计规范》(JGJ 57 - 2000)、《民用建筑电气设计规范》(JGJ 16 - 2008) 等。下面将详细分析装设滤波装置的方法。

  滤波装置分为无源滤波装置和有源滤波装置, 装设在调光设备回路上。

  3. 1 无源滤波装置

  目前剧场配电系统谐波治理大多采用LC 无源滤波器。它在吸收高次谐波的同时, 还具有改善功率因数的功能。然而, 由于调谐偏移及滤波器阻抗的存在, 大大妨碍了滤波效果。而且, 对于不同频率的谐波, 需分别设置多个LC 滤波支路, 彼此相互干扰,可能顾此失彼。尤其在大量使用可控硅调光设备的剧场, 由于可控硅调光器在工作时产生的谐波量及谐波频谱随导通角变化而变化, 而LC 无源滤波器无法满足变化谐波的治理要求, 装设并联型有源电力滤波器(APF ) 可弥补这些不足。

  3. 2 有源滤波装置

  有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置, 它能对大小和频率都在变化的谐波, 以及变化的无功进行补偿。

  3. 2. 1 有源电力滤波器的基本工作原理

  有源电力滤波装置的基本工作原理如下: 检测补偿对象的电压和电流, 经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号, 该信号经补偿电流发生电路放大, 得出补偿电流, 补偿电流与负荷电流中的谐波及无功电流抵消, 最终得到期望的电源电流。有源电力滤波器工作原理如图1 所示(只针对某一特定次数谐波的治理, 图中所示为只滤除5 次谐波)。并联型有源滤波器实质上是一个受控的快速反应的谐波电流源, 与非线性负荷并联, 自动检测非线性负荷产生的谐波电流。经DSP (数字信号处理器) 产生的控制信号控制IGBT (绝缘栅极双极晶体管) 高速开关器件, 经过输出电抗器输出与负荷谐波电流大小相等、相位相反的谐波电流, 起到补偿谐波的作用。其结果是系统只向负荷提供基波电流。与其它滤波技术相比, 有源电力滤波器具有以下优势:

  a . 动态滤波, 能适应变化的谐波负荷。

  b . 响应速度快, 一般在几十μs 内响应负荷变化, 对冲击变化的谐波全补偿响应时间在10 ~ 60 ms(主要取决于谐波检测模式)。

  c . 选型时只需考虑谐波电流大小, 而与负荷类型无关。

  d . 可以对单个非线性负荷、集中非线性负荷、变压器供电系统进行补偿, 安装位置灵活多样。

  e . 内部保护安全可靠, 不因谐波过负荷而退出运行, 扩展容易。

  f . 不受系统阻抗影响, 不会发生谐振。

  3. 2. 2 有源电力滤波装置的安装位置

  在设计有源滤波装置时, 需要根据剧场配电系统和负荷情况的不同选择合适的安装位置。安装位置通常情况下有三种选择方式:

  a . 集中治理方式见图2 。

  集中治理方式可对所有低压非线性负荷实现滤波。适用于非线性负荷较为分散、单个负荷容量较小的场合。滤波装置安装于低压配电室内。

  b . 分组治理方式见图3 。

  分组治理方式中有源电力滤波器安装于二级低压配电盘, 适用于非线性负荷相对集中的场合。

  c. 就地治理方式见图4 。

  就地治理方式适用于单个非线性负荷产生较大谐波畸变且分布相对分散的场合, 有源电力滤波器安装在该非线性负荷侧。

  有源滤波器的安装与谐波源越近, 滤波效果越好, 这是减小谐波电流和谐波电压畸变的最好办法。由于有源电力滤波器安装位置的灵活性, 可以完全实现根据设计需要达到最佳的谐波治理效果。

  4 Schneider 有源电力滤波器简介

  由于有源电力滤波器明显的技术优势, 市场需求也在不断扩大, 能提供有源电力滤波器的电气生产厂家也在不断增加。本文主要介绍施耐德电气公司生产的有源电力滤波器AccuSine 的产品原理, 其技术原理与市场上绝大部分并联型有源电力滤波器相同。

  4. 1 AccuSine 有源电力滤波器工作原理

  AccuSine 有源滤波装置并联于电网系统中, 通过外部互感器CTe实时采集电流信号, 通过内部检测电路分离出其中的谐波部分, 由IGBT 逆变产生与系统中的谐波大小相等、方向相反的补偿电流并注入系统, 从而将电源侧电流补偿为正弦波, 达到滤除谐波的目的。其工作原理见图5 。

  AccuSine 的输出补偿电流是根据系统的谐波量动态变化的, 因此不会出现过补偿的问题。另外,AccuSine 内部有过负荷保护功能, 当系统的谐波量大于滤波器容量时, AccuSine 可以自动限制在100% 额定容量输出, 不会发生滤波器过负荷。

  AccuSine 有源电力滤波器在滤波的同时可通过参数设置进行无功补偿。其输出的无功补偿电流是根据系统无功容量需求动态变化的, 不会出现过补偿, 且柔性的无功补偿不会产生涌流冲击。

  4. 2 AccuSine 有源电力滤波器内部控制原理

  如图6 所示, 断路器合闸后, AccuSine 首先通过预充电电阻对DC 母线的电容器充电。这个过程会持续数秒钟, 以防止通电后DC 母线电容器的瞬间冲击。当母线电压Udc达到额定值后, 预充电接触器闭合直流电容作为储能元件, 为通过IGBT 逆变器和内部电抗器向外输出补偿电流提供能量。同时, 直流电容器通过电源电路向内部的控制电路和电子电路提供工作电源。

  AccuSine 通过外部CTe采集电流信号送至控制电路的谐波分离模块, 该模块将基波成分分离, 将谐波成分送至调节和监测模块。该模块会将采集到的系统谐波成分和AccuSine 已发出的补偿电流比较, 得到差值作为实时补偿信号输出到驱动电路, 触发IGBT 逆变器将补偿谐波电流注入到电网中, 实现滤除谐波的功能。

  4. 3 AccuSine 有源电力滤波器接线方式

  AccuSine 包括AccuSine / 3L 和AccuSine / 4L 两个系列产品。图7 为AccuSine / 3L 安装接线图, 图8 为AccuSine / 4L 安装接线图。

  由图7、图8 可知, AccuSine / 3L 应用于三相对称系统时, 只需安装两相CT, 可有效滤除相线谐波电流; AccuSine / 4L 还可有效滤除中性线谐波电流, 其中性线滤波能力为相线滤波能力的3 倍。如AccuSine / 4L - 90 A, 可有效滤除相线谐波电流90 A,滤除中性线谐波电流270 A。

  当系统扩展或非线性负荷增加, 原有滤波装置容量不能满足系统需求时, AccuSine 可方便地实现并联, 见图9。多台滤波器并联时, 无需增加测量CT。

  5 AccuSine 有源电力滤波器在剧场中的应用

  图10 为× × 剧场在未采取谐波治理措施时, 由FLUK 435 检测装置捕捉到的舞台调光设备回路的电流波形图。从该图中可知, 可控硅调光设备在投入使用后使电流波形产生严重畸变, 且中性线谐波电流较大。对该电流波形做进一步谐波频谱分析, 得到谐波频谱特性, 见图11。由图11 可知, 电流总谐波畸变率即THDI高达65.3%。其中, 3 次谐波电流畸变率在50% 以上。由于3 次谐波为零序谐波, 在中性线上叠加, 使中性线电流增大, 将引起中性线绝缘加速老化, 故治理谐波时需考虑在滤除相线谐波电流的同时, 滤除中性线上的谐波电流。

  AccuSine / 4L 安装于舞台调光设备回路并投入使用后, 电流波形如图12 所示。相线电流波形接近正弦波, 中性线电流大幅度降低, 取得了良好的滤波效果。

  下表为AccuSine / 4L 有源电力滤波器产品特性。

  6 结束语

  剧场电气系统中除了具有一般建筑配电系统的谐波源之外, 还具有一些特有的谐波源。舞台调光设备为大型剧场的主要谐波源负荷, 可控硅调光系统是目前剧场舞台上的主流调光器, 在运行过程中会产生大量的3 次谐波及高次谐波, 且谐波频谱随导通角改变而发生相应变化, 造成配电系统的电力设备效率低下、灯光频闪、中性线过负荷发热, 并对通信等弱电回路产生干扰。装设并联型有源电力滤波装置可以有效滤除相线及中性线上的谐波电流, 并能实现谐波频谱变化时的动态滤波。AccuSine 有源电力滤波器在实际应用中取得了良好的滤波效果。


【上一个】 有源滤波器设计步骤
【下一个】 谐波治理的工作原理

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