王海芹

安科瑞電氣股份有限公司，上海 嘉定，201801

 0　引言

機場(chǎng)助航燈光系統是目視助航設施中一個(gè)非常重要的組成部分，它通過(guò)高（中）光強不同顏色的燈光系列，勾勒出一個(gè)機場(chǎng)的跑道、滑行道及進(jìn)近區域的主要特征，在夜間或能見(jiàn)度不好的情況下提供飛機駕駛員一個(gè)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(guān)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，燈光及導航設備用電。各種類(lèi)型的助航燈具設置在跑道和滑行道上或道肩上，屬于場(chǎng)外燈具，供電線(xiàn)路較長(cháng)，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(gè)別燈具故障而不至于造成整個(gè)回路中所有燈具都不亮，每個(gè)燈具前設置隔離變壓器。同時(shí)，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(shí)際運行過(guò)程中，會(huì )產(chǎn)生大量的諧波。

1　諧波的危害

隨著(zhù)科技的進(jìn)步，技術(shù)的發(fā)展，節能和自動(dòng)化設備的應用越來(lái)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(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)的污染，以及電磁干擾等，可能會(huì )進(jìn)一步影響系統中的其他用電設備，也帶來(lái)了危害。

供電系統諧波的定義是：對周期性交流量進(jìn)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(chēng)為諧波次數。電網(wǎng)中有時(shí)也存在非整數倍諧波，稱(chēng)為非諧波（Non-harmonics)或分數諧波。諧波實(shí)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備稱(chēng)為諧波源。

電網(wǎng)中的諧波污染日益嚴重，給電力系統和各類(lèi)用電設備帶來(lái)危害，諧波會(huì )增加電氣設備的熱損耗，如對變壓器來(lái)說(shuō)，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，在鐵芯中感應磁通，產(chǎn)生鐵損。諧波還會(huì )干擾電子設備，使信息發(fā)生失真，可對信息系統產(chǎn)生頻率藕合干擾。諧波電流在高壓架空線(xiàn)路上的流動(dòng)除增加線(xiàn)路損耗外，還將對相鄰的通訊線(xiàn)路產(chǎn)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，諧波污染，把諧波含量控制在允許范圍內是非常有必要的。

2　助航燈光產(chǎn)生的諧波分析

目前，電力系統中的諧波源，不但類(lèi)型多，而且分布廣，用戶(hù)電網(wǎng)中的諧波電流可能來(lái)自本身的非線(xiàn)性設備，也可能來(lái)自外部線(xiàn)路，具有非線(xiàn)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(fēng)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(chǎng)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(lián)的可控硅調節器，對一臺升壓變壓器進(jìn)行供電。由一個(gè)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(gè)基準值。該基準值隨著(zhù)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(gè)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額定負荷到滿(mǎn)負荷的范圍內變化，在30%的隔離變壓器次級開(kāi)路的情況下維持恒定的電流輸出，變化不大于正負2%。這個(gè)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(jìn)行諧波治理之前，要了解電網(wǎng)中諧波的次數及其含量，即進(jìn)行諧波的測試。諧波測量是諧波問(wèn)題的一個(gè)重要環(huán)節，它也是諧波問(wèn)題研究的主要依據。我們在上海虹橋機場(chǎng)東跑道北燈光站進(jìn)行了諧波檢測。針對北燈光站兩臺變壓器的低壓進(jìn)線(xiàn)側、跑道邊燈回路2、滑行道中線(xiàn)燈回路3的調光器進(jìn)線(xiàn)側進(jìn)行了電能質(zhì)量等各項數據的測量和采集。（測量點(diǎn)位見(jiàn)圖1）

圖1 測量點(diǎn)位簡(jiǎn)圖

具體測量情況如下：

測量點(diǎn)1 ：北燈光站進(jìn)線(xiàn)乙的變壓器低壓側，電容柜投切前后，實(shí)時(shí)測量 1 級光至 5 級光時(shí)的情況；

測量點(diǎn)2 ：滑行道中線(xiàn)燈回路 3 調光器進(jìn)線(xiàn)側，實(shí)時(shí)測量 1 級光至5 級光的情況；

測量點(diǎn)3 ：北燈光站進(jìn)線(xiàn)甲的變壓器低壓側，電容柜投切前后，實(shí)時(shí)測量 1 級光至 5 級光的情況；

測量點(diǎn)4 ：跑道邊燈回路2 調光器的進(jìn)線(xiàn)側，實(shí)時(shí)測量 1 級光至 5 級光的情況；

1）主要諧波源——調光器（以測量點(diǎn)1為例）

電壓波形　　　　　　　　　　　　　　　　　電流波形

A相電壓、電流對比波形　　　　　　　　　B相電壓、電流對比波形

C 相電壓、電流對比波形　　　　　　　　  　　　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。

從諧波柱狀分布圖可知可控硅恒流調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據匯總見(jiàn)表1

表一：測量數據匯總（切除電容柜數據）

3　治理措施

3.1 諧波治理方案的選擇

從上述系統配電簡(jiǎn)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(zhì)量問(wèn)題相當突出，其中要問(wèn)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(xiàn)性諧波源，該裝置在調光過(guò)程中造成大量的諧波污染，同時(shí)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(guò)程中導致電壓、電流波動(dòng)和大量的無(wú)功功率沖擊，同時(shí)對系統諧波有明顯的放大作用，進(jìn)一步影響供配電系統的安全可靠性，對整個(gè)助航燈光系統的運行存在安全隱患。這些問(wèn)題也長(cháng)期困擾著(zhù)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(guò)治理系統諧波，同時(shí)提高功率因數和系統三相不平衡等主要電能質(zhì)量問(wèn)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(huán)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(shí)提取的無(wú)功成分和諧波成分作為參考值，主動(dòng)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(dòng)式電流源輸出。

特點(diǎn)：實(shí)時(shí)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?shí)時(shí)動(dòng)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(wú)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(jìn)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(diǎn)：只能濾除固定幾次諧波，進(jìn)行靜態(tài)治理，負載率較小的情況下，會(huì )出現過(guò)補現象，易與電網(wǎng)發(fā)生諧振，理論濾波率小于70%。

根據現場(chǎng)測量結果，北燈光站變壓器低壓出線(xiàn)側的諧波相當大、頻譜非常寬，同時(shí)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(wú)源濾波器進(jìn)行治理，并且存在很大的諧振風(fēng)險。有源濾波器專(zhuān)門(mén)針對此類(lèi)工況特點(diǎn)的低壓配電系統而設計，該裝置濾波效率高、實(shí)時(shí)跟蹤、響應速度快特點(diǎn)，可濾除負載諧波，抑制系統振蕩，提高電網(wǎng)的穩定性，同時(shí)取得明顯的節能降耗和供電設備增容的效果。

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(guò)實(shí)時(shí)檢測負載的諧波和無(wú)功分量，采用PWM變流技術(shù)，從變流器中產(chǎn)生一個(gè)和當前諧波分量和無(wú)功分量對應的反向分量并實(shí)時(shí)注入電力系統，從而實(shí)現諧波治理和無(wú)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

適用于單臺設備諧波含量小，但數量龐大、布局分散的場(chǎng)合，比如辦公大樓(個(gè)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：

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，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(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備諧波含量較大的配電系統，比如大型商業(yè)區的景觀(guān)照明、影劇院的可控硅調光設備、工業(yè)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：

圖5 就地治理

3.3 主要設備清單

有源濾波器報價(jià)及主要元件清單

4　結語(yǔ)

動(dòng)態(tài)有源濾波器可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)過(guò)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(wú)功補償和三相平衡功能，大大了功率因數。

安裝動(dòng)態(tài)有源濾波器后，燈光站的各級諧波分量均低于3％，滿(mǎn)足了公共電網(wǎng)接入點(diǎn)（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，了供電質(zhì)量，達到了預期的治理目標。

參考文獻

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

王海芹，女，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為醫療供配電設計，:   :