徐霜
安科瑞電氣股份有限公司,上海 嘉定,201801
0 引言
機(jī)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(qiáng)不同顏色的燈光系列,勾勒出一個機(jī)場的跑道、滑行道及進(jìn)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(jī)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(fù)荷中的特別重要負(fù)荷,關(guān)系到飛機(jī)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,民航組織推薦使用串聯(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(jìn)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(kuò)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(jìn)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(jìn)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?jǐn)?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(yán)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,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(jī)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(jī)場助航燈光系統(tǒng)中,為了達(dá)到的調(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(jìn)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(zhǔn)值。該基準(zhǔn)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(fù)荷在二分之一額定負(fù)荷到滿負(fù)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(fù)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(jìn)行諧波治理之前,要了解電網(wǎng)中諧波的次數(shù)及其含量,即進(jìn)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(jī)場東跑道北燈光站進(jìn)行了諧波檢測。針對北燈光站兩臺變壓器的低壓進(jìn)線側(cè)、跑道邊燈回路2、滑行道中線燈回路3的調(diào)光器進(jìn)線側(cè)進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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)
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(yán)重,這是由于大量高次諧波疊加導(dǎo)致正弦波出現(xiàn)嚴(yán)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(yán)重,并且功率因數(shù)很低。由于變壓器下主要負(fù)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(yán)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(yán)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(jìn)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。這些問題也長期困擾著我們設(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,通過治理系統(tǒng)諧波,同時提高功率因數(shù)和系統(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(fù)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。可實時動態(tài)濾波各次諧波,不受負(fù)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)計為某頻率下低阻抗,對相應(yīng)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:只能濾除固定幾次諧波,進(jìn)行靜態(tài)治理,負(fù)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(fù)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(jìn)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(fù)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(fù)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
有源濾波器報價及主要元件清單
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(fù)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(biāo)符合《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》的國家標(biāo)準(zhǔn),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(fù)載、內(nèi)部供電系統(tǒng)的正常連續(xù)運行。治理效果較好,了供電質(zhì)量,達(dá)到了預(yù)期的治理目標(biāo)。
參考文獻(xiàn)
[1] 安科瑞電氣股份有限公司產(chǎn)品手冊.2013.01.版
[2] 柴潔瓊.機(jī)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(jī)場飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(MH5001-2006)
[4] 《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》 GB/T 14549-93
徐霜,女,本科,安科瑞電氣股份有限公司,主要研究方向為醫(yī)療供配電設(shè)計,: :