上海浦东国际集装箱码头有限公司 范建共

青岛鑫能能源的技术人员和青岛大学的专家教授通过引进和吸收国外的先进节电技术理念，采用进口滤波节电模块与LC滤波模块、测控技术相结合，解决了桥吊供电系统谐波含量高、交直流混用、电机负荷低及使用变频器多而造成的电能效率低耗能多的问题。

码头桥吊超宽频滤波节电系统首次采用了国际上最先进的动态谐波浪涌跟踪抵消技术，这一技术已经在国外有源电力滤波器(Active Power Filter--APF)上获得广泛应用，但有源电力滤波器和无源电力（LC）滤波器的模块组合技术在国内还是首次推广应用，超宽频节电保护技术突破性地实现了这一技术在节电、保护领域的应用。

一、工作原理

动态谐波浪涌跟踪抵消技术采用了全新的设计理念，其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，因而受到广泛的重视，目前已在个别先进发达国家获得应用。

这一基本思想在20世纪六、七十年代就已经形成，80年代以来，大中功率全控型半导体器件的成熟、脉冲宽度调制控制技术(PulseWidthModulation--PWM)的进步以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的提出，使这一技术才得以迅速发展。码头超宽频桥吊滤波节电系统主要由三大部分组成，即指令电流检测电路、抵消电流发生电路和补偿电流发生电路。

指令电流检测电路的功能主要是从负载电流中分离出谐波电流分量和基波无功电流，然后将其反极性作用后发生补偿电流的指令信号。电流跟踪控制电路的功能是根据主电路产生的补偿电流，计算出主电路各开关器件的触发脉冲，此脉冲经驱动电路后作用于主电路。这样电源电流中只含有基波的有功分量，从而达到消除谐波与进行无功补偿的目的。根据同样的原理，码头桥吊超宽频滤波节电系统还能对不对称三相电路的负序电流分量进行补偿。

补偿电流的产生通常采用基于PWM的电压源逆变器(VSI)，从采用的电流控制方法，三角载波线性控制(triangle wave-linear control)是最简单的一种控制方法。通过将检测环节得到电流实际值与参考值之间的偏差与高频三角载波相比较，所得到的矩形脉冲作为逆变器各开关元件的控制信号，从而在逆变器输出端获得所需的波形。该方法的优点是动态响应好，开关频率固定，实现电路简单，缺点是输出波形中含有与三角载波相同频率的高频畸变分量，开关损耗较大，在大功率应用中受到限制。

图1 并联型滤波系统示意图（参考电路）

        有源滤波系统的主电路一般由PWM逆变器构成。根据逆变器直流侧储能元件的不同，可分为电压型滤波节电系统(储能元件为电容)和电流型滤波节电系统(储能元件为电感)。电压型超宽频滤波节电系统在工作时需对直流侧电容电压控制，使直流侧电压维持不变，因而逆变器交流侧输出为PWM电压波。而电流型滤波节电系统在工作时需对直流侧电感电流进行控制，使直流侧电流维持不变，因而逆变器交流侧输出为PWM电流波。电压型滤波系统（串联）的优点是损耗较少、效率高、成本高，是目前国内外绝大多数滤波器采用的主电路结构。电流型滤波系统（并联）由于电流侧电感上始终有电流流过，该电流在电感内阻上将产生较大损耗，一般大型设备很少采用，其优点是造价低、体积小、一般适用于小型用电系统。

图2  电流型滤波节电系统基本示意图（参考电路）

  码头桥吊超宽频滤波节电系统吸收了以上这一技术的精华，采用了电流型有源滤波（改进混合型）与LC滤波器混合使用的新方式。其基本思想是利用LC滤波器来分担部分滤波补偿任务。由于电流型滤波系统与LC滤波器有结构简单、易实现且成本低的优点，从而以低成本方式实现了整个系统良好的组合抑制抵消性能。

图3 并联型滤波系统基本示意图（参考电路）

     图3所示为并联型滤波系统的基本结构。它主要适用于电流源型非线性负载的谐波电流抵消、无功补偿以及平衡三相系统中的不平衡电流等。目前并联型滤波系统在技术上已较成熟，它也是当前应用最为广泛的一种滤波节电系统拓补结构。

随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。早在70年代初期，日本学者就提出了有源滤波器（active power filter，缩写为APF）的概念，即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。1976年美国西屋电气公司的L.Gyugi提出利用大功率晶体管组成的PWM逆变器构成的APF消除电网谐波。由于受到当时功率半导体器件水平的限制，APF的研制一直处在试验研究阶段。进入80年代以后，随着电力电子技术的飞速发展，大功率可关断器件（GTR，GTO，IGBT等）的不断进步，以及对非正弦条件下无功功率补偿理论的深入研究，特别是瞬时无功理论的提出，为APF的实用化提供了必要的条件，使之在工业上得到了广泛的应用。

这一技术的成熟是基于数字电力电子技术的进步和DSP、FPGA技术的广泛应用，为满足高速实时的响应要求，内部模块时钟高达100MHz，这是普通微处理器所远不能及的。多种新技术、新器件的应用，使得码头桥吊超宽频滤波节电系统具备了卓越超群的技术性能，能适时消除3、5、7、11次及以上的谐波，同时体积小，安全可靠。

图4  混合型滤波系统示意图（参考电路）

 图4所示为混合型滤波系统(UPQC)的基本结构，它是在并联型滤波节电系统的基础上使用一些大容量的无源L-C滤波网络来承担消除低次谐波，进行无功补偿的任务。而并联型滤波节电系统只承担消除高次谐振及阻尼无源LC网络与线路阻抗产生的谐波谐振的任务。从而使并联型滤波节电系统的电流、电压额定值大大减少(功率容量可减少到负载容量的5%以下)，降低了滤波节电系统的成本和体积。从经济角度而言，这种结构形式在目前是一种值得推荐的方案。但随着电力电子器件性能的不断提高，成本不断下降，混合型滤波节电系统可能将替代性能价格高的有源滤波器。从以上介绍可以看出桥吊超宽频滤波节电系统是采用电流并联型加电流串联型再组合而成的一套节电系统，这种结构体积小、成本低、免维护、性价比高等优点。

失谐系统——上面的图是说明使用超宽频滤波节电系统后，将系统谐振频率从5次转移到接近3次。可有效防止谐波放大、有效吸收部分谐波电流，这是一个在技术上、经济上可行有效的方法，是码头桥吊用户的最佳选择。

滤波系统——上面的图是说明用超宽频滤波系统，对5th谐波回路阻抗很低，吸收5th谐波，同时对于其他次数的谐波也可以起到低阻、也可以起到吸收作用（从阻抗的平滑度可看出，对7th谐波、11th谐波也是低阻抗）。

码头桥吊超宽频滤波节电系统正是根据以上的要求、专门针对桥吊用户而设计的，我们采用了电流并联型有源滤波器和LC滤波器的结构简单、体积小、成本低的优点，根据桥吊的特出供电运行结构，将LC滤波系统与电流型有源滤波系统加以组合，解决了电网运行中，因大量非线性负载的运行，除了要消耗有功功率外，还要消耗一定的无功功率。负荷电流在通过线路、变压器时将会产生功率与电能损耗，由电能损耗公式可知，当线路或变压器输送的有功功率和电压不变时，线损与功率因数的平方成反比。功率因数越低电网所需无用功就越多，线损就越大。因此，在受电端安装超宽频统滤波节电装置，也可减少负荷的电能损耗，提高功率因数，降低线损耗。一般工厂动力配线依据不同的线路及负载情况，其电力损耗约2%--3%左右，总电流降低，可降低供电端与用电端的电力损失。

图5  超宽频滤波节电系统跟踪电路示意图

当有功功率为定值时，负荷电流与功率因数成反比，安装超宽频桥吊系统滤波节电装置后，使线路中的电流减小，从而使功率损耗降低使得总电能损耗降低。随着非线性电力设备的广泛应用，电力系统中谐波问题日趋严重，谐波的存在会对电力设备造成损坏，加速绝缘老化。谐波叠加后的电压峰值对节电器件老化有很大的影响，谐波的主要影响因素为：电压峰值、电压均方根值和电压波斜率。其中峰值的影响最大。由于谐波的存在，电压波形发生畸变，使电压峰值增高，呈锯齿状尖顶波。

        在供电系统中的工作示意图

二． 超宽频滤波节电系统的性能要求
　　下面我们针对国际和国家标准对电能质量的规定，来研究超宽频桥吊滤波节电系统应该达到的性能指标。
　　在国际上，各个国际组织如电气及电子工程师协会、国际电工委员会（IEC）和国际大电网会议（CIGRE），纷纷推出了各自建议的与谐波有关的标准。在这些标准中，被广泛接受的有IEEE 519标准和IEC555-2标准。在我国，原水利电力部于1984年根据国家经济委员会批转的《全国供用电规则》的规定制定并发布了SD126-84《电力系统谐波管理暂行规定》。国家技术监督局于1993年颁布了谐波国家标准GB/T14549-93《电能质量 公用电网谐波》，该标准已于1994年在我国开始实施。
　　谐波（Harmonic）即对周期性的变流量进行傅里叶级数分解，得到频率为大于1的整数倍基波频率的分量，它是由电网中非线性负荷而产生的。《电能质量 公用电网谐波》（GB/T14529－ 93）中规定了各电压等级的总谐波畸变率，各单次奇次电压含有率和各单次偶次电压含有率的限制值。该标准还规定了电网公共连接点的谐波电流（2～25次）注入的允许值；而且同一公共连接点的每个用户向电网注入的谐波电流允许值按此用户在该点的协议容量与其公共连接点的供电设备容量之比进行分配，以体现供配电的公正性。
　　电压波动（Fluctuation）即电压方均根值一系列的变动或连续的改变，闪变（Flick）即灯光照度不稳定造成的视感，是由波动负荷 ，如电弧炉、轧机、电弧焊机等引起的。《电能质量 电压波动和闪变》（GB12326－2000）是在原来标准GB12326－90的基础上，参考了国际电工委员会（IEC）电磁兼容（EMC）标准IEC6100－3－7等而修订而成的，适用于由波动负荷引起的公共连接点电压的快速变动及由此可能人对灯闪明显感觉的场合，该标准规定了各级电压下的闪变限制值。
　　三相电压不平衡允许值指的是在电力系统正常运行的最小方式下负荷所引起的电压不平衡度为最大的生产（运行）周期中的实测值，例如炼钢电弧炉应在熔化期测量等。《电能质量三相电压允许不平衡度》（GB/T15543－1995）适用于交流额定频率为50Hz电力系统正常运行方式下由于负序分量而引起的PCC点连接点的电压不平衡，该标准规定：电力系统公共连接点正常运行方式下不平衡度允许值为2％，短时间不得超过4％。
　　滤波系统（APF）在柔性交流输电系统（FACTS）家族中具有广义性。电能质量的许多问题均可通过不同的控制手段由超宽频滤波节电装置来解决。如谐波抑制、无功补偿、相间对称校正等。其次，在时域和频域分解的观点上，电能质量的诸多问题与谐波是统一的，仅作用频率不同，如：基波频率整数倍的分量为通常意义上的谐波；分数倍、非整数倍分量分别称为闪变、间谐波；而基波无功、非周期量可以分别看成是频率为系统频率和零频率的分量等。
　　超宽频滤波节电系统的性能要求，应以在任何状况下能精确、快速地分离出谐波和无功分量，并进行实时补偿来进行谐波抑制、无功补偿、相间对称校正为依据。
　　超宽频滤波节电系统的稳态滤波性能可视为滤波的精度指标，即输入稳定的谐波源，不论检测出谐波和无功分量的时延如何，以最终检测出的谐波与电网电流之差（即经过补偿后的电流）的THD（Total Harmonics Distortion）作为衡量标准。根据实际工业情况，以奇次谐波为主。
　　超宽频滤波节电系统的动态滤波性能可视为滤波的速度指标，即最终补偿后的THD值在一定范围的条件下，在谐波出现或突变后的第几个周波，检测出的谐波分量才能完全跟踪上实际谐波分量。对实际中各种复杂的工况，应考虑的情况有：负荷电流幅值突变（Magnitude Flop），非周期脉冲干扰（Nonperiodic Pulse），谐波相位突变（Phase Shift），电网电压的畸变影响（Voltage Harmonics）。
四、使用前后对比波形图

五、桥吊接线布控图