1、第2 3卷 第1期2023年1月R E F R I G E R A T I ONAN DA I R-C ON D I T I ON I N G2 3-2 7技术研究本栏目投稿邮箱:z l d t c h i n a j o u r n a l.n e t.c n收稿日期:2 0 2 1-0 6-2 2,修回日期:2 0 2 2-0 7-1 3作者简介:陆海宁,本科,高级工程师,主要从事电气控制方面的研究。基于变频冷水机组的低谐波滤波器应用比较陆海宁(特灵科技亚太研发中心)摘 要 针对变频冷水机组低谐波的设计要求,介绍利用滤波器抑制谐波的方法,对比有源滤波器和无源滤波器的工作原理、性能特点和应用
2、成本,并通过测试比较两者的谐波抑制能力。结果表明,有源滤波器具有良好的动态抑制谐波能力,在大电流应用和多压缩机机组应用中成本适中,符合低谐波的设计要求。关键词 变频冷水机组;谐波;有源滤波器;无源滤波器C o m p a r i s o no f l o wh a r m o n i c f i l t e r a p p l i e d t o f r e q u e n c y c o n v e r s i o nw a t e r c h i l l e rL uH a i n i n g(T r a n eT e c h n o l o g i e sE n g i n e e r
3、i n g&T e c h n o l o g yC e n t e r-A s i aP a c i f i c)A B S T R A C T A i m i n ga tt h el o wh a r m o n i cd e s i g nr e q u i r e m e n to ff r e q u e n c yc o n v e r s i o nw a t e rc h i l l e r,t h em e a s u r e sf o rh a r m o n i cs u p p r e s s i o nu s i n gh a r m o n i cf i l t
4、e ra r ei n t r o d u c e d.T h ew o r k i n gp r i n c i p l e,p e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o nc o s t a r ec o m p a r e db e t w e e na c t i v eh a r m o n i c f i l t e r a n dp a s s i v eh a r m o n i c f i l t e r,a n d t h e i rh a r m o n i c s u
5、 p p r e s s i o na b i l i t i e sa r ec o m p a r e db y t e s t.T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h e a c t i v eh a r m o n i c f i l t e rh a sb e t t e r a b i l i t y f o rh a r m o n i cs u p p r e s s i o n,a n di th a ss u i t a b l ec o s ta p p l i e dt ob i gc u r r e n ta n dm u l t
6、 i p l ec o m-p r e s s o r sw a t e rc h i l l e r,w h i c hm e e t s l o wh a r m o n i cd e s i g nr e q u i r e m e n t.K E Y WO R D S f r e q u e n c yc o n v e r s i o n w a t e rc h i l l e r;h a r m o n i c;a c t i v eh a r m o n i cf i l t e r;p a s s i v eh a r m o n i c f i l t e r 随着电力电子
7、技术的不断发展,以及国家对于节能减排的倡导,变频器在冷水机组中得到越来越广泛的应用1-2。变频器整流单元的工作特性使得其从电网中吸取能量的方式不再是连续的正弦波,而是以脉动的断续方式向电网索取电流。这种脉动电流流经电网系统的回路阻抗形成脉动电压叠加在电网上,使电网电压发生畸变,从而产生谐波。谐波对公共电网是一种污染,对电力系统的危害十分严重。输入端谐波使公共电网元件产生额外的损耗,温度升高,绝缘等级降低;还会影响同电网设备的正常工作,使得继电保护和自动装置出现误动作3。国际通用的I E E ES t d5 1 9-2 0 1 4R e c o m m e n d e dp r a c t i
8、c ea n dr e q u i r e m e n t s f o rh a r m o n i c c o n t r o l i ne l e c t r i cp o w e rs y s t e m s4和 中 国 国 家 标 准G B/T1 4 5 4 91 9 9 3 电能质量 公用电网谐波5等给出了公共电网谐波电压和电流的限值。这些标准规范指导用户在订购变频冷水机组时,需要根据现场电力系统的配置,选择标准谐波机组,T H D i(t o t a lh a r m o n i c c u r r e n td i s t o r t i o n,电流谐波总畸变率)在3 0%5
9、0%;或者选择低谐波机组,T H D i小于5%。在设计低谐波变频冷水机组时,一般常用4种抑制谐波的方法:无源滤波器(P H F,p a s s i v eh a r m o n i cf i l t e r);有源滤波器(A H F,a c t i v e h a r m o n i c f i l t e r);利用多输出变压器控制移相,实现多脉冲整流的1 2脉或2 4脉变频器;在整流侧采用I G B T(i n s u l a t e dg a t eb i p o l a r t r a n s i s t o r,绝缘栅双极型晶体管)替代二极管,母线电容和逆变回路保持不变的四象限变频
10、器6。其中,P H F和AH F更适合机组的模块化设计要求。标准谐波机组可采用常规变频器 2 4 第2 3卷 和交流或直流电抗器组合成变频柜,低谐波机组可在标准变频柜基础上额外增加P H F或AH F,单独装配成选项柜。无源滤波器以其成本低、结构简单、运行可靠等优点,成为小功率变频冷水机组的首选。但是,无源滤波器结构体积较大、安装不方便、动力电缆直径较大(接线困难),这使其在更大容量冷水机组中应用受限。有源滤波器可以弥补无源滤波器应用的不足,目前国外已开始在工业和民用设备上大量使用有源滤波器,并且单机容量逐步提高,应用领域也从补偿用户自身设备的谐波向改善整个电力系统供电质量发展。笔者将以无源滤
11、波器应用为基准,结合无源滤器和有源滤波器的工作原理和特点、应用成本、性能测试分析,探讨有源滤波器在变频冷水机组中的应用。1 工作原理和特点无源滤波器是谐波抑制的传统装置,由电力电容器和电抗器等无源器件组合而成。一般是由主电抗器L0和两级L C(L1C1和L2C2)吸收电路组成谐波的低阻通路,结构简单,技术成熟。它安装在变频负载上游,与变频负载串联连接,其工作原理见图1。图1 无源滤波器工作原理 有源滤波器是一种可以动态过滤谐波补偿无功功率的电力电子装置,能够对大小和频率都变化的谐波进行补偿。它通过外部电流互感器实时采集变频负载输入侧的电流信号,从电流信号中分离出谐波电流分量和基波电流分量,通过
12、I G B T逆变出与系统的谐波电流大小相等、相位相反的补偿电流,实现滤除谐波的功能。它安装在变频负载上游,与变频负载并联连接,其工作原理见图2。其主电路一般采用电压源型,由直流母线电容器C,I G B T逆变器和滤波电路L组成7。表1所示为有源滤波器和无源滤波器的性能特点。相比无源滤波器,有源滤波器抑制谐波的性能更佳,体积小,质量轻,较大功率应用时安装更方便。不足之处是成本高,不利于推广8。图2 有源滤波器工作原理表1 A H F和P H F的性能特点项目AH FP HF工作原理实现动态补偿,主动产生补偿谐波电流,抵消电网中的谐波成分低阻抗通道,使谐波电流流过后旁路谐波谐波处理能力同时处理2
13、5 0次奇偶次谐波主要处理5/7次奇次谐波 第1期陆海宁:基于变频冷水机组的低谐波滤波器应用比较2 5 续表1项目AH FP HFTHD i指标在2 5%1 0 0%负载范围内,均能满足T H D i 5%在较大负载范围,才能满足THD i 5%过载影响无损坏影响,可满足工作要求,仅是滤波能力不足可能超载而损坏对负载变化的响应响应极快,小于1 0m s响应较慢电力系统阻抗变化影响无影响系统阻抗变化时,存在谐波放大和共振的风险适用范围谐波成分丰富,大小动态变化,可对一个谐波源单独补偿,也可对多个谐波源集中补偿谐波成分简单,大小相对稳定,仅对单一谐波源补偿体积/质量小/轻大/重成本高低2 应用成本
14、比较有源滤波器由电力电子元件构成,相当于一个小功率变频器主动降低谐波。相对于主要由被动元件组成的无源滤波器,单体成本较高。针对具体应用,选用某国外品牌P H F和某国产品牌AH F进行对比,分析两者的成本关系。考虑到组合成柜的钣金成本相对模块成本较低,2套方案成柜空间对成本影响不大,在此仅比较模块成本。有源滤波器和无源滤波器在变频水冷式冷水机组应用中的成本对比见表2,其中:根据电机额定电流估算选型电流,配置P H F规格;根据电机额定电流的4 0%计算选型电流,配置AH F规格,AH F单模块最大电流1 5 0A,选型电流大于1 5 0A时需要选择双模块应用。以P H F最小规格2 0 8 A
15、的成本为基准,其他规格成本与之比较,显示相对成本。成本增幅是在相同电机额定电流下AH F成本相对P H F成本的增加百分比。比较结果显示,随着电机额定电流的增加,AH F相对P H F增加的 成 本 降 低,在 高 电 流 负 载 下,AH F成 本 比P H F成本增加约1 0%。表2 水冷式冷水机组应用中A H F和P H F成本分析电机额定电流/AP H FAHF选型电流/A规格相对成本/%选型电流/A规格相对成本/%成本增幅/%2 1 22 0 42 0 8 A1 0 08 51 0 0 A1 6 16 12 6 02 5 13 2 0 A2 0 31 0 41 5 0 A2 2 81
16、 23 1 53 0 43 2 0 A2 0 31 2 61 5 0 A2 2 81 23 9 53 8 14 0 3 A2 5 21 5 87 5 A+1 0 0 A2 8 91 54 8 04 6 34 8 2 A3 0 71 9 21 0 0 A+1 0 0 A3 2 355 8 85 6 76 3 6 A3 4 52 3 51 0 0 A+1 5 0 A3 8 91 36 5 86 4 77 8 6 A4 2 02 6 31 5 0 A+1 5 0 A4 5 687 4 57 3 37 8 6 A4 2 02 9 81 5 0 A+1 5 0 A4 5 68 有源滤波器和无源滤波器在变频风冷式冷水机组应用中的成本对比见表3。需要考虑高环境温度的降额,同样:根据电机额定电流估算选型电流,选择P H F规格;根据电机额定电流的4 0%计算选型电流,选择AH F规格。由于AH F具有适配多个谐波源的特点,故在双压缩机机组中选择表3 风冷式冷水机组应用中A H F和P H F成本分析序号机组额定电流/A电机1电机2P H FAH F压缩机1压缩机2选型电流/A规格相对成本1/%选型电流
