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1、白云机场助航灯光站 谐波分析 及其治理张云青1，李建民2，连如玉3，杜菁3(1.中国民航机场建设集团公司，北京100000;2.深圳市海亿达电子有限公司，深圳518000;3.广州白云国际机场股份有限公司，广州510000)摘要:白云机场灯光站大量使用可控硅调光设备，势必产生谐波，对电网、用电设备、线路电缆等都造成一定的影响，同时，随着白云机场的逐年扩建，助航灯光负载设备不断的增加，特别是联邦快递负载投入使用后，导致使用原有柴油发电机组带负载供电时，当灯光设备调节光级至四级光和五级光时，发电机组不能提供负载所需供电容量，影响机组的正常运行，并导致调光器出现输出电流失调报警。本文主要介绍了白云机
2、场灯光站谐波的产生及危害，并对白云机场灯光站中的谐波情况进行分析，提出有源滤波器的治理方案，通过对RESINE有源滤波器使用前后的谐波状况进行对比分析，证明有源滤波器极大的抑制了机场灯光站的谐波，提高了电能利用率，同时解决了柴油发电机不能带满负荷运行的问题，保障了灯光站的安全经济运行。关键词:机场灯光站;谐波;有源滤波器;RESINEHarmonicAnalysisofBaiyunAirportandApplicationofRESINEActiveFilterZHANGYunqing1,LIJianmin2,LIANRuyu3,DUJing3(1.CivilAviationAirportCo
3、nstructionGroupCo.,BeiJin100000,China;2.ShenzhenHietechElectronicsCo.,Ltd.,Shenzhen518000,China;3.BaiYunAirportcompanylimitedbyshares,GuangZhou,510000,China)Abstract:WiththedevelopmentofBaiyunAirport,moreandmoreSCRdimmerequipmentbeused,Andthecreatedharmonicwillinfluencethepowersystem,equipmentandthe
4、cables.Now,thedieselgeneratorcantoperatewiththeentireloadnormally,especiallyaftertheusingofFederalExpressload.Thereisseriouspotentialsafetyhazardanditisnecessarytosolvetheproblem.ThearticlegivesanoutlineofthegenerationandharmofharmonicofBaiyunAirport;thenanalysesharmonicoftheairportlightstationandof
5、fersasolutionforharmonic.AccordingtocomparisonofharmonicbeforeandafterusingRESINEactivefilter,wefindthatactivefilterhasgoodeffectonharmonicsuppressionandimprovestheutilizationofelectricenergy.Itcanensuretheairportlightstationworkingsafelyandeconomically.KeyWords:airportlight;harmonic;activepowerfilt
6、er;RESINE引言广州新白云国际机场于2004年8月4日一夜转场成功并投入使用，是国内三大航空枢纽机场之一，在中国民用机场布局中具有举足轻重的地位，是东南亚各国的重要口岸机场和国际航空交通枢纽。白云机场灯光站大量使用可控硅调光设备，导致产生大量的谐波电流，对电能质量造成污染，同时附加电流和额外的热效应对各类电气设备和电缆线路安全也造成一定危害。另外，在白云机场扩建过程中，助航灯光负载设备负载不断增加，尤其是联邦快递负载的投入使用，使得柴油发电机组供电时，由于存在大量谐波分量损耗，功率因数低下，当灯光设备(2#灯光站)调节光级至四级光和五级光时，发电机组不能提供负载所需供电容量，导致电动机抖
7、动，调光器出现输出电流失调报警。因此，必须对机场助航灯光站电力谐波问题进行分析与治理。1机场谐波的产生及危害理想的电力系统向用户提供的应该是一个恒定工频的正弦波形电压，但是由于各种原因，使这种理想状态在实际中无法实现。电力系统谐波产生的根本原因是一些具有非线性伏安特性的输配电和用电设备。当电流流经非线性负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成了非正弦波电流，从而产生谐波。助航灯光站中的主要设备是控制助航灯光开/关和调节灯光亮度的调光器。目前白云机场使用的调光器均为可控硅调光器，采用可控硅斩波来调节输出电压，以达到输出电流保持在规定值的目的，输入的正弦波形经过可控硅斩波后变成非线性波形。调光器在
8、调相变控恒流过程中产生了大量的谐波，对整个系统造成污染。谐波的存在使得配电系统电压、电流产生畸变，功率因数下降，导致供电效率极低，当发电机供电时，由于柴油发电机无法提供全负荷运行所需的有功电能，因此调光器无法进行高光级下的电流控制和调节(高光级调节下相比低光级调节虽然功率因数有所提高，但所需的视在功率已超过发电机组的容量)，严重情况下甚至可能会出现设备跳闸的现象，存在极大的安全隐患。2机场助航灯光系统谐波问题分析白云机场供电系统的基本状况如下:供电容量较大，供电电压以110/10/0.4KV等级为主，机场设备较多且分散，用电量大，部分为专用设备，负荷有一定冲击性，供配电系统三相基本平衡，低压部
9、分进行了集中无功补偿，供电系统主要为三相五线制系统。以2#灯光站为例进行谐波测试分析，2#灯光站主要以2台500KVA变压器供电，采用双路电源供电方式，互为备用，应急发电机额定容量565KW，主要用电设备为机场助航灯光设备。采用日本日置公司的专用电能质量分析仪HIOKI3196对2#灯光站供电系统进行了较全面的电能质量检测。选取了3个测试点，主要对1#变压器、2#变压器不同运行状态(从一级到五级光)，发电机运行供电状态(从一级到四级光)进行测试。如图1所示。测试结果(2#变压器略)如下:注:上表中，THDI(U)为总电流(电压)谐波畸变率(TotalHarmonicDistortioninPe
10、rcentofCurrent(Voltage)，a、b、c分别表示a、b、c三相。PF为基波功率因数。(为了体现有源滤波器滤除谐波和提高功率因数的作用，本次测试数据以及安装有源滤波器后的测试数据，都是在没有投入系统本身电容补偿的条件下取得的。)从检测结果可以看出:(1)在不同的运行状态下，电压谐波畸变率和电流谐波畸变率都比较高，并且由于发电机输出容量有限，电压谐波畸变率比市电供电条件下会更高，最低畸变率也已超过5%。同时谐波电流很大，这是导致柴油发电机组供电时灯光控制设备调光器出现电流失调现象的缘故。(2)在同一供电条件下，带不同负荷时，电流谐波畸变率越高，基波功率因数越低，在忽略电压影响条件
11、下，二者关系如下:PF=COS/(1+(THDI)2)1/2由此可以看出，电流谐波使有功功率因数降低，因而使电能利用率降低。(3)由发电机供电时，由于油机输出有效功率不足无法带五级光负载，因此得不到五级灯光时的参数。3谐波评估标准为了限制谐波污染，保障公用电网的安全运行，IEEE和IEC从不同角度出发推出了相应的谐波标准，我国早于1993年7月31日颁布了GB/T14549-1993电能质量-公用电网谐波国家标准，并于1994年3月1日实施。制定标准的基本原则是限制谐波源注入电网的谐波电流及其在电网中产生的谐波电压，防止其对电网发供电设备的干扰，保证电网的安全经济运行;把电网中的电压总谐波畸变
12、率及各次谐波含有率控制在允许的范围内，保证供电质量，使接入电网中用户的各种用电器具免受谐波的危害，保持正常工作。在GB/T14549-1993电能质量公用电网谐波国标中，对谐波电压畸变率的限值规定如表3所示:评估谐波电压是以电压总谐波畸变率是否超过上述标准为依据，谐波电压治理目标就是要小于表3中的限值。在上表1、2中，当通过变压器供给灯光站市电时，尽管由于系统阻抗原因电压谐波畸变率未超标(5%)，但电流谐波畸变率已经很大，导致系统功率因数非常低(可以与后文中经过谐波治理后的功率因数比较)，电能利用率极低;当用柴油发电机供电时，不仅电流畸变率很大，而且电压谐波畸变率均超标，同时功率因数比市电供电
13、条件下更低。经过对测试结果的分析，白云机场决定对本系统进行谐波治理。4谐波治理方案选择根据对机场助航灯光系统谐波参数的分析和国家谐波治理标准，我们对白云机场谐波抑制方案进行了选择。目前电力系统谐波治理主要存在两大主流方式:无源滤波技术和有源滤波技术。机场灯光站采用的大功率电力半导体调光设备，会产生大量高次谐波(主要是3倍次谐波以外的所有奇次谐波)，而无源滤波器对每次谐波都要单独设计单谐振滤波器，设计参数要跟系统阻抗有关(计算系统阻抗很繁琐，并且系统逐年扩建，系统阻抗也会变化);无源滤波不能对谐波完全消除，反而存在着放大谐振的危险;电容的老化会也会使原来设计谐振点偏移而达不到滤除目标谐波的目的;
14、无源滤波系统适合负荷单一、稳定的场合。与无源滤波器相比，有源滤波系统(ActivePowerFilter)具有高度可控性和快速响应性(1ms)，能补偿各次谐波，可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点;在性价比上较为合理;滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险;具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。其基本原理是从谐波源(被补偿对象)负载回路中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而相位相反的补偿电流波形，用以抵消谐波源负载所产生的谐波电流，从而使电网侧电流只含有基波分量。其核心部分是谐波电流发生器及其控制系统，其工作靠数字信号处理(DSP)技术控制快速绝
15、缘双极晶体管(IGBT)组成的智能变流器来完成反向谐波电流产生与输出。基于以上分析，确认方案采用有源滤波器进行谐波治理。在选型时，我们采用了具备国际领先技术的主动控制动态谐波注入(OCDI)技术-RESINE有源滤波系统，可以有效滤除2-51次谐波。从系统图上可以看出，作为谐波源的灯光控制器分布比较分散，所以宜采取集中治理的方案:在两台变压器低压母线段分别配置一套有源滤波系统进行谐波治理。1#变压器低压母线段并联1台额定容量为125A/相的有源滤波器，2#变压器低压母线段并联1台额定容量为200A/相的有源滤波器(由于篇幅所限，容量计算从略)。5谐波治理效果评估5.1数据效果(2#变压器略)对
16、比按如图2所示位置安装滤波器后，我们仍在原测试检测点进行电能质量测试，记录结果如下表4、5:从表4、5和表1、2的对比中可以看出:投入滤波系统之后，谐波电流畸变率有了很大幅度的减小，尤其是发电机带载运行时，谐波电压畸变率降低到了国标允许值以内。供电电流和功率因数的前后变化对比如下表6(忽略电压的变化):以上数据是在同等负荷的条件下测得，电源侧有功功率变化仅仅由于滤波器的投入增加了几个KW，但供电电流反而降低很多(最低21.93%，最高达44.96%)。由此可见，负荷越不稳定，有源滤波器投入使用后，谐波抑制效果越显著，在降低供电电流的同时，也极大地提高了功率因数(以上数据均在未投入电容补偿时测得
17、)。5.2.1电压/电流波形对比以1#变压器为例证:在1级光运行状态下，滤波器投运前后变压器低压出线侧的电压/电流波形如下图3，从中可以很直观地看出滤波器投运后谐波的改善状况。5.2.2供电电流/功率因数数据对比同样，以1#变压器为例证:在1级光运行状态下，滤波器投运前后变压器低压出线侧的供电电流/电能数据如下图4、图5，从中可以看出滤波器投运后电源电流有效值和谐波电流畸变率大幅度降低，功率因数明显得到改善。从附图的对比中可以看出:同种负载条件下，投入使用RESINE有源滤波器后，电能质量改善的同时，又节省了电能;功率因数的大幅度提高，提升了变压器、发电机的供电容量，从而解决了系统发电机带全负
18、荷运行时控制设备失调的问题。参考文献1广州，叶翠，钟全昌.助航灯光变电站谐波及治理J.民航科技.2008,1:70-722GB/T14549-93，电能质量公用电网谐波S3李战鹰，任震，杨泽明.有源滤波装置及其应用研究综述J.电网技术.2004,28(22):40-43作者简介张云青(1962-)，女，副总工程师，国内民航界供电及助航灯光资深专家，研究方向为机场电能质量与电能安全管理。李建民(1968-)，男，工程师，研究方向为机场电能质量与电能安全管理。连如玉(1979-)，男，经理，研究方向为机场电能质量与电能安全管理。杜菁(1979-)，女，主管工程师，研究方向为机场电能质量与电能安全管理。
