机场导航照明系统中有源滤波器的谐波分析与处理方案

0个介绍

机场导航照明系统是视觉导航辅助设备的重要组成部分. 它使用高（中）光强度和不同颜色的光序列来勾勒出机场的跑道，滑行道和进场区域. 其主要功能是在夜间或可见性差的情况下为飞行员提供清晰的视觉信息. 导航辅助照明系统的电源级别属于一级负载中特别重要的负载，这与飞机的安全运行有关. 通常在跑道附近的安全区域设置一个或两个轻型变电站，该变电站专门用于照明和导航设备. 各种类型的导航辅助装置安装在跑道，滑行道或路肩上. 它们是场外照明灯，电源线较长. 国际民航组织建议使用串联电源. 为了确保有个别故障，灯泡的故障不会导致整个电路中的所有灯泡都熄灭. 每个灯的前面必须安装一个隔离变压器. 同时，照明系统需要三到五个级别的调光，其调光器主要是晶闸管. 因此，在照明系统的实际运行中会产生很多谐波.

1次谐波危害

随着技术的进步和技术的发展，节能自动化设备的应用越来越广泛，产能也在不断扩大. 这些设备虽然可以在节能降耗中发挥很大的作用，但它们产生的谐波，电网污染以及电磁干扰可能会进一步影响系统中的其他电气设备，并带来危害.

电源系统中谐波的定义是: 周期性AC量的傅里叶级数分解，以获得其频率大于基频的整数倍的分量. 谐波频率与基频之比（n = fn / f1）被称为谐波次数. 有时，电网中存在非整数谐波，称为非谐波或分数谐波. 谐波实际上是一种干扰，使电网“污染”. 将谐波电流注入公共电网或在公共电网上产生谐波电压的电气设备称为谐波源.

电网中的谐波污染越来越严重，给电力系统和各种电气设备带来危害. 谐波会增加电气设备的热损失. 对于变压器，铁芯会产生热量损失，尤其是涡电流. 损耗很大，变压器绕组中存在谐波电流，并且铁芯中感应出磁通量，从而导致铁损. 谐波还会干扰电子设备，使信息失真，并可能对信息系统造成频率耦合干扰. 高压架空线上的谐波电流流动不仅增加了线路损耗，而且干扰了相邻的通讯线路. 谐波光会增加能耗，缩短设备寿命，影响系统的运行效率，并严重损坏设备，导致电力事故，甚至危及电源系统的安全运行. 因此，有必要消除谐波污染，将谐波含量控制在允许范围内.

2导航灯的谐波分析

当前，电力系统中谐波源的类型很多，并且分布广泛. 用户电网中的谐波电流可能来自他们自己的非线性设备或外部线路. 具有非线性特性的电气设备是主要的谐波源，例如带有电力电子设备的变频器设备，交流控制器，变压器，可控硅和熔炼电弧炉的级联控制风扇和泵等. 会给谐波控制带来困难.

在机场导航照明系统中，为了实现有效的调光效果，SCR恒流调光器（CCR）在世界范围内普遍使用. 恒流调光器的工作原理是使用反并联晶闸管调节器为升压变压器供电. 数字调节器确定SCR导通角，以将输出电流调整为参考值. 参考值随所选的光照水平而变化. 在此前提下，需要保证恒流调光器的输出电流为恒定值，第一级光为2.8A，第二级光为3.4A，第三级光为4.1A，第四级灯为5.2A，第五级灯为6.6A. 当负载在一半额定负载到满负载范围内变化时，恒流调光器的功能还可以保持恒定电流输出；如果负载为30％，则变化不大于或小于2. 隔离变压器二次开路％. 晶闸管调节器和升压变压器是导航灯的主要谐波源.

在进行谐波控制之前，有必要了解电网中谐波的数量和含量，即必须进行谐波测试. 谐波测量是谐波问题的重要组成部分，也是研究谐波问题的主要依据. 我们在上海虹桥机场东跑道的北光站进行了谐波检测. 测量并收集了北光站的两个变压器的调光器输入侧，跑道侧光路2和滑行道中心线光路3的电能质量数据和其他数据. （测量点见图1） ）

图1测量点

具体测量情况如下:

测量点1: 在切换电容器柜前后，北光站进线B的变压器低压侧，进行1级至5级光的实时测量；

测量点2: 滑行道中心线照明电路3调光器入口侧，实时测量1级到5级光；

测量点3: 切换电容器柜前后，北光站进线A的变压器低压侧，实时测量1级至5级光；

测量点4: 调光器进入跑道侧照明电路2的入射侧，实时测量1级至5级光的情况；

1）主谐波源调光器（以测量点1为例）

电压波形电流波形

A相电压和电流比较波形B相电压和电流比较波形

C相电压和电流谐波直方图的对比波形

从上图的比较可以看出: 电压波形的畸变很小，电流波形的畸变率非常严重. 这是由于大量高次谐波叠加导致正弦波严重失真所致.

谐波直方图显示晶闸管调光器的谐波电流频谱范围非常宽. 除了3、5、7、9、11和13次之外，还有15、17、19个高次谐波，例如25、29、31和34. 表1给出了电容器柜断开条件下的数据汇总.

表1: 测量数据摘要（删除电容器柜数据）

3个治理措施

3.1谐波控制方案的选择

从以上系统配电图和测量数据来看，北光1#和2#变压器供电系统的电能质量问题十分突出. 主要问题是谐波污染非常严重，功率因数很低. 由于变压器下面的主负载晶闸管调光器是典型的非线性谐波源，因此该器件在调光过程中会引起很多谐波污染，电流也严重滞后于电压，并且功率因数非常低；光学设备需要两相电源（AB相，BC相，CA相），这将导致严重的三相不平衡，从而在电容器快速频繁切换期间引起电压和电流波动以及大量无功功率机柜的影响同时对系统谐波有很大的放大作用，进一步影响供电和配电系统的安全性和可靠性，并且对整个导航辅助照明系统的运行都存在隐患. 这些问题长期困扰着我们的设计和管理人员. 因此，迫切需要使用谐波控制设备来消除系统谐波，同时提高功率因数并改善系统三相不平衡和其他主要电能质量问题，从而提高系统的安全性和稳定性. <

合理设计和选择滤波器，以及正确安装和使用滤波器，是抑制谐波干扰的重要环节. 通常有以下几种方法:

1）有源功率滤波器（APF）

工作原理: 有源滤波器是由功率电子元件和DSP组成的功率转换设备. 在检测到负载侧的谐波电流后，将瞬时提取的无功功率分量和谐波分量作为参考值，以主动提供对应于反向补偿电流，补偿后系统剩余的基本有功电流几乎是纯正弦波波形，其行为模式是有功电流源输出.

特征: 实时产生具有相等幅度和相反相位的谐波电流，以消除需要处理的谐波. 每个谐波都可以实时动态滤波，而不受负载变化的影响. 理论过滤率大于97％.

2）无源功率滤波器（PF）

工作原理: 它由LC和其他组件组成，这些组件设计为在特定频率下具有极低的阻抗，并分流相应频率的谐波电流. 其行为方式是提供一定数量的谐波电流旁路；电容器和电抗器串联在一起，形成需要谐波处理的低阻抗“阱”.

特征: 仅可以滤除一定数量的谐波以进行静态控制. 当负载率较小时，会发生过度补偿，并且容易与电网产生谐振. 理论过滤率小于70％.

根据现场测量结果，北光站变压器低压出口侧的谐波很大，频谱很宽，负载范围变化很​​大，有一些三相不平衡，因此不适合使用无源滤波器进行处理. 而且存在很大的共鸣风险. 有源滤波器是专门为具有此类特性的低压配电系统设计的. 该装置具有滤波效率高，实时跟踪和响应速度快的特点，可以有效地滤除负载谐波，抑制系统振荡，提高电网的稳定性. 同时，在节能降耗，供电设备扩容方面取得了明显效果.

3.2谐波治疗计划

Ankerui ANAPF系列有功功率滤波器，通过实时检测负载谐波和无功功率分量并与电网并联，使用PWM转换器技术从转换器产生电流谐波. 无功分量实时注入电力系统，实现谐波控制和无功补偿，如图2所示:

图2 ANAPF有源功率滤波器的原理图

（1）集中治理

适用于单个设备的谐波含量小而数量大且布局分散的场合，例如办公楼（个人计算机，节能灯，变频空调，电梯等），尽管单个设备的电流很小，谐波含量很低，但是整个建筑物的电流很大，谐波电流也很大，如图3所示:

图3集中治理

（2）地方治理

适用于谐波源集中在一个或几个馈线分支中的配电系统，例如医院精密仪器，UPS电源等. 尽管单个设备的电流很小，但谐波含量很低，但是使用局部谐波补偿，防止其他设备产生的谐波对其产生干扰，如图4所示:

图4地方治理

（3）地方治理

适用于谐波源清晰且单个设备的谐波含量较大的配电系统，例如大型商业区的景观照明，剧院中的晶闸管调光设备以及工业区中的变频器速度控制设备.滤波在谐波分析，单个设备具有高电流，高谐波含量和高谐波电流. 为了防止谐波电流影响其他电气设备，请进行局部处理，如图5所示:

图5地方治理

3.3主要设备清单

活动过滤器的报价和主要组件列表

4个结论

动态有源滤波器可以实时动态过滤每个谐波，而不受负载变化的影响，可以安装在谐波源上，也可以集中管理在变电站中. 它易于安装，能耗低，效率高，具有无功补偿和三相平衡功能，大大提高了功率因数.

安装动态有源滤波器后，照明站所有级别的谐波分量均小于3％，满足公共电网接入点（PCC）的总谐波极限要求. 国家电网谐波国家标准避免了集中谐波源设备之间的相互干扰和影响，从而确保了调光器负载和内部电源系统的正常连续运行. 治理效果更好，供电质量得到改善滤波在谐波分析，达到了预期的治理目标.

参考

[1] Ankerui Electric Co.，Ltd.产品手册. 2013.01. 版

[2]柴洁琼. 机场导航灯系统谐波分析与处理[J]. 电气应用，2013（16）

[3]“民用机场飞行区技术标准”（MH5001-2006）

[4]“公共电网的电能质量谐波” GB / T 14549-93

关于作者:

任华，男，安克瑞电气本科，工程师，

技术交流: 021-59104851邮箱: 2880157851@qq.com /

人华

安克瑞电气上海嘉定201801

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