有源電力濾波器

1、概述

1.1 諧波的產(chǎn)生

    電力系統(tǒng)中理想的電壓、電流波形都是頻率為50Hz的正弦波，但是非線性電力設(shè)備 （大功率可控硅、變頻器、UPS、開關(guān)電源、中頻爐等）的廣泛應(yīng)用產(chǎn)生了大量畸變的諧波電流，諧波電流耦合在線路上產(chǎn)生諧波電壓。對非正弦的畸變電流作傅立葉級數(shù)分解，其中頻率與工頻相同的分量為基波，頻率是基波頻率整數(shù)倍的分量為諧波。諧波是電能質(zhì)量的重要指標(biāo)。

1.2 諧波的危害

●  諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率。大量三次諧波流過中線會使線路過熱，甚至引起火災(zāi)。

●  諧波會影響電氣設(shè)備的正常工作，使電機產(chǎn)生機械振動和噪聲等；使變壓器局部嚴(yán)重過熱；使電容器、電纜等設(shè)備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以致?lián)p壞。

●  引起電網(wǎng)諧振，使得諧波電流放大幾倍甚至數(shù)十倍，會對系統(tǒng)，特別是對電容器和與之串聯(lián)的電抗器形成很大的威脅，經(jīng)常使電容器和電抗器燒毀。

●  諧波會導(dǎo)致繼電保護(hù)，特別是微機綜合保護(hù)器與自動裝置誤動作，造成不必要的供電中斷和生產(chǎn)損失。諧波還會使電氣測量儀表計量不準(zhǔn)確，產(chǎn)生計量誤差，給用電管理部門或電力用戶帶來經(jīng)濟損失。

●  臨近的諧波源或較高次諧波會對通信及信息處理設(shè)備產(chǎn)生干擾，輕則產(chǎn)生噪聲、降低通信質(zhì)量、計算機無法正常工作，重則導(dǎo)致信息丟失，使工控系統(tǒng)崩潰。

1.3 有源電力濾波器產(chǎn)品效益

●  使諧波指標(biāo)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，避免供電部門罰款或中斷供電；

●  降低變壓器損耗；

●  減少諧波污染，降低諧波對自動控制裝置、電能計量裝置、繼電保護(hù)裝置的干擾，保證供配電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行；

●  避免諧波過電壓和諧波過電流對電氣設(shè)備的危害，延長設(shè)備使用壽命；

●  節(jié)能降耗，提高功率因數(shù)，節(jié)約電費，避免罰款。

1.4 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

    GB/T14549-1993 《電能質(zhì)量：公用電網(wǎng)諧波》

    GB/T15543-2008 《電能質(zhì)量：三相電壓不平衡度》

    GB/T12325-2008 《電能質(zhì)量：供電電壓偏差》

    GB/T12326-2008 《電能質(zhì)量：電壓波動和閃變》

    GB/T18481-2001 《電能質(zhì)量：暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓》

    GB/T15945-2008 《電能質(zhì)量：電力系統(tǒng)頻率偏差》

    GB17625.1-2012 《電磁兼容 限值 諧波電流發(fā)射限值》

    GB/T15576-2008 《低壓成套無功功率補償裝置》

2、產(chǎn)品介紹

2.1 工作原理

    ANAPF系列有源電力濾波器并聯(lián)在含諧波負(fù)載的低壓配電系統(tǒng)中，能夠?qū)討B(tài)變化的諧波電流進(jìn)行快速實時的跟蹤和補償。其原理為：ANAPF系列有源電力濾波器通過CT采集系統(tǒng)諧波電流，經(jīng)控制器快速計算并提取各次諧波電流的含量，產(chǎn)生諧波電流指令，通過功率執(zhí)行器件產(chǎn)生與諧波電流幅值相等方向相反的補償電流，并注入電力系統(tǒng)中，從而抵消非線性負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流。

      圖2-1  ANAPF有源電力濾波器原理圖

2.2 產(chǎn)品特點

●  DSP+FPGA全數(shù)字控制方式，具有極快的響應(yīng)時間，的主電路拓?fù)浜涂刂扑惴?，精度更高、運行更穩(wěn)定；

●  一機多能，既可補諧波，又可兼補無功，可對2～31次諧波進(jìn)行全補償或特定次諧波進(jìn)行補償；

●  具有完善的橋臂過流保護(hù)、直流過壓保護(hù)、裝置過溫保護(hù)功能；

●  模塊化設(shè)計，體積小，安裝便利，方便擴容；

●  采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏以實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和控制，使用方便，易于操作和維護(hù)；

●  輸出端加裝濾波裝置，降低高頻紋波對電力系統(tǒng)的影響；

●  多機并聯(lián)，達(dá)到較高的電流輸出等級；

●  擁有自主技術(shù)。

2.3 主要技術(shù)參數(shù)

表2-1 ANAPF有源電力濾波器技術(shù)參數(shù)

2.4 產(chǎn)品型號及說明

3、產(chǎn)品應(yīng)用

3.1 容量計算方法

諧波是由非線性設(shè)備產(chǎn)生的，而每種設(shè)備的實際工作狀態(tài)都不同。因此實際諧波電流需采用專門設(shè)備進(jìn)行測量，考慮到設(shè)備的技術(shù)及經(jīng)濟性，設(shè)計諧波治理裝置的額定諧波補償電流應(yīng)略大于系統(tǒng)諧波電流。由于諧波電流本身的測量與計算比較復(fù)雜，況且在設(shè)計時往往很難采集到足夠的電氣設(shè)備使用中的諧波數(shù)據(jù)，可以根據(jù)下列公式估算諧波電流進(jìn)行選型。

3.1.1 根據(jù)負(fù)載額定電流和行業(yè)類型選型

3.1.2  根據(jù)變壓器容量和行業(yè)類型選型

3.1.3  根據(jù)快速選型表查表選型

    查表步驟：

    步驟1：確定變壓器容量和變壓器負(fù)載率（一般在0.6~0.8）；

    步驟2：根據(jù)變壓器負(fù)載率確定表2、表3或表4；

    步驟3：確定電流總諧波畸變率（THDi）（表1中THDi值為參考值，僅在估算諧波電流時使用）；

    步驟4：根據(jù)變壓器容量及THDi參考值確定相應(yīng)的諧波電流值；

    步驟5：考慮到一定的裕量，選擇相應(yīng)容量的ANAPF有源電力濾波器。

注：表1～表4參見附錄1。

3.2 選型示例

    上海某工廠辦公大樓變壓器容量為250KVA，變壓器負(fù)載率為0.8，主要負(fù)載為節(jié)能燈、變頻空調(diào)和電梯等，屬于辦公樓宇。

    變壓器容量為250KVA；

    變壓器負(fù)載率為0.8；

    負(fù)載類型屬于辦公樓宇，根據(jù)表1估算THDi為30%；

    查表4可得估算諧波電流值為83A；

    如果根據(jù)公式（2）計算，結(jié)果是一樣的；

    考慮到一定的裕量，選擇100A的ANAPF有源電力濾波器。

3.3 治理方式分類與說明

    電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)針對不同的場合可選擇不同的治理方案，一般有集中治理、局部治理和就地治理三種技術(shù)方案。

    （一）集中治理

集中治理上圖示例

    本案例是在變電所低壓電容柜中設(shè)置無功補償，同時在配電前端設(shè)置有源電力濾波器，采用集中治理的方式抑制諧波。

    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，但整棟大樓的總電流大，總諧波電流也大。

    （二）局部治理

局部治理上圖示例

    本案例是在變電所低壓電容柜中設(shè)置無功補償，同時在局部諧波源前端設(shè)置有源電力濾波器，采用局部治理的方式抑制諧波。

    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，采用局部諧波治理。

    （三）

就地治理上圖示例

    本案例是在變電所低壓電容柜中設(shè)置無功補償，同時在主要諧波源的前端設(shè)置有源電力濾波器，采用就地治理方式的抑制諧波。

    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。

4 應(yīng)用案例

4.1  ANAPF在數(shù)據(jù)機房的應(yīng)用

▲ 項目背景：

    常熟智慧城市是一個市民卡信息中心，其中包括大型數(shù)據(jù)機房，對電能質(zhì)量要求非常高；為了提高供電可靠度，采用大量的UPS作為設(shè)備電源，機房內(nèi)還包含空調(diào)設(shè)備、照明設(shè)備等。此類電力電子設(shè)備皆屬于非線性負(fù)載，在使用過程中會產(chǎn)生大量諧波并注入系統(tǒng)中，主要以5次、7次為主；如果不進(jìn)行諧波治理，對電網(wǎng)造成嚴(yán)重的污染，也影響機房中其他敏感設(shè)備，比如導(dǎo)致通信數(shù)據(jù)錯誤，甚至癱瘓、中斷，降低了配電系統(tǒng)的安全性、可靠性。

▲ 治理方案：

    根據(jù)以往測量經(jīng)驗進(jìn)行諧波分析與估算，諧波主要由UPS和一些非線性直流電源產(chǎn)生，供電系統(tǒng)由2臺800kVA變壓器及其一臺800kW發(fā)電機組成，采用集中治理方案，在每臺變壓器下加裝300A有源電力濾波器，由兩臺150A并機實現(xiàn)，型號為ANAPF150-380/BGL，來自動跟蹤補償負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流，保證整個系統(tǒng)安全可靠運行。

▲ 治理效果：

圖4-1治理之前A、B、C、N相電流波形和電流頻譜

    由圖可以看出，治理前，N線電流較大，3次、5次、7次等諧波頻次含量較大；治理后，N線電流明顯降低、各次諧波電流得到抑制，提高了供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，了諧波對通信系統(tǒng)影響的危害，收到了良好的運行效果。

▲ 安裝現(xiàn)場：

圖4-2 安裝現(xiàn)場

4.2  ANAPF在辦公樓宇的應(yīng)用

▲ 項目背景：

    珠海橫琴口岸項目是臨時邊檢大樓的新建項目，為邊檢部門電氣設(shè)備提供可靠電力支持，對電能質(zhì)量要求較高；用電設(shè)備主要是大功率UPS、LED顯示屏、空調(diào)、照明和報檢大廳動力設(shè)備等，會產(chǎn)生大量諧波，其諧波主要包括3、5、7、9次；不進(jìn)行合理治理，將對其他電氣設(shè)備產(chǎn)生危害，如：大量的3次諧波造成中線過熱甚至發(fā)生火災(zāi)；大量諧波造成變壓器局部嚴(yán)重過熱；繼電保護(hù)發(fā)生誤動作等。

▲ 治理方案：

    根據(jù)以往測量經(jīng)驗進(jìn)行諧波分析與估算，諧波主要由UPS和一些非線性直流電源產(chǎn)生，該項目有1#、2#兩個配電站，1#配電站有2臺800kVA的變壓器，2#配電站有2臺1000KVA的變壓器，分別采用集中治理方案，在每臺變壓器下加裝ANAPF系列有源電力濾波器，由于安裝空間有限，選擇我司壁掛式有源電力濾波器進(jìn)行嵌入式安裝，1#配電站中#1和#2變壓器下安裝型號均為ANAPF75-380/BBL，2#配電站中#1和#2變壓器下安裝均為2臺型號為ANAPF60-380/BBL的有源電力濾波器并機使用，保障了整個供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

▲ 治理效果：

圖4-4治理之后電流波形和各次諧波電流畸變率

    治理前電流波形發(fā)生畸變，三相電流畸變率分別為10.8%、11.1%、12.5%；在加裝ANAPF系列有源電力濾波器后電流波形趨向正弦波，各次諧波得到抑制，電流畸變率明顯降低，三相電流畸變率降至4.0%、4.1%、4.4%。

▲ 安裝現(xiàn)場：

4.3  ANAPF在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

▲ 項目背景：

    合肥日立建機是日立建機集團(tuán)在中國zui大的生產(chǎn)基地，其主要負(fù)載是變頻器、電焊機和中頻爐等，這類負(fù)載屬于中污染設(shè)備，使用時電流變化很快，無功需求大，傳統(tǒng)無功柜跟不上負(fù)載變化速度，導(dǎo)致功率因數(shù)很低，造成無功罰款；同時又會產(chǎn)生大量諧波流入電網(wǎng)中，諧波電流在線路上流動會產(chǎn)生壓降，使得電壓也畸變嚴(yán)重，致使一些精度高的生產(chǎn)設(shè)備不能正常運行，影響公司的生產(chǎn)，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降，給客戶帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。

▲ 治理方案：

    該項目共有6臺變壓器，均采用集中治理方案，在變壓器的出線側(cè)加裝ANAPF系列有源電力濾波器，型號為：ANPF200-380/BGL，既可補償諧波又可補償部分動態(tài)無功。同時，建議在變頻器的進(jìn)線端加裝輸入電抗器，用來濾除部分變頻器諧波，以達(dá)到更好的治理效果。

▲ 治理效果：

    由圖4-5和圖4-6可以看出，治理前，電流波形失真十分嚴(yán)重，三相電流畸變率分別為21.3%、25.0%、28.0%，主要以5次、7次、11次等符合6n±1次特性的諧波為主，功率因數(shù)約0.83左右，會造成無功罰款；加裝ANAPF系列有源電力濾波器后，電流波形已經(jīng)趨向正弦波，三相電流畸變率分別為2.6%、2.6%、2.6%，主要頻次諧波得到抑制，功率因數(shù)也都到很明顯的提高。此次諧波治理，電網(wǎng)質(zhì)量得到明顯，地保護(hù)了生產(chǎn)線上設(shè)備的正常運行。   

▲ 安裝現(xiàn)場：

4.4  ANAPF在港口碼頭的應(yīng)用

▲ 項目背景：

    江陰港港口的主要諧波源是門機、行車和一些辦公設(shè)備，門機在運行時需要大量無功，且電流沖擊大，波動很快，產(chǎn)生大量的諧波電流，功率因數(shù)很低，造成無功罰款；傳統(tǒng)的純?nèi)轃o功補償裝置已經(jīng)不能解決這些電能質(zhì)量問題，不及時治理，甚至?xí)o功柜產(chǎn)生危害，使得電容壽命降低，更換頻繁。

▲ 治理方案：

    因現(xiàn)場非線性負(fù)載（經(jīng)檢測，主要為起重機回路）多，且具有地域分散，沖擊電流大的特點，易采用集中治理方式，在每個變電站進(jìn)行諧波治理。采用無功功率補償和諧波治理綜合方案可兼顧無功補償和諧波治理功能，該方案利用現(xiàn)有無功補償控制柜，減少用戶改造投入成本，將ANAPF系列有源電力濾波裝置并聯(lián)到配電系統(tǒng)中，一方面可抑制諧波放大，保護(hù)電容器，而裝置的檢修與日常維護(hù)只需從電網(wǎng)中切除，不影響現(xiàn)場的正常運營。

▲ 治理效果：

    由圖4-7和圖4-8可以看出，治理前，電流波形失真十分嚴(yán)重，呈現(xiàn)典型的M型，三相電流畸變率分別為18.3%、25.1%、32.5%，主要以5次、7次諧波為主；加裝ANAPF系列有源電力濾波器后，電流波形已經(jīng)趨向正弦波，三相電流畸變率分別為2.6%、2.6%、2.6%，主要頻次諧波得到抑制，電網(wǎng)質(zhì)量得到明顯，地保護(hù)了其他電氣設(shè)備。  

▲ 安裝現(xiàn)場：

4.5  ANAPF在商業(yè)中心的應(yīng)用

 ▲ 項目背景：

    無錫恒隆廣場屬于大型商業(yè)建筑，主要負(fù)載是中央空調(diào)、電梯和照明設(shè)備等，由于變頻器的節(jié)能性，使用大量變頻器驅(qū)動這些設(shè)備，但同時會產(chǎn)生大量3次、5次、7次等諧波電流。諧波電流在線路上流動產(chǎn)生壓降，使得電壓也跟著畸變，電壓畸變率超過國標(biāo)限值，供電質(zhì)量相當(dāng)糟糕，影響其他用電設(shè)備的正常使用，現(xiàn)場會出現(xiàn)燈具閃爍的現(xiàn)象。

▲ 治理方案：

    無錫恒隆廣場該配電系統(tǒng)中共有2臺2000KVA的變壓器，均采用集中治理方案，在變壓器的出線側(cè)加裝400A的ANAPF系列有源電力濾波器，使用2臺200A并機實現(xiàn)，型號為：ANPF200-380/BGL。

▲ 治理效果：

圖4-9治理前電流波形

圖4-10治理后電流波形

    從圖4-9和圖4-10可看出，治理前電流波形發(fā)生畸變，出現(xiàn)多出鋸齒狀；治理后電流波形明顯得到，趨向標(biāo)準(zhǔn)正弦波，電能質(zhì)量達(dá)到很大提高，給用電帶來保障。

▲ 現(xiàn)場安裝：

4.6  ANAPF在其它行業(yè)的應(yīng)用

    軌道交通

    城市軌道交通存在大量熒光燈、UPS電源、變頻器及軟啟動裝置，均會產(chǎn)生大量諧波，使得電力系統(tǒng)正弦波畸變，電能質(zhì)量降低。諧波進(jìn)行綜合治理，給交通安全、順暢帶來保障。

    類似行業(yè)案例：、山東日照機場、南海三沙市機場、吉林站西廣場交通樞紐等。

    醫(yī)院

    醫(yī)院行業(yè)主要是核磁共振機、CT機等設(shè)備會產(chǎn)生大量諧波，大量醫(yī)療設(shè)備對供電電源的諧波質(zhì)量要求非常高，如果不進(jìn)行治理，很可能造成檢測數(shù)據(jù)誤差大，設(shè)備之間干擾不能正常工作，造成嚴(yán)重的醫(yī)療事故。諧波治理后，降低了用電隱患。

    類似行業(yè)案例：陜西榆林*人民醫(yī)院、上?？祻?fù)醫(yī)院、滁州市人民醫(yī)院、安徽六安第六人民醫(yī)院等。

    冶金

    冶金行業(yè)中大量使用了電弧爐、加熱爐、軋機等，這些負(fù)載不僅容量大，而且大部分為感性負(fù)荷，在不使用無功補償裝置的情況下，功率因數(shù)極低，且產(chǎn)生大量畸變的諧波，嚴(yán)重危害電力系統(tǒng)的安全運行和電氣設(shè)備安全經(jīng)濟地運行。

    類似行業(yè)案例：江蘇省鑌鑫特鋼材材料有限公司、宇東能源化工基地等。

    體育館、演播廳

    體育館、演播中心這類場所，主要就是大量舞臺燈光、LED屏幕、高桿燈等設(shè)備產(chǎn)生諧波。使得電能質(zhì)量變差，及時進(jìn)行諧波治理可保障設(shè)備本身的使用效果，給用電帶來保障。

    類似行業(yè)案例：蘇州澹臺湖會議中心、廣州文化宮、武漢市教育電視臺演播廳、岳陽市奧體中心及游泳館等。