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(jī)產(chǎn)生機(jī)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(jī)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(jì)量不準(zhǔn)確，產(chǎn)生計(jì)量誤差，給用電管理部門或電力用戶帶來經(jīng)濟(jì)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(jì)算機(jī)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(jì)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(yùn)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(fèi)，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(shí)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(bǔ)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(shí)時(shí)的跟蹤和補(bǔ)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(jì)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(bǔ)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(diǎn)

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

●  一機(jī)多能，既可補(bǔ)諧波，又可兼補(bǔ)無功，可對2～31次諧波進(jìn)行全補(bǔ)償或特定次諧波進(jìn)行補(bǔ)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(jì)，體積小，安裝便利，方便擴(kuò)容；

●  采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏以實(shí)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(jī)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(jì)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(shí)際工作狀態(tài)都不同。因此實(shí)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(jì)性，設(shè)計(jì)諧波治理裝置的額定諧波補(bǔ)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(jì)算比較復(fù)雜，況且在設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)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(jì)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(bǔ)償，同時(shí)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(gè)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(bǔ)償，同時(shí)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(bǔ)償，同時(shí)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(jī)房的應(yīng)用

▲ 項(xiàng)目背景：

    常熟智慧城市是一個(gè)市民卡信息中心，其中包括大型數(shù)據(jù)機(jī)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(jī)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(jī)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(yàn)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(jī)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(jī)實(shí)現(xiàn)，型號為ANAPF150-380/BGL，來自動跟蹤補(bǔ)償負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流，保證整個(gè)系統(tǒng)安全可靠運(yùn)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(yùn)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(xiàng)目背景：

    珠海橫琴口岸項(xiàng)目是臨時(shí)邊檢大樓的新建項(xiàng)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(bào)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(yàn)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(xiàng)目有1#、2#兩個(gè)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(jī)使用，保障了整個(gè)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(xiàng)目背景：

    合肥日立建機(jī)是日立建機(jī)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(jī)和中頻爐等，這類負(fù)載屬于中污染設(shè)備，使用時(shí)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(shí)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(yùn)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(jì)損失。

▲ 治理方案：

    該項(xiàng)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(bǔ)償諧波又可補(bǔ)償部分動態(tài)無功。同時(shí)，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(yùn)行。   

▲ 安裝現(xiàn)場：

4.4  ANAPF在港口碼頭的應(yīng)用

▲ 項(xiàng)目背景：

    江陰港港口的主要諧波源是門機(jī)、行車和一些辦公設(shè)備，門機(jī)在運(yùn)行時(shí)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(bǔ)償裝置已經(jīng)不能解決這些電能質(zhì)量問題，不及時(shí)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(jī)回路）多，且具有地域分散，沖擊電流大的特點(diǎn)，易采用集中治理方式，在每個(gè)變電站進(jìn)行諧波治理。采用無功功率補(bǔ)償和諧波治理綜合方案可兼顧無功補(bǔ)償和諧波治理功能，該方案利用現(xiàn)有無功補(bǔ)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(yùn)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(xiàng)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(shí)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(jī)實(shí)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(jī)場、南海三沙市機(jī)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(jī)、CT機(jī)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(jī)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(bǔ)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(yùn)行和電氣設(shè)備安全經(jīng)濟(jì)地運(yùn)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(shí)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。