有源電力濾波器

1 電能質(zhì)量與諧波
1.1 諧波的產(chǎn)生
　　隨著電力電子變流裝置的應(yīng)用日益廣泛，電能得到了更加充分的利用。但非線性電力設(shè)備的廣泛應(yīng)用產(chǎn)生了大量畸變的電流諧波，畸變電流在電網(wǎng)中的流動導(dǎo)致了諧波電壓；諧波污染越來越多地威脅到電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運行，給同一網(wǎng)絡(luò)的線性負(fù)載和其它用戶帶來了*影響。諧波已與電磁干擾、功率因數(shù)降低并列為電力系統(tǒng)的三大公害。所以了解諧波產(chǎn)生的原理、研究消除供配電系統(tǒng)中的高次諧波問題對改善供電質(zhì)量和確保電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運行有著非常積極的意義。諧波測量是諧波問題中的一個重要分支，對抑制諧波、解決諧波產(chǎn)生的問題有著重要的指導(dǎo)作用。因此對諧波的測量和分析是電力系統(tǒng)分析和控制中的一項重要工作，是繼電保護(hù)、故障測量等工作開展的重要前提。
　　主要諧波產(chǎn)生源如下表：

表1-1諧波產(chǎn)生源

1.2 諧波的危害
1.2.1使電力元件附加損耗加大，易引發(fā)火災(zāi)。
　　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)。
1.2.2影響電氣設(shè)備的正常運行。
　　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。
1.2.3引起電網(wǎng)諧振。
　　這種諧振可能使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。
1.2.4使繼電保護(hù)誤動作，電氣測量誤差過大。
　　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(jì)損失。
1.2.5使工控系統(tǒng)崩潰。
　　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(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 諧波治理依據(jù)的國家標(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：三相電壓允許不平衡度》
GB/T12325-2008 《電能質(zhì)量：供電電壓允許偏差》
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)頻率允許偏差》
GB7625.1-2012  《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 有源電力濾波器
2.1 型號說明 

2.2 產(chǎn)品外形尺寸 （單位：mm）

　　　圖2-1  ANAPF外形圖（客戶可定制）

(a)立柜式                                                         (b)立柜式                                                           (c)抽屜式
圖2-2  ANAPF外形尺寸圖

2.3 工作原理
　　ANAPF系列，以并聯(lián)方式接入電網(wǎng)，通過實時檢測負(fù)載的諧波和無功分量，采用PWM變流技術(shù)，從變流器中產(chǎn)生一個和當(dāng)前諧波分量和無功分量對應(yīng)的反向分量并實時注入電力系統(tǒng)，從而實現(xiàn)諧波治理和無功補(bǔ)償，如圖2-3所示：

　　圖2-3  ANAPF原理圖

2.4 主要技術(shù)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(jī)多能，既可補(bǔ)諧波，又可兼補(bǔ)無功；
• 模塊化設(shè)計，便于生產(chǎn)調(diào)試；
• 便利的并聯(lián)設(shè)計，方便擴(kuò)容；
• 具有完善的橋臂過流保護(hù)功能；
• 使用方便，易于操作和維護(hù)。

2.5 技術(shù)參數(shù)

表2-1ANAPF技術(shù)參數(shù)

 2.6治理方案
2.6.1 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，但整棟大樓的電流大，諧波電流也大，如圖2-4所示：

圖2-4 集中治理

2.6.2 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，采用局部諧波補(bǔ)償，如圖2-5所示：

圖2-5 局部治理

2.6.3 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，如圖2-6所示：

圖2-6 就地治理

2.7 ANAPF選型
                                                                          表2-2  ANAPF選型一覽表

2.8ANAPF有源濾波器選型流程

圖2-7  ANAPF選型流程

2.9 安裝技術(shù)要求
2.9.1 布置要求
　　ANAPF一般為標(biāo)準(zhǔn)柜式和抽屜式結(jié)構(gòu)，立柜式濾波器安裝時應(yīng)避免倒置或平放，抽屜式濾波器安裝時只可平放，外形尺寸由所選諧波補(bǔ)償電流值決定，平面布置形式一般由諧波電流補(bǔ)償點位置決定。其平面布置要求如下：
1）離墻安裝：正常情況下建議與低壓開關(guān)柜并列離墻布置，正面操作，雙面維護(hù)，50A和100A濾波器背面維護(hù)通道不小于600mm，150A和200A濾波器背面維護(hù)通道不小于800mm。
2）靠墻安裝：ANAPF也可靠墻布置，正面操作，正面維護(hù)。
3）電氣設(shè)計人員在考慮系統(tǒng)接線及平面布置時應(yīng)注意將ANAPF的補(bǔ)償接入點盡量靠近補(bǔ)償對象，在末端預(yù)留空間供設(shè)計安裝，CT采樣處下游不能包含容性負(fù)荷。平面布置示意如下圖：
4）ANAPF所有正常情況下不帶電的金屬外殼均應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求的接地制式（TN-S、TN-C-S、TT等）嚴(yán)格做好相應(yīng)的保護(hù)接零或保護(hù)接地。

圖2-8 變電所平面布置圖

 2.9.2 互感器的安裝
1）互感器的P1端指向電網(wǎng)，P2端指向負(fù)載。
2）互感器與ANAPF的接線如圖2-9所示：
3）注意互感器的進(jìn)出線要*且方向正確。
4）安裝電纜規(guī)格如下表2-3：

圖2-9  ANAPF接線圖

表2-3 安裝電纜與CT采樣線截面積

2.10 主要應(yīng)用范圍及場合
1）機(jī)場：主控室、計算機(jī)房、廣播系統(tǒng)、EIB燈光調(diào)光系統(tǒng)等。
2）醫(yī)院：ICU（重癥監(jiān)護(hù)室）、MRI（磁共振成像）、手術(shù)室、醫(yī)學(xué)成像室、放療科等。
3）劇場、體育館：解決由于諧波造成的EIB調(diào)光設(shè)備及其它控制設(shè)備的損壞。
4）學(xué)校：精密實驗室、機(jī)房、網(wǎng)絡(luò)中心等。
5）研究所：精密儀器、機(jī)房、高精密設(shè)備集中區(qū)域等。
6）大型商場：解決由于節(jié)能燈大量應(yīng)用造成的諧波問題。
7）銀行：計算機(jī)中心、營業(yè)部計算機(jī)、安防系統(tǒng)等。
8）稅務(wù)、工商：大型計算機(jī)中心等。
9）電信機(jī)房：移動基站
10）工廠：生產(chǎn)線的PLC、計算機(jī)控制設(shè)備、高精度機(jī)床、PCS系統(tǒng)、計量/稱重系統(tǒng)等。
11）電視臺：圖像設(shè)備、調(diào)光設(shè)備、計算機(jī)等。

 3 有源電力濾波功能模塊介紹
3.1 人機(jī)操作界面APF-HMI
    HMI是我司針對電力系統(tǒng)、工礦企業(yè)、公用設(shè)施、智能大廈的電力監(jiān)控需求而設(shè)計的一種智能儀表，它采用彩色觸摸屏以實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和控制，集成全部電力參數(shù)的測量、全面的電能計量和考核管理、多種電力質(zhì)量參數(shù)的分析，基本參數(shù)見表3-1.

表3-1 人機(jī)界面基本參數(shù)表

　　ANAPF在工作時，系統(tǒng)可以監(jiān)測其網(wǎng)側(cè)電流、ANAPF橋臂電流以及負(fù)載側(cè)電流，用戶可以通過HMI來對ANAPF的運行模式進(jìn)行設(shè)置，對于運行中出現(xiàn)的問題，可以產(chǎn)生對應(yīng)的事件記錄，人機(jī)界面的操作、顯示功能如表3-2所示：
                                                                           表3-2 人機(jī)界面操作、顯示功能表

3.2 控制器模塊
　　APF控制器主要由：DSP（數(shù)字信號處理器）、FPGA邏輯器件、AD信號采樣電路、DI/DO輸入輸出控制電路、PWM波形控制電路、RS485通訊電路等組成，主要用來完成電壓、電流等信號的采集和處理、指令電流的計算、開關(guān)電路的生成、PWM信號的輸出、系統(tǒng)對外通訊與系統(tǒng)保護(hù)等功能。控制系統(tǒng)是的核心，它決定了系統(tǒng)的主要性能和指標(biāo)。
3.2.1 命名規(guī)則

3.2.2 技術(shù)參數(shù)

表3-3 控制器技術(shù)參數(shù)

3.3 變流器模塊
　　APF變流器的核心是儲能電容和IGBT模塊。變流器的作用主要是將電網(wǎng)的電壓經(jīng)IGBT功率模塊整流后為儲能電容充電，使母線電壓維持在某個穩(wěn)定的值，在這個過程中變流器主要工作在整流狀態(tài)，當(dāng)主電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流時，變流器又工作在逆變狀態(tài)?？紤]到產(chǎn)品是在電網(wǎng)中長時間運行的，因此直流支撐電容采用薄膜電容，功率模塊采用德國原裝產(chǎn)品，以確保整機(jī)質(zhì)量。變流器的選擇根據(jù)補(bǔ)償電流的大小而有所不同。
3.3.1 命名規(guī)則

3.3.2 變流器外形

圖3-1  APF變流器模塊

3.4 電抗器模塊
　　APF電抗器起濾波作用，濾除ANAPF發(fā)出的電網(wǎng)不需要的諧波。電抗器可分為單相、三相和一體式，電流從50A到200A等多種規(guī)格。
3.4.1 命名規(guī)則

3.4.2 電抗器外形

圖3-2  APF電抗器模塊

表3-4  電抗器外形尺寸一覽表

3.4.3 產(chǎn)品特點

• 鐵芯采用優(yōu)質(zhì)低損耗硅鋼片；
• 線圈采用銅箔或鋁箔繞制；
• 絕緣采用H級，使用壽命更長，安全系數(shù)更高；
• 輸出電流范圍寬：單臺可從15A到200A。

3.5 電流采樣互感器
3.5.1 型號說明

3.5.2 規(guī)格尺寸

圖3-3互感器外形尺寸

表3-5 互感器外形尺寸選型

3.5.3 規(guī)格參數(shù)對照表

 4 應(yīng)用案例

4.1商業(yè)建筑有源濾波總補(bǔ)償方案

4.2醫(yī)療行業(yè)有源濾波部分補(bǔ)償方案

附錄
諧波電流估算與有源濾波裝置選型
　　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(jì)性，設(shè)計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。
1  根據(jù)負(fù)載額定電流和行業(yè)類型選型

2  根據(jù)變壓器容量和行業(yè)類型選型

3  根據(jù)快速選型表查表選型

查表步驟：

• 確定變壓器容量；
• 確定變壓器負(fù)載率（一般在0.6~0.8）；
• 確定總諧波畸變率（THDi），表1中THDi值為參考值，僅在估算諧波電流時使用；
• 根據(jù)變壓器負(fù)載率大小確定表4、表5或表6；
• 根據(jù)變壓器容量及THDi參考值確定相應(yīng)的諧波電流值；
• 考慮到一定的裕量，選擇相應(yīng)容量的ANAPF。

注意：
1.本公司三相三線產(chǎn)品，根據(jù)電流等級的不同可分為：50A、100A、150A、200A、250A、300A
2.本公司三相四線產(chǎn)品，根據(jù)電流等級的不同可分為：50A、100A、150A、200A、250A、300A
表4、5、6適用于集中治理方案的諧波電流值查詢。

國標(biāo)GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定的公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）限值見下表：
表1 公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）限值
 

表2 注入公共連接點的諧波電流允許值

表3 不同行業(yè)THDi參考值

注意：
　　以上數(shù)據(jù)為具體現(xiàn)場測試結(jié)果，相同行業(yè)負(fù)載情況不同，電流諧波總畸變率（THDi）也有所不同，以上THDi值僅作參考。

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。
1.變壓器容量為250KVA；
2.變壓器負(fù)載率為0.8；
3.負(fù)載類型屬于辦公樓宇，根據(jù)表3估算THDi為30%；
4.查表6可得估算諧波電流值為83A；
5.如果根據(jù)公式（2）計算，結(jié)果是一樣的；
6.考慮到一定的裕量，選擇100A的ANAPF。

表4 變壓器負(fù)載率為0.6時的諧波電流值

表5 變壓器負(fù)載率為0.7時的諧波電流值

表6 變壓器負(fù)載率為0.8時的諧波電流值

ANAPF選型卡