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(duì)非正弦的畸變電流作傅立葉級(jí)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(huì)使線路過熱,甚至引起火災(zāi)。
● 諧波會(huì)影響電氣設(shè)備的正常工作,使電機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)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(huì)對(duì)系統(tǒng),特別是對(duì)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(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù),特別是微機(jī)綜合保護(hù)器與自動(dòng)裝置誤動(dòng)作,造成不必要的供電中斷和生產(chǎn)損失。諧波還會(huì)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(huì)對(duì)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(duì)自動(dòng)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(duì)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(dòng)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)?dòng)態(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(duì)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(duì)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(jí);
● 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(hào)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(duì)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(tái)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(tái)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(tái)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(duì)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(tái)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(tái)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(duì)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(huì)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(duì)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(cuò)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(tái)800kVA變壓器及其一臺(tái)800kW發(fā)電機(jī)組成,采用集中治理方案,在每臺(tái)變壓器下加裝300A有源電力濾波器,由兩臺(tái)150A并機(jī)實(shí)現(xiàn),型號(hào)為ANAPF150-380/BGL,來自動(dòng)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、各次諧波電流得到有效抑制,提高了供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性,消除了諧波對(duì)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(duì)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(dòng)力設(shè)備等,會(huì)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(duì)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(dòng)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(tái)800kVA的變壓器,2#配電站有2臺(tái)1000KVA的變壓器,分別采用集中治理方案,在每臺(tái)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(hào)均為ANAPF75-380/BBL,2#配電站中#1和#2變壓器下安裝均為2臺(tái)型號(hào)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,各次諧波得到有效抑制,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(huì)產(chǎn)生大量諧波流入電網(wǎng)中,諧波電流在線路上流動(dòng)會(huì)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(tái)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(hào)為:ANPF200-380/BGL,既可補(bǔ)償諧波又可補(bǔ)償部分動(dòng)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(huì)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%,主要頻次諧波得到有效抑制,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)量得到明顯改善,有效地保護(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(dòng)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)?duì)無功柜產(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,一方面可有效抑制諧波放大,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%,主要頻次諧波得到有效抑制,電網(wǎng)質(zhì)量得到明顯改善,有效地保護(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*空調(diào)、電梯和照明設(shè)備等,由于變頻器高效的節(jié)能性,使用大量變頻器驅(qū)動(dòng)這些設(shè)備,但同時(shí)會(huì)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(dòng)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(huì)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(tái)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(tái)200A并機(jī)實(shí)現(xiàn),型號(hào)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改善,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(dòng)裝置,均會(huì)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(huì)產(chǎn)生大量諧波,大量*醫(yī)療設(shè)備對(duì)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、上海第二康復(fù)醫(yī)院、滁州市第二人民醫(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(tái)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(tái)湖會(huì)議中心、廣州文化宮、武漢市教育電視臺(tái)演播廳、岳陽市奧體中心及游泳館等。
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