1 前言
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。但非線性電力裝置設(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(dòng)導(dǎo)致了諧波電壓；諧波污染越來(lái)越多地威脅到電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，給同一網(wǎng)絡(luò)的線性負(fù)載和其它用戶帶來(lái)了大影響。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、研究供配電系統(tǒng)中的高次諧波問(wèn)題對(duì)供電質(zhì)量和確保電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著非常積的意義。諧波測(cè)量是諧波問(wèn)題中的一個(gè)重要分支，對(duì)抑制諧波、解決諧波產(chǎn)生的問(wèn)題有著重要的指導(dǎo)作用。因此對(duì)諧波的測(cè)量和分析是電力系統(tǒng)分析和控制中的一項(xiàng)重要工作，是繼電保護(hù)、故障測(cè)量等工作開(kāi)展的重要前提。
ANAPF系列有源電力濾波裝置，以并聯(lián)方式接入電網(wǎng)，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載的諧波和無(wú)功分量，采用PWM變流技術(shù)，從變流器中產(chǎn)生一個(gè)和當(dāng)前諧波分量和無(wú)功分量對(duì)應(yīng)的反向分量并實(shí)時(shí)注入電力系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償。
它具有供電質(zhì)量、提高功率因素和設(shè)備利用率、節(jié)約能源降低損耗等多種功能，從而獲得明顯的經(jīng)濟(jì)效益，投資回收年限一般為1～2年。本文以某化工廠為例，就低壓諧波濾波裝置的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能作簡(jiǎn)單的介紹。
2 用戶用電情況簡(jiǎn)況
某化工廠2010年負(fù)荷配電變壓器容量5.2MVA，有1.6MVA配電變壓器兩臺(tái)，2.0MVA配電變壓器一臺(tái)，配電變壓器高壓側(cè)電壓10kV，低壓側(cè)為0.4kV，產(chǎn)生諧波的設(shè)備主要是整流柜，整流設(shè)備容量為1.344MVA。集中接于1號(hào)配變的（1.6MVA）0.4kV側(cè)，如簡(jiǎn)圖1所示。整流設(shè)備產(chǎn)生的主要諧波電流有5次、7次、11次、13次電流，其實(shí)測(cè)值見(jiàn)表1。
圖1 接于配電變壓器低壓側(cè)的負(fù)荷
1號(hào)配變?cè)瓉?lái)裝有0.4kV側(cè)的無(wú)功補(bǔ)償電容器近600kvar，運(yùn)行兩年來(lái)已先后損壞更換約60%，由于無(wú)功不足，按力率調(diào)整電費(fèi)每年多交10多萬(wàn)元（2010年統(tǒng)計(jì)）。
為諧波的不良影響，降低生產(chǎn)損耗，延長(zhǎng)設(shè)備壽命，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)也為滿足無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊?，某化工廠用低壓諧波濾波器裝置代替了原來(lái)的補(bǔ)償電容器組。
表1 1號(hào)配電變壓器總線測(cè)試值
諧波次數(shù) | 5 | 7 | 11 | 13 |
電流（A） | 483 | 312 | 176 | 184 |
3 ANAPF有源電力濾波裝置
3.1 ANAPF有源電力濾波裝置技術(shù)參數(shù)
接線方式 | 三相三線或三相四線 |
接入電壓 | 3×380V ±10% |
接入頻率 | 50Hz ±2% |
動(dòng)態(tài)補(bǔ)償響應(yīng)時(shí)間 | 動(dòng)態(tài)響應(yīng)＜4ms，全響應(yīng)時(shí)間＜20ms； |
開(kāi)關(guān)頻率 | 10kHz |
功能設(shè)置 | 只補(bǔ)償諧波、只補(bǔ)償無(wú)功、既補(bǔ)償諧波又補(bǔ)償無(wú)功；手動(dòng)、自動(dòng)切換。 |
諧波補(bǔ)償次數(shù) | 2-21次 |
保護(hù)類型 | 直流過(guò)壓 IGBT過(guò)流 裝置溫度保護(hù) |
過(guò)載保護(hù) | 自動(dòng)限流在設(shè)定值，不發(fā)生過(guò)載 |
冷卻方式 | 智能風(fēng)冷 |
噪音 | ＜ 65db（處于柜內(nèi)并運(yùn)作于額定狀態(tài)） |
工作環(huán)境溫度 | -10℃～+45℃ |
工作環(huán)境濕度 | ＜85%RH 不凝結(jié) |
安裝場(chǎng)合 | 室內(nèi)安裝 |
海拔高度 | ≤1000m（更高海拔需降容使用） |
進(jìn)出線方式 | 下進(jìn)下出 |
防護(hù)等級(jí) | IP21 |
智能通信接口 | RS485/MODBUS-RTU |
遠(yuǎn)程監(jiān)控 | 可選 |
外形尺寸（mm） （W×D×H） | 30A | 50A | 7 | 100A |
600×500×1500 | 600×500×1500 | 600×500×1800 | 800×600×2200 |
重量（kg） | 三相四線 | 三相三線 |
30A、50A | 7、100A | 30A、50A | 7、100A |
280 | 360 | 240 | 290 |
3.2 無(wú)功補(bǔ)償與電力濾波兼顧
同一般低壓電容補(bǔ)償設(shè)備相比，ANAPF有源諧波濾波裝置除具有無(wú)功補(bǔ)償作用外，還具有濾波能力，使用戶注入系統(tǒng)的諧波電流大大降低，表2～3是某化工廠在兩組不同用電條件下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析。
從表2可以看出，裝設(shè)諧波濾波裝置前，原有電容補(bǔ)償支路和負(fù)荷及配電變壓器之間構(gòu)成并聯(lián)諧振回路使電容及配電變壓器的諧波電流明顯放大，其諧振點(diǎn)在13次附近。
表3反映了投入諧波濾波裝置后使用戶的各項(xiàng)電能指標(biāo)得到明顯；無(wú)供需量減少50%，功率因素從0.734提高到0.917,電壓及電流畸變均減少了一半。
ANAPF有源濾波裝置投入使用后，吸收整流設(shè)備產(chǎn)生的大部分高次諧波電流，大大減少對(duì)電網(wǎng)污染。1號(hào)變壓器0.4kV側(cè)投入諧波濾波裝置后，注入系統(tǒng)的諧波電流值5次從301A降至108A，7次從132A降至36A，11次從48A降至24A，13次從36A降至12A；對(duì)5、7、11、13次諧波的吸收效率分別是64%、72%、50%、66%。
表2 原有電容補(bǔ)償設(shè)備對(duì)各次諧波電流的影響（0.4kV側(cè)）
工 況 | In/I1（%） |
3 | 5 | 7 | 11 | 13 |
原有補(bǔ)償電容投入后 | 4.6 | 33.8 | 16.9 | 9.2 | 18.4 |
原有補(bǔ)償電容退出后 | 4.6 | 26.1 | 10.7 | 3.0 | 1.5 |
表3 諧波濾波裝置對(duì)電能質(zhì)量的
工 況 | 母線電壓（V） | 母線電流（KA） | 功率因素 | 三相視在功率（MVA） | 三相有功功率（MW） | 三相無(wú)功功率（Mvar） | 電壓總畸變率（THDy） | 電流總畸變率（THDI） |
諧波濾波裝置投入前 | 389.4 | 2.3 | 0.734 | 1.57 | 1.15 | 1.067 | 5.3% | 14.57% |
諧波濾波裝置投入后 | 397.3 | 1.834 | 0.917 | 1.26 | 1.15 | 0.53 | 2.55% | 7.3% |
3.3 ANAPF有源電力濾波裝置主要技術(shù)特點(diǎn)
使用方便，易于操作和維護(hù)。DSP+FPGA全數(shù)字控制方式，具有快的響應(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；模塊化設(shè)計(jì)，便于生產(chǎn)調(diào)試；便利的并聯(lián)設(shè)計(jì)，方便擴(kuò)容；具有完善的橋臂過(guò)流、保護(hù)功能；
3.4 諧波抑制及治理的容量設(shè)計(jì)
3.4.1諧波電流估算
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(mén)設(shè)備進(jìn)行測(cè)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(cè)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)下列公式以對(duì)諧波電流進(jìn)行估算。
3.4.2 諧波補(bǔ)償裝置容量選型
補(bǔ)償電流選擇原則：根據(jù)估算得到諧波電流值。
如采用無(wú)源諧波抑制，可根據(jù)無(wú)功容量每千乏（kVar）折算成電流后按0.2-0.3的系數(shù)折算成諧波抑制電流，如100 kVar消諧式無(wú)功補(bǔ)償電流為144A，按系數(shù)0.2折算即抑制28.8A的諧波電流。
如采用有源濾波裝置，可根據(jù)濾波方案選擇框圖中的估算值進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。
例：某公司配電變壓器容量為150kVA，變壓器變比為10/0.4kV，K1取值為0.8，K2取值為25%，試求選用電流等級(jí)為多少的有源濾波器即可滿足抑制諧波的需要。
根據(jù)電流諧波公式為：
考慮到要有一定有裕量，選用50A的有源電力濾波器
故選用容量為35kVA的有源濾波器即可滿足抑制諧波的需求。
3.5 ANAPF有源電力濾波裝置價(jià)格及主要元件清單
型號(hào)：ANAPF50-400/B |
參考價(jià)格：7.5萬(wàn)元/臺(tái) |
主要產(chǎn)品明細(xì)： |
序號(hào) | 名 稱 | 型 號(hào) | 數(shù)量 |
1 | APF電氣柜 | 600X500X1800 | 1 |
2 | 變流器 | APFCOV-CVT50 | 1 |
3 | 控制器 | APFMC-C50 | 1 |
4 | 電抗器 | APF-RE.（S）DG-50 | 1 |
5 | 有源電流互感器 | LT108-S7 | 3 |
6 | 濾波器 | DL-1TH1 | 2 |
7 | 斷路器 | NSE100N4063 | 1 |
8 | 接觸器 | LC1D65 M7C | 1 |
9 | 微型斷路器 | NDM1-63C32 | 1 |
10 | 中間繼電器 | MY4NAC | 2 |
11 | R型變壓器 | R320-0.38/0.22 | 1 |
12 | 諧波檢測(cè)儀 | ACR350EGH | 1 |
13 | 電線 | 16mm2 | 若干 |
14 | 電線 | 4mm2 | 若干 |
4 濾波補(bǔ)償裝置經(jīng)濟(jì)效能
（1） 功率因素提高：裝置投入后功率因數(shù)提高至0.9以上，力率調(diào)整費(fèi)變罰為獎(jiǎng)，即過(guò)去因無(wú)功不足每月需交力率調(diào)整費(fèi)近萬(wàn)元，裝設(shè)補(bǔ)償濾波裝置后功率因數(shù)提高，每月獎(jiǎng)勵(lì)力率調(diào)整費(fèi)500多元。
（2） 增容降低損：由于裝設(shè)濾波補(bǔ)償后，能進(jìn)行的就地?zé)o功補(bǔ)償，1號(hào)配變相當(dāng)于增加310kVA，同時(shí)，損耗大大降低，2012年3月至11月，某化工廠節(jié)約電費(fèi)開(kāi)支20.5萬(wàn)元，產(chǎn)品用電單耗由514Kw.h/t，降為475.5 Kw.h/t，降幅為7.5%。
（3） 提高產(chǎn)品合格率：濾波補(bǔ)償裝置投入后，諧波減少，電壓穩(wěn)定，電能質(zhì)量明顯，因而提高產(chǎn)品質(zhì)量，一級(jí)品率由97.1%提高到98.29&，2012年增加一級(jí)品型材近100t。
（4） 延長(zhǎng)設(shè)備壽命：濾波補(bǔ)償裝置投入后，負(fù)荷電流和諧波電壓、諧波電流的減少使設(shè)備的發(fā)熱損耗降低，振動(dòng)減少，整流元件損壞率降低、設(shè)備絕緣老化減緩，故障率下降，因而提高了安全運(yùn)行水平。設(shè)備壽命的延長(zhǎng)，單電容而言，過(guò)去該廠損壞約200kvar電容器，濾波補(bǔ)償裝置投運(yùn)近2年來(lái)，裝置本身各元件正常運(yùn)行*。
5 結(jié)語(yǔ)
綜合所述，諧波濾波裝置兼顧了補(bǔ)償和濾波功能，諧波濾波裝置投運(yùn)后，不僅濾去了5、7、11、13次諧波，各次諧波含量均符合《電能質(zhì)量·公用電網(wǎng)諧波》允許的諧波電流值的要求。而且還補(bǔ)償了無(wú)功，使功率因數(shù)達(dá)到了0.9以上，杜絕了電費(fèi)罰款現(xiàn)象。由于濾除了諧波，減少了對(duì)供電系統(tǒng)的污染，保證裝置運(yùn)行正常。諧波濾波裝置具有*的濾波能力，是諧波污染和危害的根本措施，所以應(yīng)大力推廣使用。
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