有源電力濾波器

1、概述

1.1 諧波的產生

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

1.2 諧波的危害

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

●  諧波會影響電氣設備的正常工作，使電機產生機械振動和噪聲等；使變壓器局部嚴重過熱；使電容器、電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以致損壞。

●  引起電網諧振，使得諧波電流放大幾倍甚至數十倍，會對系統，特別是對電容器和與之串聯的電抗器形成很大的威脅，經常使電容器和電抗器燒毀。

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

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

1.3 有源電力濾波器產品效益

●  使諧波指標滿足國家標準，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、繼電保護裝置的干擾，保證供配電系統安全穩定運行；

●  避免諧波過電壓和諧波過電流對電氣設備的危害，延長設備使用壽命；

●  節能降耗，提高功率因數，節約電費，避免罰款。

1.4 執行標準

    GB/T14549-1993 《電能質量：公用電網諧波》

    GB/T15543-2008 《電能質量：三相電壓不平衡度》

    GB/T12325-2008 《電能質量：供電電壓偏差》

    GB/T12326-2008 《電能質量：電壓波動和閃變》

    GB/T18481-2001 《電能質量：暫時過電壓和瞬態過電壓》

    GB/T15945-2008 《電能質量：電力系統頻率偏差》

    GB17625.1-2012 《電磁兼容 限值 諧波電流發射限值》

    GB/T15576-2008 《低壓成套無功功率補償裝置》

2、產品介紹

2.1 工作原理

    ANAPF系列有源電力濾波器并聯在含諧波負載的低壓配電系統中，能夠對動態變化的諧波電流進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采集系統諧波電流，經控制器快速計算并提取各次諧波電流的含量，產生諧波電流指令，通過功率執行器件產生與諧波電流幅值相等方向相反的補償電流，并注入電力系統中，從而抵消非線性負載所產生的諧波電流。

      圖2-1  ANAPF有源電力濾波器原理圖

2.2 產品特點

●  DSP+FPGA全數字控制方式，具有極快的響應時間，的主電路拓撲和控制算法，精度更高、運行更穩定；

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

●  具有完善的橋臂過流保護、直流過壓保護、裝置過溫保護功能；

●  模塊化設計，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參數設置和控制，使用方便，易于操作和維護；

●  輸出端加裝濾波裝置，降低高頻紋波對電力系統的影響；

●  多機并聯，達到較高的電流輸出等級；

●  擁有自主技術。

2.3 主要技術參數

表2-1 ANAPF有源電力濾波器技術參數

2.4 產品型號及說明

3、產品應用

3.1 容量計算方法

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

3.1.1 根據負載額定電流和行業類型選型

3.1.2  根據變壓器容量和行業類型選型

3.1.3  根據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載率（一般在0.6~0.8）；

    步驟2：根據變壓器負載率確定表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：根據變壓器容量及THDi參考值確定相應的諧波電流值；

    步驟5：考慮到一定的裕量，選擇相應容量的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，變壓器負載率為0.8，主要負載為節能燈、變頻空調和電梯等，屬于辦公樓宇。

    變壓器容量為250KVA；

    變壓器負載率為0.8；

    負載類型屬于辦公樓宇，根據表1估算THDi為30%；

    查表4可得估算諧波電流值為83A；

    如果根據公式（2）計算，結果是一樣的；

    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

    電能質量監測與治理系統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置無功補償，同時在配電前端設置有源電力濾波器，采用集中治理的方式抑制諧波。

    集中治理適用于單臺設備諧波含量小，但數量龐大、布局分散的場合，比如辦公大樓(個人電腦、節能燈、變頻空調、電梯等)，雖然單臺設備的電流小，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置無功補償，同時在局部諧波源前端設置有源電力濾波器，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，比如醫院的精密儀器、UPS電源等，雖然單臺設備的電流小，諧波含量低，但為防止其他設備產生的諧波對其干擾，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置無功補償，同時在主要諧波源的前端設置有源電力濾波器，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備諧波含量較大的配電系統，比如大型商業區的景觀照明、影劇院的可控硅調光設備、工業區的變頻器調速設備等，單臺設備電流大、諧波含量高、諧波電流大，為防止諧波電流影響其他用電設備，采用就地治理。

4 應用案例

4.1  ANAPF在數據機房的應用

▲ 項目背景：

    常熟智慧城市是一個市民卡信息中心，其中包括大型數據機房，對電能質量要求非常高；為了提高供電可靠度，采用大量的UPS作為設備電源，機房內還包含空調設備、照明設備等。此類電力電子設備皆屬于非線性負載，在使用過程中會產生大量諧波并注入系統中，主要以5次、7次為主；如果不進行諧波治理，對電網造成嚴重的污染，也影響機房中其他敏感設備，比如導致通信數據錯誤，甚至癱瘓、中斷，降低了配電系統的安全性、可靠性。

▲ 治理方案：

    根據以往測量經驗進行諧波分析與估算，諧波主要由UPS和一些非線性直流電源產生，供電系統由2臺800kVA變壓器及其一臺800kW發電機組成，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，型號為ANAPF150-380/BGL，來自動跟蹤補償負載產生的諧波電流，保證整個系統安全可靠運行。

▲ 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，提高了供電系統的穩定性，了諧波對通信系統影響的危害，收到了良好的運行效果。

▲ 安裝現場：

圖4-2 安裝現場

4.2  ANAPF在辦公樓宇的應用

▲ 項目背景：

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

▲ 治理方案：

    根據以往測量經驗進行諧波分析與估算，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的穩定性。

▲ 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%。

▲ 安裝現場：

4.3  ANAPF在工業領域的應用

▲ 項目背景：

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

▲ 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無功。同時，建議在變頻器的進線端加裝輸入電抗器，用來濾除部分變頻器諧波，以達到更好的治理效果。

▲ 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，功率因數也都到很明顯的提高。此次諧波治理，電網質量得到明顯，地保護了生產線上設備的正常運行。   

▲ 安裝現場：

4.4  ANAPF在港口碼頭的應用

▲ 項目背景：

    江陰港港口的主要諧波源是門機、行車和一些辦公設備，門機在運行時需要大量無功，且電流沖擊大，波動很快，產生大量的諧波電流，功率因數很低，造成無功罰款；傳統的純容無功補償裝置已經不能解決這些電能質量問題，不及時治理，甚至會對無功柜產生危害，使得電容壽命降低，更換頻繁。

▲ 治理方案：

    因現場非線性負載（經檢測，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到配電系統中，一方面可抑制諧波放大，保護電容器，而裝置的檢修與日常維護只需從電網中切除，不影響現場的正常運營。

▲ 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重，呈現典型的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，電網質量得到明顯，地保護了其他電氣設備。  

▲ 安裝現場：

4.5  ANAPF在商業中心的應用

 ▲ 項目背景：

    無錫恒隆廣場屬于大型商業建筑，主要負載是中央空調、電梯和照明設備等，由于變頻器的節能性，使用大量變頻器驅動這些設備，但同時會產生大量3次、5次、7次等諧波電流。諧波電流在線路上流動產生壓降，使得電壓也跟著畸變，電壓畸變率超過國標限值，供電質量相當糟糕，影響其他用電設備的正常使用，現場會出現燈具閃爍的現象。

▲ 治理方案：

    無錫恒隆廣場該配電系統中共有2臺2000KVA的變壓器，均采用集中治理方案，在變壓器的出線側加裝400A的ANAPF系列有源電力濾波器，使用2臺200A并機實現，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，治理前電流波形發生畸變，出現多出鋸齒狀；治理后電流波形明顯得到，趨向標準正弦波，電能質量達到很大提高，給用電帶來保障。

▲ 現場安裝：

4.6  ANAPF在其它行業的應用

    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，均會產生大量諧波，使得電力系統正弦波畸變，電能質量降低。諧波進行綜合治理，給交通安全、順暢帶來保障。

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

    醫院

    醫院行業主要是核磁共振機、CT機等設備會產生大量諧波，大量醫療設備對供電電源的諧波質量要求非常高，如果不進行治理，很可能造成檢測數據誤差大，設備之間干擾不能正常工作，造成嚴重的醫療事故。諧波治理后，降低了用電隱患。

    類似行業案例：陜西榆林*人民醫院、上海康復醫院、滁州市人民醫院、安徽六安第六人民醫院等。

    冶金

    冶金行業中大量使用了電弧爐、加熱爐、軋機等，這些負載不僅容量大，而且大部分為感性負荷，在不使用無功補償裝置的情況下，功率因數極低，且產生大量畸變的諧波，嚴重危害電力系統的安全運行和電氣設備安全經濟地運行。

    類似行業案例：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、高桿燈等設備產生諧波。使得電能質量變差，及時進行諧波治理可保障設備本身的使用效果，給用電帶來保障。

    類似行業案例：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。