有源電力濾波器
作者： 2014年11月03日 來源： 瀏覽量：
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安科瑞陳靜燕 江蘇安科瑞制造有限公司江蘇江陰214405 1電能質量與諧波 1.1諧波的產生 隨著電力電子變流裝置的應用日益廣泛，電能得到了更加充分的利用。但非線性電力設備的廣泛應用產生了大量畸變的電流諧波，
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安科瑞 陳靜燕
江蘇安科瑞制造有限公司 江蘇江陰214405
1 電能質量與諧波
1.1 諧波的產生
隨著電力電子變流裝置的應用日益廣泛，電能得到了更加充分的利用。但非線性電力設備的廣泛應用產生了大量畸變的電流諧波，畸變電流在電網中的流動導致了諧波電壓；諧波污染越來越多地威脅到電力系統安全、穩定、經濟運行，給同一網絡的線性負載和其它用戶帶來了極大影響。諧波已與電磁干擾、功率因數降低并列為電力系統的三大公害。所以了解諧波產生的原理、研究消除供配電系統中的高次諧波問題對改善供電質量和確保電力系統安全經濟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、解決諧波產生的問題有著重要的指導作用。因此對諧波的測量和分析是電力系統分析和控制中的一項重要工作，是繼電保護、故障測量等工作開展的重要前提。
主要諧波產生源如下表：
1.1 諧波的產生
隨著電力電子變流裝置的應用日益廣泛，電能得到了更加充分的利用。但非線性電力設備的廣泛應用產生了大量畸變的電流諧波，畸變電流在電網中的流動導致了諧波電壓；諧波污染越來越多地威脅到電力系統安全、穩定、經濟運行，給同一網絡的線性負載和其它用戶帶來了極大影響。諧波已與電磁干擾、功率因數降低并列為電力系統的三大公害。所以了解諧波產生的原理、研究消除供配電系統中的高次諧波問題對改善供電質量和確保電力系統安全經濟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、解決諧波產生的問題有著重要的指導作用。因此對諧波的測量和分析是電力系統分析和控制中的一項重要工作，是繼電保護、故障測量等工作開展的重要前提。
主要諧波產生源如下表：
表1-1諧波產生源
1.2 諧波的危害
1.2.1使電力元件附加損耗加大，易引發火災。
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。
1.2.2影響電氣設備的正常運行。
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。
1.2.3引起電網諧振。
這種諧振可能使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。
1.2.4使繼電保護誤動作，電氣測量誤差過大。
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。
1.2.5使工控系統崩潰。
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。
1.2.1使電力元件附加損耗加大，易引發火災。
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。
1.2.2影響電氣設備的正常運行。
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。
1.2.3引起電網諧振。
這種諧振可能使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。
1.2.4使繼電保護誤動作，電氣測量誤差過大。
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。
1.2.5使工控系統崩潰。
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 諧波治理依據的國家標準
GB/T14549-1993 《電能質量：公用電網諧波》
GB/T15543-2008 《電能質量：三相電壓允許不平衡度》
GB/T12325-2008 《電能質量：供電電壓允許偏差》
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：電力系統頻率允許偏差》GB7625.1-2012 《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》
GB/T14549-1993 《電能質量：公用電網諧波》
GB/T15543-2008 《電能質量：三相電壓允許不平衡度》
GB/T12325-2008 《電能質量：供電電壓允許偏差》
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：電力系統頻率允許偏差》GB7625.1-2012 《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 有源電力濾波器
2.1 型號說明
2.1 型號說明
2.2 產品外形尺寸 （單位：mm）
圖2-1 ANAPF有源電力濾波器外形圖（客戶可定制）
(a)立柜式 (b)立柜式 (c)抽屜式
圖2-2 ANAPF有源電力濾波器外形尺寸圖
圖2-2 ANAPF有源電力濾波器外形尺寸圖
2.3 工作原理
ANAPF系列有源電力濾波器，以并聯方式接入電網，通過實時檢測負載的諧波和無功分量，采用PWM變流技術，從變流器中產生一個和當前諧波分量和無功分量對應的反向分量并實時注入電力系統，從而實現諧波治理和無功補償，如圖2-3所示：
ANAPF系列有源電力濾波器，以并聯方式接入電網，通過實時檢測負載的諧波和無功分量，采用PWM變流技術，從變流器中產生一個和當前諧波分量和無功分量對應的反向分量并實時注入電力系統，從而實現諧波治理和無功補償，如圖2-3所示：
圖2-3 ANAPF有源電力濾波器原理圖
2.4 主要技術特點
· DSP+FPGA全數字控制方式，具有極快的響應時間；
· 先進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；
· 模塊化設計，便于生產調試；
· 便利的并聯設計，方便擴容；
· 具有完善的橋臂過流保護功能；
· 使用方便，易于操作和維護。
2.5 技術參數
表2-1ANAPF有源電力濾波器技術參數
2.6治理方案
2.6.1 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，但整棟大樓的電流大，諧波電流也大，如圖2-4所示：
2.6.1 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，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，采用局部諧波補償，如圖2-5所示：
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，采用局部諧波補償，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，如圖2-6所示：
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，如圖2-6所示：
圖2-6 就地治理
2.7 ANAPF有源電力濾波器選型
表2-2 ANAPF有源電力濾波器選型一覽表
2.8ANAPF有源濾波器選型流程
圖2-7 ANAPF有源電力濾波器選型流程
2.9 安裝技術要求
2.9.1 布置要求
ANAPF有源電力濾波器一般為標準柜式和抽屜式結構，立柜式濾波器安裝時應避免倒置或平放，抽屜式濾波器安裝時只可平放，外形尺寸由所選諧波補償電流值決定，平面布置形式一般由諧波電流補償點位置決定。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柜并列離墻布置，正面操作，雙面維護，50A和100A濾波器背面維護通道不小于600mm，150A和200A濾波器背面維護通道不小于800mm。
2）靠墻安裝：ANAPF也可靠墻布置，正面操作，正面維護。
3）電氣設計人員在考慮系統接線及平面布置時應注意將ANAPF的補償接入點盡量靠近補償對象，在末端預留空間供設計安裝，CT采樣處下游不能包含容性負荷。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根據設計要求的接地制式（TN-S、TN-C-S、TT等）嚴格做好相應的保護接零或保護接地。
2.9.1 布置要求
ANAPF有源電力濾波器一般為標準柜式和抽屜式結構，立柜式濾波器安裝時應避免倒置或平放，抽屜式濾波器安裝時只可平放，外形尺寸由所選諧波補償電流值決定，平面布置形式一般由諧波電流補償點位置決定。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柜并列離墻布置，正面操作，雙面維護，50A和100A濾波器背面維護通道不小于600mm，150A和200A濾波器背面維護通道不小于800mm。
2）靠墻安裝：ANAPF也可靠墻布置，正面操作，正面維護。
3）電氣設計人員在考慮系統接線及平面布置時應注意將ANAPF的補償接入點盡量靠近補償對象，在末端預留空間供設計安裝，CT采樣處下游不能包含容性負荷。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根據設計要求的接地制式（TN-S、TN-C-S、TT等）嚴格做好相應的保護接零或保護接地。
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，P2端指向負載。
2）互感器與ANAPF的接線如圖2-9所示：
3）注意互感器的進出線要一致且方向正確。
4）安裝電纜規格如下表2-3：
1）互感器的P1端指向電網，P2端指向負載。
2）互感器與ANAPF的接線如圖2-9所示：
3）注意互感器的進出線要一致且方向正確。
4）安裝電纜規格如下表2-3：
圖2-9 ANAPF有源電力濾波器接線圖
表2-3 安裝電纜與CT采樣線截面積
2.10 主要應用范圍及場合
1）機場：主控室、計算機房、廣播系統、EIB燈光調光系統等。
2）醫院：ICU（重癥監護室）、MRI（磁共振成像）、手術室、醫學成像室、放療科等。
3）劇場、體育館：解決由于諧波造成的EIB調光設備及其它控制設備的損壞。
4）學校：精密實驗室、機房、網絡中心等。
5）研究所：精密儀器、機房、高精密設備集中區域等。
6）大型商場：解決由于節能燈大量應用造成的諧波問題。
7）銀行：計算機中心、營業部計算機、安防系統等。
8）稅務、工商：大型計算機中心等。
9）電信機房：移動基站
10）工廠：生產線的PLC、計算機控制設備、高精度機床、PCS系統、計量/稱重系統等。
11）電視臺：圖像設備、調光設備、計算機等。
1）機場：主控室、計算機房、廣播系統、EIB燈光調光系統等。
2）醫院：ICU（重癥監護室）、MRI（磁共振成像）、手術室、醫學成像室、放療科等。
3）劇場、體育館：解決由于諧波造成的EIB調光設備及其它控制設備的損壞。
4）學校：精密實驗室、機房、網絡中心等。
5）研究所：精密儀器、機房、高精密設備集中區域等。
6）大型商場：解決由于節能燈大量應用造成的諧波問題。
7）銀行：計算機中心、營業部計算機、安防系統等。
8）稅務、工商：大型計算機中心等。
9）電信機房：移動基站
10）工廠：生產線的PLC、計算機控制設備、高精度機床、PCS系統、計量/稱重系統等。
11）電視臺：圖像設備、調光設備、計算機等。
3 有源電力濾波功能模塊介紹
3.1 人機操作界面APF-HMI
HMI是我司針對電力系統、工礦企業、公用設施、智能大廈的電力監控需求而設計的一種智能儀表，它采用彩色觸摸屏以實現參數設置和控制，集成全部電力參數的測量、全面的電能計量和考核管理、多種電力質量參數的分析，基本參數見表3-1.
3.1 人機操作界面APF-HMI
HMI是我司針對電力系統、工礦企業、公用設施、智能大廈的電力監控需求而設計的一種智能儀表，它采用彩色觸摸屏以實現參數設置和控制，集成全部電力參數的測量、全面的電能計量和考核管理、多種電力質量參數的分析，基本參數見表3-1.
表3-1 人機界面基本參數表
ANAPF在工作時，系統可以監測其網側電流、ANAPF橋臂電流以及負載側電流，用戶可以通過HMI來對ANAPF的運行模式進行設置，對于運行中出現的問題，可以產生對應的事件記錄，人機界面的操作、顯示功能如表3-2所示：
表3-2 人機界面操作、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、開關電路的生成、PWM信號的輸出、系統對外通訊與系統保護等功能。控制系統是有源電力濾波器的核心，它決定了有源電力濾波器系統的主要性能和指標。
3.2.1 命名規則
APF控制器主要由：DSP（數字信號處理器）、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、開關電路的生成、PWM信號的輸出、系統對外通訊與系統保護等功能。控制系統是有源電力濾波器的核心，它決定了有源電力濾波器系統的主要性能和指標。
3.2.1 命名規則
3.2.2 技術參數
表3-3 控制器技術參數
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的電壓經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定的值，在這個過程中變流器主要工作在整流狀態，當主電路產生補償電流時，變流器又工作在逆變狀態。考慮到產品是在電網中長時間運行的，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品，以確保整機質量。變流器的選擇根據補償電流的大小而有所不同。
3.3.1 命名規則
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的電壓經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定的值，在這個過程中變流器主要工作在整流狀態，當主電路產生補償電流時，變流器又工作在逆變狀態。考慮到產品是在電網中長時間運行的，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品，以確保整機質量。變流器的選擇根據補償電流的大小而有所不同。
3.3.1 命名規則
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發出的電網不需要的諧波。電抗器可分為單相、三相和一體式，電流從50A到200A等多種規格。
APF電抗器起濾波作用，濾除ANAPF發出的電網不需要的諧波。電抗器可分為單相、三相和一體式，電流從50A到200A等多種規格。
3.4.1 命名規則
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 產品特點
· 鐵芯采用優質低損耗硅鋼片；
· 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 規格參數對照表
4 應用案例
4.1
4.1
4.2
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。
1 根據負載額定電流和行業類型選型
諧波電流估算與有源濾波裝置選型
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。
1 根據負載額定電流和行業類型選型
2 根據變壓器容量和行業類型選型
3 根據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；
· 根據變壓器負載率大小確定表4、表5或表6；
· 根據變壓器容量及THDi參考值確定相應的諧波電流值；
· 考慮到一定的裕量，選擇相應容量的ANAPF有源電力濾波器。
注意：
1.本公司三相三線產品，根據電流等級的不同可分為：50A、100A、150A、200A、250A、300A
2.本公司三相四線產品，根據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。
1.本公司三相三線產品，根據電流等級的不同可分為：50A、100A、150A、200A、250A、300A
2.本公司三相四線產品，根據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GB/T 14549-1993《電能質量 公用電網諧波》規定的公用電網諧波電壓（相電壓）限值見下表：
表1 公用電網諧波電壓（相電壓）限值
表1 公用電網諧波電壓（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THDi參考值
注意：
以上數據為具體現場測試結果，相同行業負載情況不同，電流諧波總畸變率（THDi）也有所不同，以上THDi值僅作參考。
以上數據為具體現場測試結果，相同行業負載情況不同，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。
1.變壓器容量為250KVA；
2.變壓器負載率為0.8；
3.負載類型屬于辦公樓宇，根據表3估算THDi為30%；
4.查表6可得估算諧波電流值為83A；
5.如果根據公式（2）計算，結果是一樣的；
6.考慮到一定的裕量，選擇100A的ANAPF有源電力濾波器。
1.變壓器容量為250KVA；
2.變壓器負載率為0.8；
3.負載類型屬于辦公樓宇，根據表3估算THDi為30%；
4.查表6可得估算諧波電流值為83A；
5.如果根據公式（2）計算，結果是一樣的；
6.考慮到一定的裕量，選擇100A的ANAPF有源電力濾波器。
表4 變壓器負載率為0.6時的諧波電流值
表5 變壓器負載率為0.7時的諧波電流值
表6 變壓器負載率為0.8時的諧波電流值
ANAPF有源電力濾波器選型卡
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