標準化的板載式有源濾波裝置

徐霜

安科瑞電氣股份有限公司   

 

1 引言

    近年來，電力電子技術不斷地創新、發展，電力電子技術已被廣泛應用于人們的生活、學習、工作中，常用的充電裝置、計算機、UPS等都是電力電子技術發展的產物。這些設備的發明和使用給社會帶來極大的便利，但隨著這些設備的大量應用，電能質量問題也十分突出。諧波作為目前危害電能質量的首要因素，受到了供用電雙方的高度重視。社會上已經有許多電能質量解決方案，并已經形成一個規模龐大的產業，安科瑞電氣就是其中的領先者。

 

2 諧波的產生和治理

    諧波是什么？諧波通俗的來說就是指電流中所含有的頻率為基波整數倍的電量，我們常說的N次諧波，它們的頻率就是基波的N倍；從廣義上來說，任何與工頻頻率不同的成分都可以稱之為諧波，這也就是為什么有時會有“間諧波”（非整數倍工頻頻率）的說法。

2.1 諧波的產生

    在只含線性元件（電阻等）的線路中，流過的電流與施加的電壓成正比，電流波形為正弦波。而諧波產生的根本原因就是由于電力系統中某些設備和負荷的非線性特性，即所加的電壓與產生的電流不成正比關系造成的波形畸變。當電力系統向含有非線性元器件的設備供電時，這些設備不光變換、吸收系統的電能，還會把部分基波轉換成諧波，倒送入系統，污染電網。生活中常有的照明燈光、電視畫面明暗閃爍等情況，都和諧波有關。

2.2 諧波的危害

    在輸配電網絡中，諧波會降低變壓器容量、減小線纜載流能力，嚴重時會造成突然電力中斷，造成重大社會經濟損失；在生產企業中，諧波會干擾通訊信號，還會引起元器件誤動作，降低設備穩定性導致殘次品率增加，還會加速設備老化縮短使用壽命，嚴重時可能損壞設備甚至引起火災。

2.3 產生諧波的設備

    產生諧波的設備一般是非線性設備，主要分為以下幾類：

    1. 具有鐵磁飽和特性的鐵芯設備，如變壓器、電抗器等；

    2. 以具有強烈非線性特性的電弧為工作介質的設備，如氣體放電燈、交流弧焊機、煉鋼電弧爐等；

    3. 以電力電子元件為基礎的設備，如開關電源、變流裝置、調壓裝置等。

一些常見的產生諧波的負載及其諧波量可參見表1。

                    表1 常見諧波負載的諧波含量

負載類型	典型諧波含量（%）	負載類型	典型諧波含量（%）
變頻器	33～50	中頻感應加熱電源	30～35
電梯	15～30	六脈沖整流器	28～38
LED燈	15～20	十二脈沖整流器	10～12
節能燈	15～30	電焊機	25～58
電子鎮流器	15～18	變頻空調	6～34
開關電源	20～30	UPS	10～25

2.4 諧波治理方案

    目前諧波治理的措施主要有3種：受端治理，即從受到諧波影響的設備或系統出發，提高他們的抗諧波干擾能力；主動治理，即從諧波源本身出發，使諧波源不產生或減少諧波；被動治理，即外加濾波裝置阻止諧波注入電網。被動治理是目前采用最廣泛的諧波治理方案。

    外加的濾波裝置有兩種，分別是無源濾波裝置和有源濾波裝置，他們各有優缺點。無源濾波裝置結構簡單，安裝方便，初期投入小，但是只能濾除固定次數的諧波且易與電網發生諧振；有源濾波裝置結構復雜，造價較高，但是補償效果好，后期維護方便，維護成本低。所以安裝有源濾波裝置是目前被廣泛應用的諧波治理方式。

 

3 板載式有源濾波裝置產品介紹

    ANAPF板載式有源濾波裝置是我公司研發的電能補償裝置的一種，采用現代電力電子技術，基于高速全數字控制方式的數字信號處理技術制成的新型電力諧波治理專用設備。它由指令電流運算電路和補償電流發生電路兩個主要部分組成。與傳統無源濾波器（相當于給諧波電流提供了接近于0的極低阻抗通道，以免諧波電流注入系統）相對比，有源濾波裝置通過IGBT逆變模塊實現了各次諧波的動態濾除。

3.1 ANAPF板載式有源濾波裝置工作原理

    ANAPF板載式有源濾波裝置可以通過外部電流互感器，實時檢測負載電流，并通過內部DSP計算，提取并計算出負載電流的諧波成分，然后通過PWM信號發送給內部IGBT，控制逆變器產生一個和負載諧波電流大小相等，方向相反的諧波電流注入到電網中抵消對應諧波電流，達到濾波目的。工作原理圖及補償示意如圖1所示。   

     

                        圖1 ANAPF工作原理及對應波形示意

3.2 ANAPF板載式有源濾波裝置結構介紹及優勢分析

    ANAPF板載式有源濾波裝置相較于公司前期的立柜式產品來說，體積更小、重量更輕、方便安裝、更美觀，這對產品的結構安排和內部集成度有了更高的要求。我司生產的ANAPF有源濾波裝置分為兩種安裝方式 ，其主要參數如下：壁掛式板載模塊外觀如圖2所示：

外形尺寸485×275×610 （寬*深*高）

額定電流：50A（可按照需求適當提高）

額定電壓:AC380V

接線方式:三相三線或三相四線

進線方式：上進上出

額定頻率：50Hz

模塊殼體顏色：RAL7035

防護等級：IP20

質量：50KG   

                                                   圖2 壁掛板載式外觀示意

抽屜式板載模塊外觀如圖3所示：

外形尺寸485×610×275 （寬*深*高）

額定電流：50A（可按照需求適當提高）

額定電壓:AC380V

接線方式:三相三線或三相四線

進線方式：后進后出

額定頻率：50Hz

模塊殼體顏色：RAL9004

防護等級：IP20

質量：50KG    

                                                       圖3 抽屜板載式外觀示意 

    其中壁掛式結構適用于負荷容量較小或場地緊湊的場合，一般推薦為單臺獨立運行時使用；抽屜式結構多采用多模塊并聯安裝在抽屜柜體中的安裝方式，可根據實際補償容量需求增減柜體內模塊數量，適用于大負荷容量的場合。目前我司常規產品最大為6個模塊組合，并且正在向更多模塊數，更大容量化方面研究與發展。其抽屜柜安裝效果圖如圖4所示。

    該方式相對于傳統整柜式有以下幾項優點：

    （1）每個模塊容量為50A（可在適當范圍內浮動），相同的柜體格局下有更多容量選擇，并可根據客戶實際需求增加模塊數量至6個以上（需加寬柜體尺寸，效果可參照圖5）；

    （2）可根據負載使用變化隨時增、減APF設備的容量（加、減模塊數量即可，并對人機界面作相應參數設置）；

    （3）每個模塊單獨安裝散熱單元，并可在柜體上加裝散熱風扇，散熱效果良好，故障率低；

    （4）多個模塊之間雖有通訊連接，但各臺的故障并不會相互影響其它模塊繼續工作（補償容量會相應減小）；

    （5）后期維護方便，可實現故障模塊單獨維修、更換；維護期間ANAPF有源濾波裝置可持續工作。

    （6）結構精巧，設計靈活，可作為零部件（模塊）單獨購買，嵌入第三方柜體；柜型外觀、尺寸的改變基本不影響內部安裝和整體使用效果。

    （7）生產周期短，即使是非常規要求產品亦能保證及時投入使用，確保客戶經濟利益。

 

                   

     圖4 模塊化組合式安裝示意圖             圖5 兩列模塊組裝效果示意圖

3.3 ANAPF板載式有源濾波裝置的補償效果

    下面是某負載的產品應用效果圖，其諧波含量在26%左右，通過電能質量分析儀PW3198的分析可以幫助我們很直觀的看到補償效果。

 

     

      補償前網側諧波畸變率                 補償前網側諧波畸變率

    補償后諧波電流含量僅為4%，低于國標對0.38KV電網的要求5%，以C相為例，對應的各次諧波含量清單如下：

 

     

         補償前C相各次諧波含量                補償后C相各次諧波含量

    從波形來看效果可以更直觀的看到補償效果：補償前電流波形為M形，補償后已變為正弦波，效果良好。  

 

     

         補償前電壓電流波形                  補償前電壓電流波形

 

3.4 ANAPF板載式有源濾波裝置的型號選擇

    該產品為并聯型有源電力濾波器，其命名方式為：

 



 

    其中諧波補償電流的大小可安排專業售前工程師協助測量或根據變壓器容量和行業類型自行估算后選擇，計算方法見公式（1）。

  ..........................................   公式（1）                  

其中 為變壓器負荷率，即負荷占變壓器額定容量的比例，通常取0.6~0.8；

  為電流總諧波畸變率，各行業略有不同，具體數值參見上文表1；

  為變壓器額定容量，單位KVA；

  為低壓系統電壓，一般取0.38~0.4。

 

4 結束語

    ANAPF板載式有源濾波裝置在原有立柜、抽屜、壁掛式產品基礎上，進一步縮小了體積并減輕重量；由于其采用了高集成化模塊設計，后期維護變得更加輕松、便利，而且治理效果也更顯著。其不僅能治理諧波，也能補償無功：有效地治理諧波，可改善電能質量使設備誤動作率大大降低，從而提高電氣設備利用率和產品合格率，既保證了電網安全運行，又能降低用戶的電力損耗；而有效地補償無功，使功率因數高達0.98以上，則避免了用戶因功率因數不足而被罰款，也為用戶帶來了可觀的經濟收益。由此可見，選用ANAPF板載式產品，對電網設施和用戶設備都有極大的益處，可以說是實現了供用電雙方的共贏。

 

【參考資料】

• 安科瑞電能質量監測與治理選型手冊。2015.08版
• 安科瑞電氣股份有限公司產品手冊.2013.01.版