模块化有源滤波器

浅析谐波危害与有源滤波 安科瑞鲍静君

摘要：谐波的出现，对于电力系统运行是一种“污染”，它们降低了系统电压、电流正弦波形的质量，不但严重地影响电力系统自身运行，而且还危及用户和周围的通信系统。本文通过分析谐波的危害，并提出采用有源电力滤波器进行谐波治理的方案。

关键词： 污染；谐波危害；有源电力滤波器；治理

0 引言

近半个世纪以来，随着电力电子设备的推广应用，非线性负荷的迅速增加，特别是高压直流输电的运用，使得谐波污染问题日趋严重，并因此受到人们普遍的关注和重视。减小谐波影响的技术措施可以从两方面入手：一是从谐波源出发，减少谐波的产生；二是安装滤波装置。常见的滤波器包括无源滤波器和有源滤波器。然而，无源滤波器的滤波效果依赖于系统阻抗特性，并容易受温度漂移、网络上谐波污染程度、滤波电容老化及非线性负荷的影响，且仅能对特定的谐波进行有效地衰减，而出于经济和占地面积方面的考虑，滤波器个数均是有限的，所以对谐波含量丰富的场合，无源滤波器的滤波效果往往不够理想。有源电力滤波器采用开关变换器消除谐波电流，克服了无源滤波器的缺点。有源电力滤波器有着无源滤波器无可比拟的技术优势，因此越来越受到人们的关注。

1 谐波的产生与危害

由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，尤其是非线性电力设备如有UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器等。由于正弦电压加压于非线性负载，使得基波电流发生畸变产生谐波。主要谐波产生源见表1-1。

表1-1  谐波产生源

谐波使公用电网中的元件产生附加的损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率。大量三次谐波流过中线会使线路过热，甚至引起火灾。谐波会影响电气设备的正常工作，使电机产生机械振动和噪声等，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以致损坏。谐波会导致继电保护，特别是微机综合保护器与自动装置误动作，造成不必要的供电中断和生产损失；谐波还会使电气测量仪表计量不准确，产生计量误差，给用电管理部门或电力用户带来经济损失。临近的谐波源或较高次谐波会对通信及信息处理设备产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量，计算机无法正常工作；重则导致信息丢失，使工控系统崩溃。

据美国官方统计：近20年来，全球范围内因电能质量引起的重大电力事故已达20多起，每年因电能质量扰动和电气环境污染引起的经济损失高达300亿美元！2000年4月10日，晋东南电网因运行方式的需要，220kV霍长线停电检修，220kV长治变由漳泽电厂通过220kV漳长I回单独供电，向地区网输送140MW，系统运行正常；20时18分，太焦电铁三座牵引站产生的谐波和负序电流经110kV系统注入220kV系统，引起该线路送漳泽电厂出线211开关的JGX—11A型晶体管相差高频保护误动作，造成晋东南电网瓦解和大面积停电事故，巴公电厂周波降为45.7Hz，与电网解列44分钟，晋东南11个变电站停电，电气铁道停电20多分钟，电网和用户均受到较大的损失。

谐波所产生的危害如此之严重，世界各国都对谐波问题予以充分关注。上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。国标GB/T 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》规定的公用电网谐波电压（相电压）限值见表1-2：

表1-2  公用电网谐波电压（相电压）限值

 2 有源电力滤波器

有源电力滤波器（APF：Active Power Filter）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对不同大小和频率的谐波进行快速跟踪补偿。之所以称为有源，是相对于无源LC滤波器，只能被动吸收固定频率与大小的谐波而言，APF可以通过采样负载电流并进行各次谐波和无功的分离，控制并主动输出电流的大小、频率和相位，并且快速响应，抵消负载中相应电流，实现了动态跟踪补偿，而且可以既补谐波又补无功和不平衡。

安科瑞电气股份有限公司开发的ANAPF系列有源电力滤波器，以并联方式接入电网，通过实时检测负载的谐波和无功分量，采用PWM变流技术，从变流器中产生一个和当前谐波分量和无功分量对应的反向分量并实时注入电力系统，从而实现谐波治理和无功补偿，原理如图2-1所示：

图2-1  ANAPF有源电力滤波器原理图 

安科瑞ANAPF有源电力滤波器的技术参数和报价方案分别见表2-1和表2-2。

 表2-1   ANAPF有源电力滤波器技术参数

 表2-2  ANAPF有源滤波器报价及主要元件清单

注：以上技术参数或器件名称、数量如有更改，恕不另行通知。

 3 有源滤波方案及案例

使用有源电力滤波器进行谐波治理，主要有集中、局部和就地补偿三种方案。集中补偿适用于单台设备谐波含量小，但设备数量多、布局分散的场合，比如办公大楼(主要设备是个人电脑、节能灯、变频空调、电梯等)，虽然单台设备的电流小，谐波含量低，但整栋大楼的电流大，谐波电流也大。局部补偿适用于谐波源集中在某一条或几条馈出支路的配电系统，比如医院的精密仪器、UPS电源等，虽然单台设备的电流小，谐波含量低，但为防止其他设备产生的谐波对其干扰，采用局部谐波补偿。就地补偿适用于谐波源比较明确且单台设备谐波含量较大的配电系统，比如大型商业区的景观照明、影剧院的可控硅调光设备、工业区的变频器调速设备等，单台设备电流大、谐波含量高、谐波电流大，为防止谐波电流影响其他用电设备，采用就地补偿。

上海某工厂办公大楼内安装有大量的节能灯，另外还有变频空调、电梯等负载，产生了大量的电流谐波，导致变压器容量不足，夏季、冬季经常出现跳闸、烧保险丝的情况，严重影响办公。安科瑞电气股份有限公司派工程师对其进行现场测量，测量数据如图3-1所示。从图中可以看到电流波形严重畸变，A、B、C三相电流谐波畸变率分别为19.7%、27.8%、26.6%，远远超于国标GB/T 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》的相关规定。同时三相负载明显不平衡。经分析得知电流谐波主要是由于一次回路后段照明配出回路和变频空调等动力回路产生，应采用局部补偿的方法进行治理，型号为ANAPF50-380/BGL的有源电力滤波器适用于该办公大楼的谐波治理。方案如图3-2所示。

图3-1  治理前电流波形与谐波数据

图3-2  ANAPF局部补偿方案图

 4 谐波治理效果

ANAPF投入运行后，得到如图4-1所示的理想波形和测试数据，相电流*大值从64A降低到47A，N线电流从治理之前的37A降到了5A，实现了三相基本平衡，电流谐波畸变率降低到3.4%以下。同时系统功率因数也从之前的0.87升到了0.99。自从使用ANAPF有源电力滤波器之后，该办公大楼整个冬季没有出现跳闸、烧保险丝的情况，使得变压器的容量得到了充分利用。

图4-1  治理后电流波形与谐波数据

参考文献

[1]能源部电力司.GB/T14549-93电能质量 公用电网谐波[S].北京：中国标准出版社，1994.

[2]季晓春.有源滤波器的原理和选型计算.

[3]安科瑞电气有源电力滤波器选型手册2014.1版.

ANAPF有源滤波器模块化安装优势 安科瑞鲍静君

摘 要：本文介绍了ANAPF有源滤波器模块化设计的特点，并结合实际应用介绍了抽屉式APF模块在柜体内的安装指引，以及壁挂式APF模块挂墙安装的方式，体现了模块化设计在安装、售后维护、扩容等方面的优势，同时为用户节约了成本。

关键词：有源滤波器 抽屉式 壁挂式 模块化特点 安装优势

引 言：ANAPF有源滤波器是一种常用的用于谐波治理的产品，目前市场上大部分都是柜体式的产品，柜体式设计方案存在生产效率低，安装及售后服务不方便、无法扩容、成本高等缺陷，有时严重影响客户交期，为此  模块式设计方案可以解决上述问题。

1.ANAPF有源滤波器的工作原理

    ANAPF有源电力滤波器(以下简称APF)并联在含谐波负载的低压配电系统中，能够对动态变化的谐波电流进行快速实时的跟踪和补偿。其原理为：ANAPF系列有源电力滤波器通过CT采集系统谐波电流，经控制器快速计算并提取各次谐波电流的含量，产生谐波电流指令，通过功率执行器件产生与谐波电流幅值相等方向相反的补偿电流，并注入电力系统中，从而抵消非线性负载所产生的谐波电流。

（上图为ANAPF有源电力滤波器原理图）

2.APF模块的介绍

APF模块化设计根据安装方式分为两种：抽屉式模块和壁挂式模块

2.1抽屉式模块：

2.2壁挂式模块：

    单个模块*大容量达100A，可单独安装使用，壁挂式模块适用于负荷容量较小或场地紧凑的场合，可直接挂在墙上，也可根据实际容量、柜体尺寸要求，采用合适的模块数量挂在柜体中，通过并机满足客户谐波容量需求。抽屉式也可采用多个100A模块并联安装在柜体中形成大电流补偿装置，根据实际补偿容量需求增减柜体内模块数量，较于壁挂式模块安装更方便、适用于大负荷容量的场合。

3.APF模块化设计特点

3.1模块化设计、积木扩展式并联结构，安装便利、方便扩容、可作为零部件单独使用。

    模块化有源滤波器为积木扩展式并联结构，主电路中的每个电气元件都小型化和标准化，整个拓扑封装在一个模块内，APF模块与柜体采用钣金固定，用户扩容时把APF装进预留空间的APF柜体内，插上光纤即可

3.2维护便捷，支撑在线维护

    任何一个电气元件损坏只会影响当前模块运行，APF柜内其他模块正常运行，不会导致整套APF瘫痪。维护时只需把故障APF模块从柜体中移出，更换上新的APF模块即可。

3.3可靠性高、温度均匀

    逆变单元中的IGBT、LCL滤波器中的滤波电感和阻尼都微型化、功率小，发热元件平均分配到每个滤波模块中，热量均匀，电气元件不易发生因为温度过高而失效，同时每个模块中都配有散热风机。

3.4控制器线路板与APF模块及APF模块之间采用光纤传输数据

    控制器与功率单元之间采用光纤连接，整个数据传输都为光信号，不会受到电磁干扰。在信号衰弱方面，光纤传输衰减远远小于传统排线传输

3.5实时跟随、动态补偿

    采用基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测技术，实时监测谐波电流，通过瞬时电流跟踪控制，实现谐波电流动态补偿，自动跟踪电网谐波变化，具有高度可控性和快速响应性。

3.6补偿方式灵活

    一机多能，不仅能治理谐波，而且能补偿无功、提高功率因数。既可对单个谐波源独立补偿，也可对多个谐波源集中补偿。

4.APF模块化安装的介绍  

    APF有源滤波器电流规格分别为：50A、100A、150A、200A、250A、300A. 按单个模块*大容量50A。例：100A为2个模块组成，依次类推300A为6个模块组成。

4.1标准APF柜体结构示意（柜体可根据客户要求定制）

柜体型材：C型材

柜体尺寸：宽*深*高800*1000*2200 防护等级：IP30

柜体颜色:RAL7035

标准眉头（图示：A）:高60mm，红底白字，前后眉头，眉头顶部与柜顶齐平

图示B和F分别为母线区前后门，有封板式和柜门式两种，图示为柜门式，高度有180、200、220可供选择，也可根据客户要求定制。

C为柜底挡板区，高度有100、120两种尺寸，也可根据客户要求定制。

D为母线区，高度有200、250两种尺寸，也可根据客户要求定制。

E为地排区，标准高度为150㎜，其他高度会影响柜体备货和模块安装数量。

图示柜体前后门为标准前后门，小门宽度200㎜，大门宽度600㎜。柜子前后门上需多开散热孔，便于通风散热。

4.2 抽屉式模块在柜内的安装

    目前常规的APF柜内空间有限，抽屉式模块*多安装6个，组合容量为300A的有源滤波器。但是，我们正在向更多模块数，更大容量化的方向进行研究与发展。

4.2.1抽屉式模块外形及安装孔尺寸 

           模块实物正视

          模块实物背视

 模块安装孔尺寸

4.2.2抽屉式模块安装说明

6个模块，容量为300A的APF模块安装示意图

  ● 柜内模块支撑支架由上往下左右两边支撑支架序号分别是1、2、3、4、5.支架置于柜内侧横梁上，每个支架上有对应序号数量的小孔，仅仅作为支架的区别用，不做安装使用。柜内4个模块及以下模块固定位置从支撑支架3开始安装，即APF1模块置于支架3上，APF2模块置于支架4上，若4个模块，以此类推，APF4模块置于柜内底支撑梁上。5个模块时APF1模块在支撑支架2上。如下图（一）所示。

  ● 每个APF模块根据上述安装固定位置要求，放置于柜内相应位置，模块前面板上的安装孔刚好对应柜内安装支架上的安装孔，然后用M6的螺钉紧固，如下图：

 图（一）

  ● 每个模块配一个微型断路器（现以天水213品牌微型断路器为例），起保护、分合作用，便于以后检修。微断的安装位置与板载模块位置相对应，置于柜左侧小门里的35㎜的导轨上。

4.2.3抽屉式模块接线说明

APF板载模块原理图

 4.2.3.1一次电缆接线

 图（二）             图（三）                 图（四）

    如图（二）、(三)所示，模块上A、B、C、N四相线分别接于微型断路器下桩头上，然后A、B、C、N四相线从微型断路器上桩头分别接在柜内A、B、C、N四根汇流排上，客户进线分别引至这四根汇流排上，见图（四）。完成一次电缆连接。

4.2.3.2光纤连接

    如图（五）两图所示：APF1模块上R1不接、T1接于APF2模块上R1，APF2模块上T1接于APF3模块上R1，依此类推，柜内最后一个模块上的T1不接。 

图（五）

4.2.3.3互感器信号线缆连接

图（六）外接互感器原理图

      如图（六）所示，CT1~CT3为外接互感器，APF1模块上Ia*、Ib*、Ic*引至柜内1、2、3片试验端子上，分别对应接外接互感器A、B、C相S1,APF1模块上Ia、Ib、Ic分别接APF2模块上Ia*、Ib*、Ic*，APF2模块上Ia、Ib、Ic分别接APF3模块上Ia*、Ib*、Ic*，以此类推，柜内*下端一个模块上的Ia、Ib、Ic环绕一起分别接至4、5、6片试验端子上，分别对应外接互感器A、B、C相S2端，如图（七）所示。

图（七）端子

4.3 壁挂式模块挂墙安装的说明

4.3.1壁挂式模块实物外形

壁挂式模块实物正视

4.3.2壁挂式模块安装说明

    我司提供安装支架，如图（八）（九）所示，安装支架用M10的膨胀螺栓固定在墙上，模块后侧挂墙安装孔对应安装在安装支架上。便于接线及模块散热要求。

4.3.3壁挂式模块接线说明

    例100A的有源滤波器，可以用两个容量50A模块并排安装。

4.3.3.1一次电缆接线

 图（十一）

    用16㎜2线缆分别从两模块上端A、B、C、N引至4级塑壳断路器桩头上或3极加N排。

4.3.3.2光纤接线

    如上图（十一）所示，APF1模块上R1不接、T1接于APF2模块上R1，APF2模块T1不接。                                

4.3.3.3互感器信号线缆接线

    如图所示，CT1~CT3为外接互感器，APF1模块上Ia*、Ib*、Ic*分别对应接外接互感器A、B、C相S1,APF2模块上Ia、Ib、Ic环绕一起分别对应外接互感器A、B、C相S2端。 

4.3.4 例：APF100A壁挂式模块的安装示意图

5.APF容量计算方法

    谐波是由非线性设备产生的，而每种设备的实际工作状态都不同。因此实际谐波电流需采用专门设备进行测量，考虑到设备的技术及经济性，设计谐波治理装置的额定谐波补偿电流应略大于系统谐波电流。由于谐波电流本身的测量与计算比较复杂，况且在设计时往往很难采集到足够的电气设备使用中的谐波数据，可以根据下列公式估算谐波电流进行选型。

5.1  根据负载额定电流和行业类型选型

谐波补偿电流的大小可安排售前工程师协助测量或根据变压器容量和行业类型自行估算后选择。

常见谐波负载的谐波含量

6.结束语：

    模块化设计有源滤波器结构轻巧、安装方便，为用户节约了投资成本，缩短了生产工期；制造趋于标准化，减少生产环节的规格变化，更适宜大批量、标准化生产，产品品质更有**。多模块并联有源滤波器补偿方式比较灵活，采用不同数量补偿模块并联后，可以用于不同容量及要求的谐波抑制场合，因此在解决各种不同的工业及商业应用场合方面具有可靠性和更高的灵活性。为低压配电网的谐波治理工程提供了的补偿装置，具有良好的应用价值和应用前景。

【参考资料】

安科瑞电能质量监测与治理选型手册。2015.08版

安科瑞电气股份有限公司产品手册.2013.01.版