标准化的板载式有源滤波装置

缪建梅
安科瑞电气股份有限公司   

1 引言

    近年来，电力电子技术不断地创新、发展，电力电子技术已被广泛应用于人们的生活、学习、工作中，常用的充电装置、计算机、UPS等都是电力电子技术发展的产物。这些设备的发明和使用给社会带来极大的便利，但随着这些设备的大量应用，电能质量问题也十分突出。谐波作为目前危害电能质量的首要因素，受到了供用电双方的高度重视。社会上已经有许多电能质量解决方案，并已经形成一个规模庞大的产业，安科瑞电气就是其中的领先者。

2 谐波的产生和治理

    谐波是什么？谐波通俗的来说就是指电流中所含有的频率为基波整数倍的电量，我们常说的N次谐波，它们的频率就是基波的N倍；从广义上来说，任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波，这也就是为什么有时会有“间谐波”（非整数倍工频频率）的说法。

2.1 谐波的产生

    在只含线性元件（电阻等）的线路中，流过的电流与施加的电压成正比，电流波形为正弦波。而谐波产生的根本原因就是由于电力系统中某些设备和负荷的非线性特性，即所加的电压与产生的电流不成正比关系造成的波形畸变。当电力系统向含有非线性元器件的设备供电时，这些设备不光变换、吸收系统的电能，还会把部分基波转换成谐波，倒送入系统，污染电网。生活中常有的照明灯光、电视画面明暗闪烁等情况，都和谐波有关。

2.2 谐波的危害

    在输配电网络中，谐波会降低变压器容量、减小线缆载流能力，严重时会造成突然电力中断，造成重大社会经济损失；在生产企业中，谐波会干扰通讯信号，还会引起元器件误动作，降低设备稳定性导致残次品率增加，还会加速设备老化缩短使用寿命，严重时可能损坏设备甚至引起火灾。

2.3 产生谐波的设备

    产生谐波的设备一般是非线性设备，主要分为以下几类：

    1. 具有铁磁饱和特性的铁芯设备，如变压器、电抗器等；

    2. 以具有强烈非线性特性的电弧为工作介质的设备，如气体放电灯、交流弧焊机、炼钢电弧炉等；

    3. 以电力电子元件为基础的设备，如开关电源、变流装置、调压装置等。

一些常见的产生谐波的负载及其谐波量可参见表1。

                    表1 常见谐波负载的谐波含量

2.4 谐波治理方案

    目前谐波治理的措施主要有3种：受端治理，即从受到谐波影响的设备或系统出发，提高他们的抗谐波干扰能力；主动治理，即从谐波源本身出发，使谐波源不产生或减少谐波；被动治理，即外加滤波装置阻止谐波注入电网。被动治理是目前采用最广泛的谐波治理方案。

    外加的滤波装置有两种，分别是无源滤波装置和有源滤波装置，他们各有优缺点。无源滤波装置结构简单，安装方便，初期投入小，但是只能滤除固定次数的谐波且易与电网发生谐振；有源滤波装置结构复杂，造价较高，但是补偿效果好，后期维护方便，维护成本低。所以安装有源滤波装置是目前被广泛应用的谐波治理方式。

3 板载式有源滤波装置产品介绍

    ANAPF板载式有源滤波装置是我公司研发的电能补偿装置的一种，采用现代电力电子技术，基于高速全数字控制方式的数字信号处理技术制成的新型电力谐波治理专用设备。它由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个主要部分组成。与传统无源滤波器（相当于给谐波电流提供了接近于0的极低阻抗通道，以免谐波电流注入系统）相对比，有源滤波装置通过IGBT逆变模块实现了各次谐波的动态滤除。

3.1 ANAPF板载式有源滤波装置工作原理

    ANAPF板载式有源滤波装置可以通过外部电流互感器，实时检测负载电流，并通过内部DSP计算，提取并计算出负载电流的谐波成分，然后通过PWM信号发送给内部IGBT，控制逆变器产生一个和负载谐波电流大小相等，方向相反的谐波电流注入到电网中抵消对应谐波电流，达到滤波目的。工作原理图及补偿示意如图1所示。   

                        图1 ANAPF工作原理及对应波形示意

3.2 ANAPF板载式有源滤波装置结构介绍及优势分析

    ANAPF板载式有源滤波装置相较于公司前期的立柜式产品来说，体积更小、重量更轻、方便安装、更美观，这对产品的结构安排和内部集成度有了更高的要求。我司生产的ANAPF有源滤波装置分为两种安装方式 ，其主要参数如下：壁挂式板载模块外观如图2所示：

外形尺寸485×275×610 （宽*深*高）

额定电流：50A（可按照需求适当提高）

额定电压:AC380V

接线方式:三相三线或三相四线

进线方式：上进上出

额定频率：50Hz

模块壳体颜色：RAL7035

防护等级：IP20

质量：50KG   

                                                   图2 壁挂板载式外观示意

抽屉式板载模块外观如图3所示：

外形尺寸485×610×275 （宽*深*高）

额定电流：50A（可按照需求适当提高）

额定电压:AC380V

接线方式:三相三线或三相四线

进线方式：后进后出

额定频率：50Hz

模块壳体颜色：RAL9004

防护等级：IP20

质量：50KG    

                                                       图3 抽屉板载式外观示意 

    其中壁挂式结构适用于负荷容量较小或场地紧凑的场合，一般推荐为单台独立运行时使用；抽屉式结构多采用多模块并联安装在抽屉柜体中的安装方式，可根据实际补偿容量需求增减柜体内模块数量，适用于大负荷容量的场合。目前我司常规产品最大为6个模块组合，并且正在向更多模块数，更大容量化方面研究与发展。其抽屉柜安装效果图如图4所示。

    该方式相对于传统整柜式有以下几项优点：

    （1）每个模块容量为50A（可在适当范围内浮动），相同的柜体格局下有更多容量选择，并可根据客户实际需求增加模块数量至6个以上（需加宽柜体尺寸，效果可参照图5）；

    （2）可根据负载使用变化随时增、减APF设备的容量（加、减模块数量即可，并对人机界面作相应参数设置）；

    （3）每个模块单独安装散热单元，并可在柜体上加装散热风扇，散热效果良好，故障率低；

    （4）多个模块之间虽有通讯连接，但各台的故障并不会相互影响其它模块继续工作（补偿容量会相应减小）；

    （5）后期维护方便，可实现故障模块单独维修、更换；维护期间ANAPF有源滤波装置可持续工作。

    （6）结构精巧，设计灵活，可作为零部件（模块）单独购买，嵌入第三方柜体；柜型外观、尺寸的改变基本不影响内部安装和整体使用效果。

    （7）生产周期短，即使是非常规要求产品亦能保证及时投入使用，确保客户经济利益。

     图4 模块化组合式安装示意图             图5 两列模块组装效果示意图

3.3 ANAPF板载式有源滤波装置的补偿效果

    下面是某负载的产品应用效果图，其谐波含量在26%左右，通过电能质量分析仪PW3198的分析可以帮助我们很直观的看到补偿效果。

      补偿前网侧谐波畸变率                 补偿前网侧谐波畸变率

    补偿后谐波电流含量仅为4%，低于国标对0.38KV电网的要求5%，以C相为例，对应的各次谐波含量清单如下：

         补偿前C相各次谐波含量                补偿后C相各次谐波含量

    从波形来看效果可以更直观的看到补偿效果：补偿前电流波形为M形，补偿后已变为正弦波，效果良好。  

         补偿前电压电流波形                  补偿前电压电流波形

3.4 ANAPF板载式有源滤波装置的型号选择

    该产品为并联型有源电力滤波器，其命名方式为：

    其中谐波补偿电流的大小可安排专业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，计算方法见公式（1）。

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

其中 为变压器负荷率，即负荷占变压器额定容量的比例，通常取0.6~0.8；

  为电流总谐波畸变率，各行业略有不同，具体数值参见上文表1；

  为变压器额定容量，单位KVA；

  为低压系统电压，一般取0.38~0.4。

4 结束语

    ANAPF板载式有源滤波装置在原有立柜、抽屉、壁挂式产品基础上，进一步缩小了体积并减轻重量；由于其采用了高集成化模块设计，后期维护变得更加轻松、便利，而且治理效果也更显著。其不仅能治理谐波，也能补偿无功：有效地治理谐波，可改善电能质量使设备误动作率大大降低，从而提高电气设备利用率和产品合格率，既保证了电网安全运行，又能降低用户的电力损耗；而有效地补偿无功，使功率因数高达0.98以上，则避免了用户因功率因数不足而被罚款，也为用户带来了可观的经济收益。由此可见，选用ANAPF板载式产品，对电网设施和用户设备都有极大的益处，可以说是实现了供用电双方的共赢。

【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