缪建梅
安科瑞电气股份有限公司 嘉定 201801
摘要：本文分析了电力电网的谐波源、谐波特性和危害，并通过某大型钢铁股份公司低压配电系统中有源滤波器的应用案例，对比分析了有源滤波器投入前后的情况，说明了有源滤波器的谐波治理技术是改善供电电能质量的有效手段之一，可将产生的谐波控制在最小范围内，达到科学合理用电，抑制电网污染，提高电能质量，保证电气设备安全的作用。
关键词：电能质量；谐波；有源滤波
1 电能质量与谐波
1.1 谐波的产生
随着电力电子变流装置的应用日益广泛，电能得到了更加充分的利用。但非线性电力装置设备的广泛应用产生了大量畸变的电流谐波，畸变电流在电网中的流动导致了谐波电压；谐波污染越来越多地威胁到电力系统安全、稳定、经济运行，给同一网络的线性负载和其它用户带来了极大影响。谐波已与电磁干扰、功率因数降低并列为电力系统的三大公害。所以了解谐波产生的原理、研究消除供配电系统中的高次谐波问题对改善供电质量和确保电力系统安全经济运行有着非常积极的意义。谐波测量是谐波问题中的一个重要分支，对抑制谐波、解决谐波产生的问题有着重要的指导作用。因此对谐波的测量和分析是电力系统分析和控制中的一项重要工作，是继电保护、故障测量等工作开展的重要前提。
主要谐波产生源如下表：
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名 称 |
所属行业 |
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变频装置 |
商业、市政、民用、公用事业、工矿企业等 |
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UPS、开关电源、逆变电源 |
公用事业、商业、电子、通讯等 |
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地铁、轻轨、充电站（桩） |
交通 |
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单（多）晶硅生产设备、中频炉 |
制造业 |
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电弧炉、交流弧焊机、感应加热装置 |
机械、能源、化工 |
1.2 谐波的危害
1.2.1使电力元件附加损耗加大，易引发火灾。
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。
1.2.2影响电气设备的正常运行。
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。
1.2.3引起电网谐振。
这种谐振可能使谐波电流放大几倍甚至数十倍，会对系统，特别是对电容器和与之串联的电抗器形成很大的威胁，经常使电容器和电抗器烧毁。
1.2.4使继电保护误动作，电气测量误差过大。
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。
1.2.5使工控系统崩溃。
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。
1.3 谐波治理依据的国家标准
GB/T14549-1993 《电能质量：公用电网谐波》
GB/T15543-2008 《电能质量：三相电压允许不平衡度》
GB/T12325-2008 《电能质量：供电电压允许偏差》
GB/T12326-2008 《电能质量：电压波动和闪变》
GB/T18481-2001 《电能质量：暂时过电压和瞬态过电压》
GB/T15945-2008 《电能质量：电力系统频率允许偏差》
GB7625.1-1998 《低压电气电子产品发出的谐波电流限值》
GB/T15576-1995 《低压无功功率静态补偿装置总技术条件》
2典型应用方案介绍
2.1项目背景
某钢铁股份公司是集炼焦、烧结、冶炼、轧材及科研开发为一体的特大型钢铁联合企业，其属下X轧钢厂主要生产中厚板等钢材产品，由于生产需要，在低压配电系统变压器二次侧的设备主要是电动机，变频器带动电机工作。由于变频器内部结构采用大量非线性元件，所以在工作过程中产生大量谐波。
板材在轧制过程中存在一定的冲击负荷，而且生产工艺也并非连续性。从而引起工作电压/电流波动、不连续，工作电流的变化同样引起谐波电流波动。
电流、电压波动实时监测
2.2项目方案
我公司为该企业轧钢车间二号冷床下电网的谐波情况制定了相应的解决方案。采用自主研发的并联型有源电力滤波器ANAPF，在变压器出线侧进行集中治理，滤波器可以自动跟踪治理负载产生的谐波电流，并有效的滤除谐波，从而保证整个系统安全可靠运行。
系统治理示意如下图所示：
2.3项目效果
投入有源电力滤波器后，谐波电压、谐波电流治理效果：
投入有源电力滤波器运行后，总电流畸变率由82.1%降至4.4%、5次谐波的电流畸变率由67.0%降至1.9%、7次谐波的电流畸变率由43.8%降至2.0%。电网质量得到明显的改善，并且适用于变化较快的负载，对供电系统的非线性负载在工作过程中产生的谐波起到明显的抑制作用，从根本上改善了整个供电系统的电能质量状况，有效地保护了生产线上设备的正常运行。
3 ANAPF有源滤波器简介
3.1有源滤波器主要技术指标
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接线方式 |
三相三线或三相四线 |
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接入电压 |
3×380V ±10% |
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接入频率 |
50Hz ±2% |
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动态补偿响应时间 |
动态响应＜4ms，全响应时间＜20ms； |
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开关频率 |
10kHz |
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功能设置 |
只补偿谐波、只补偿无功、既补偿谐波又补偿无功；手动、自动切换。 |
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谐波补偿次数 |
2-21次 |
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保护类型 |
直流过压 IGBT过流 装置温度保护 |
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过载保护 |
自动限流在设定值，不发生过载 |
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冷却方式 |
智能风冷 |
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噪音 |
＜ 65db(处于柜内并运作于额定状态) |
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工作环境温度 |
-10℃～+45℃ |
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工作环境湿度 |
＜85%RH 不凝结 |
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安装场合 |
室内安装 |
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海拔高度 |
≤1000m（更高海拔需降容使用） |
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进出线方式 |
下进下出 |
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防护等级 |
IP21 |
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智能通信接口 |
RS485/MODBUS-RTU |
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远程监控 |
可选 |
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外形尺寸(mm) (W×D×H) |
30A |
50A |
75A |
100A |
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600×500×1500 |
600×500×1500 |
600×500×1800 |
800×600×2200 |
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重量(kg) |
三相四线 |
三相三线 |
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30A、50A |
75A、100A |
30A、50A |
75A、100A |
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280 |
360 |
240 |
290 |
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3.2有源滤波器报价及元件清单
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型号：ANAPF100-400/B |
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参考价格：12万元/台 |
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主要产品明细： |
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序号 |
名 称 |
型 号 |
数量 |
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1 |
APF电气柜 |
800X600X2200 |
1 |
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2 |
变流器 |
APFCOV-CVT100 |
1 |
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3 |
控制器 |
APFMC-C100 |
1 |
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4 |
电抗器 |
APF-RE.(S)DG-100 |
1 |
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5 |
有源电流互感器 |
LT208-S7 |
3 |
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6 |
滤波器 |
DL-1TH1 |
2 |
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7 |
断路器 |
CVS160FTM160D4P3D |
1 |
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8 |
接触器 |
LC1D150M7C |
1 |
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9 |
微型断路器 |
NDM1-63C32 |
1 |
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10 |
中间继电器 |
MY4NAC |
2 |
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11 |
R型变压器 |
R320-0.38/0.22 |
1 |
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12 |
谐波检测仪 |
ACR350EGH |
1 |
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13 |
电线 |
16mm2 |
若干 |
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14 |
电线 |
4mm2 |
若干 |
4结论
本文介绍的有源滤波装置采用模块化设计，具有极快的响应时间；一机多能，既可补谐波，又可兼补无功；先进的主电路拓扑和控制算法，精度更高、运行更稳定；使用方便，易于操作和维护。有源滤波装置节约了用户投资成本，缩短了工期，为低压配电网的谐波治理工程提供了高效的补偿装置，具有良好的应用价值和应用前景。
【参考文献】
- GB/T 14549-1993 《电能质量：公用电网谐波》
- 上海安科瑞电气股份有限公司产品手册.2013.01.版
- 吴竞昌.供电系统谐波，北京：中国电力科技出版社，1998
作者简介：
缪建梅，女，本科，安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为智能电网供配电。Email: 2880157864@qq.com手机：15618860710 QQ:2880157864
《ANAPF有源电力滤波装置设计与应用图集》（图集号：ACR13CDX701）由安科瑞电气股份有限公司主编，本图集结合ANAPF有源电力滤波装置产品的特点，依据电气设计规范，研究消除供配电系统中的高次谐波问题，达到改善供电质量和确保电力系统安全运行的目的。图集适用于新建、改建、扩建和技改项目中工业与民用及公共建筑内电气设备的谐波抑制及综合治理的设计与改造。凡需要图集的请提供贵单位名称、部门、地址、邮编、联系人、联系电话、邮箱等信息，传真:021-69158302、邮件：2880157864@qq.com或QQ:2880157864至安科瑞缪建梅工程师收，安科瑞电气免费赠送。