標(biāo)準(zhǔn)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(lái)，電力電子技術(shù)不斷地創(chuàng)新、發(fā)展，電力電子技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于人們的生活、學(xué)習(xí)、工作中，常用的充電裝置、計(jì)算機(jī)、UPS等都是電力電子技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。這些設(shè)備的發(fā)明和使用給社會(huì)帶來(lái)大的便利，但隨著這些設(shè)備的大量應(yīng)用，電能質(zhì)量問(wèn)題也十分突出。諧波作為目前危害電能質(zhì)量的首要因素，受到了供用電雙方的高度重視。社會(huì)上已經(jīng)有許多電能質(zhì)量解決方案，并已經(jīng)形成一個(gè)規(guī)模龐大的產(chǎn)業(yè)，安科瑞電氣就是其中的先者。

2 諧波的產(chǎn)生和治理

    諧波是什么？諧波通俗的來(lái)說(shuō)就是指電流中所含有的頻率為基波整數(shù)倍的電量，我們常說(shuō)的N次諧波，它們的頻率就是基波的N倍；從廣義上來(lái)說(shuō)，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(shí)會(huì)有“間諧波”（非整數(shù)倍工頻頻率）的說(shuō)法。

2.1 諧波的產(chǎn)生

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

2.2 諧波的危害

    在輸配電網(wǎng)絡(luò)中，諧波會(huì)降低變壓器容量、減小線纜載流能力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成突然電力中斷，造成重大社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失；在生產(chǎn)企業(yè)中，諧波會(huì)干擾通訊信號(hào)，還會(huì)引起元器件誤動(dòng)作，降低設(shè)備穩(wěn)定性導(dǎo)致殘次品率增加，還會(huì)加速設(shè)備老化縮短使用壽命，嚴(yán)重時(shí)可能損壞設(shè)備甚至引起火災(zāi)。

2.3 產(chǎn)生諧波的設(shè)備

    產(chǎn)生諧波的設(shè)備一般是非線性設(shè)備，主要分為以下幾類：

    1. 具有鐵磁飽和特性的鐵芯設(shè)備，如變壓器、電抗器等；

    2. 以具有強(qiáng)烈非線性特性的電弧為工作介質(zhì)的設(shè)備，如氣體放電燈、交流弧焊機(jī)、煉鋼電弧爐等；

    3. 以電力電子元件為基礎(chǔ)的設(shè)備，如開(kāi)關(guān)電源、變流裝置、調(diào)壓裝置等。

一些常見(jiàn)的產(chǎn)生諧波的負(fù)載及其諧波量可參見(jiàn)表1。

                    表1 常見(jiàn)諧波負(fù)載的諧波含量

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(shè)備或系統(tǒng)出發(fā)，提高他們的抗諧波干擾能力；主動(dòng)治理，即從諧波源本身出發(fā)，使諧波源不產(chǎn)生或減少諧波；被動(dòng)治理，即外加濾波裝置阻止諧波注入電網(wǎng)。被動(dòng)治理是目前采用zui廣泛的諧波治理方案。

    外加的濾波裝置有兩種，分別是無(wú)源濾波裝置和有源濾波裝置，他們各有優(yōu)缺點(diǎn)。無(wú)源濾波裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，初期投入小，但是只能濾除固定次數(shù)的諧波且易與電網(wǎng)發(fā)生諧振；有源濾波裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)較高，但是補(bǔ)償效果好，后期維護(hù)方便，維護(hù)成本低。所以安裝有源濾波裝置是目前被廣泛應(yīng)用的諧波治理方式。

3 板載式有源濾波裝置產(chǎn)品介紹

    ANAPF板載式有源濾波裝置是我公司研發(fā)的電能補(bǔ)償裝置的一種，采用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，基于高速全數(shù)字控制方式的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)制成的新型電力諧波治理設(shè)備。它由指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路兩個(gè)主要部分組成。與傳統(tǒng)無(wú)源濾波器（相當(dāng)于給諧波電流提供了接近于0的低阻抗通道，以免諧波電流注入系統(tǒng)）相對(duì)比，有源濾波裝置通過(guò)IGBT逆變模塊實(shí)現(xiàn)了各次諧波的動(dòng)態(tài)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(guò)外部電流互感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載電流，并通過(guò)內(nèi)部DSP計(jì)算，提取并計(jì)算出負(fù)載電流的諧波成分，然后通過(guò)PWM信號(hào)發(fā)送給內(nèi)部IGBT，控制逆變器產(chǎn)生一個(gè)和負(fù)載諧波電流大小相等，方向相反的諧波電流注入到電網(wǎng)中抵消對(duì)應(yīng)諧波電流，達(dá)到濾波目的。工作原理圖及補(bǔ)償示意如圖1所示。   

                        圖1 ANAPF工作原理及對(duì)應(yīng)波形示意

3.2 ANAPF板載式有源濾波裝置結(jié)構(gòu)介紹及優(yōu)勢(shì)分析

    ANAPF板載式有源濾波裝置相較于公司前期的立柜式產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，體積更小、重量更輕、方便安裝、更美觀，這對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)安排和內(nèi)部集成度有了更高的要求。我司生產(chǎn)的ANAPF有源濾波裝置分為兩種安裝方式 ，其主要參數(shù)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(dāng)提高）

額定電壓:AC380V

接線方式:三相三線或三相四線

進(jìn)線方式：上進(jìn)上出

額定頻率：50Hz

模塊殼體顏色：RAL7035

防護(hù)等級(jí)：IP20

質(zhì)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(dāng)提高）

額定電壓:AC380V

接線方式:三相三線或三相四線

進(jìn)線方式：后進(jìn)后出

額定頻率：50Hz

模塊殼體顏色：RAL9004

防護(hù)等級(jí)：IP20

質(zhì)量：50KG    

                                                       圖3 抽屜板載式外觀示意 

    其中壁掛式結(jié)構(gòu)適用于負(fù)荷容量較小或場(chǎng)地緊湊的場(chǎng)合，一般推薦為單獨(dú)立運(yùn)行時(shí)使用；抽屜式結(jié)構(gòu)多采用多模塊并聯(lián)安裝在抽屜柜體中的安裝方式，可根據(jù)實(shí)際補(bǔ)償容量需求增減柜體內(nèi)模塊數(shù)量，適用于大負(fù)荷容量的場(chǎng)合。目前我司常規(guī)產(chǎn)品zui大為6個(gè)模塊組合，并且正在向更多模塊數(shù)，更大容量化方面研究與發(fā)展。其抽屜柜安裝效果圖如圖4所示。

    該方式相對(duì)于傳統(tǒng)整柜式有以下幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：

    （1）每個(gè)模塊容量為50A（可在適當(dāng)范圍內(nèi)浮動(dòng)），相同的柜體格局下有更多容量選擇，并可根據(jù)客戶實(shí)際需求增加模塊數(shù)量至6個(gè)以上（需加寬柜體尺寸，效果可參照?qǐng)D5）；

    （2）可根據(jù)負(fù)載使用變化隨時(shí)增、減APF設(shè)備的容量（加、減模塊數(shù)量即可，并對(duì)人機(jī)界面作相應(yīng)參數(shù)設(shè)置）；

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

    （4）多個(gè)模塊之間雖有通訊連接，但各臺(tái)的故障并不會(huì)相互影響其它模塊繼續(xù)工作（補(bǔ)償容量會(huì)相應(yīng)減?。?；

    （5）后期維護(hù)方便，可實(shí)現(xiàn)故障模塊單獨(dú)維修、更換；維護(hù)期間ANAPF有源濾波裝置可持續(xù)工作。

    （6）結(jié)構(gòu)精巧，設(shè)計(jì)靈活，可作為零部件（模塊）單獨(dú)購(gòu)買(mǎi)，嵌入第三方柜體；柜型外觀、尺寸的改變基本不影響內(nèi)部安裝和整體使用效果。

    （7）生產(chǎn)周期短，即使是非常規(guī)要求產(chǎn)品亦能保證及時(shí)投入使用，確?？蛻艚?jīng)濟(jì)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(bǔ)償效果

    下面是某負(fù)載的產(chǎn)品應(yīng)用效果圖，其諧波含量在26%左右，通過(guò)電能質(zhì)量分析儀PW3198的分析可以幫助我們很直觀的看到補(bǔ)償效果。

      補(bǔ)償前網(wǎng)側(cè)諧波畸變率                 補(bǔ)償前網(wǎng)側(cè)諧波畸變率

    補(bǔ)償后諧波電流含量?jī)H為4%，低于國(guó)標(biāo)對(duì)0.38KV電網(wǎng)的要求5%，以C相為例，對(duì)應(yīng)的各次諧波含量清單如下：

         補(bǔ)償前C相各次諧波含量                補(bǔ)償后C相各次諧波含量

    從波形來(lái)看效果可以更直觀的看到補(bǔ)償效果：補(bǔ)償前電流波形為M形，補(bǔ)償后已變?yōu)檎也?，效果良好? 

         補(bǔ)償前電壓電流波形                  補(bǔ)償前電壓電流波形

3.4 ANAPF板載式有源濾波裝置的型號(hào)選擇

    該產(chǎn)品為并聯(lián)型有源電力濾波器，其命名方式為：

    其中諧波補(bǔ)償電流的大小可安排售前工程師協(xié)助測(cè)量或根據(jù)變壓器容量和行業(yè)類型自行估算后選擇，計(jì)算方法見(jiàn)公式（1）。

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

其中 為變壓器負(fù)荷率，即負(fù)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(yè)略有不同，具體數(shù)值參見(jiàn)上文表1；

  為變壓器額定容量，單位KVA；

  為低壓系統(tǒng)電壓，一般取0.38~0.4。

4 結(jié)束語(yǔ)

    ANAPF板載式有源濾波裝置在原有立柜、抽屜、壁掛式產(chǎn)品基礎(chǔ)上，進(jìn)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(shè)計(jì)，后期維護(hù)變得更加輕松、便利，而且治理效果也更。其不僅能治理諧波，也能補(bǔ)償無(wú)功：地治理諧波，可電能質(zhì)量使設(shè)備誤動(dòng)作率大大降低，從而提高電氣設(shè)備利用率和產(chǎn)品合格率，既保證了電網(wǎng)安全運(yùn)行，又能降低用戶的電力損耗；而地補(bǔ)償無(wú)功，使功率因數(shù)高達(dá)0.98以上，則避免了用戶因功率因數(shù)不足而被罰款，也為用戶帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)收益。由此可見(jiàn)，選用ANAPF板載式產(chǎn)品，對(duì)電網(wǎng)設(shè)施和用戶設(shè)備都有大的益處，可以說(shuō)是實(shí)現(xiàn)了供用電雙方的共贏。

【參考資料】

• • 安科瑞電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理選型手冊(cè)。2015.08版
  • 安科瑞電氣股份有限公司產(chǎn)品手冊(cè).2013.01.版