有源电力滤波器电网谐波治理解决方案

有源电力滤波器电网谐波治理解决方案安科瑞王志彬2019.03电力设备市场推出有源电力滤波器、串联有源电力滤波器以及静止无功功率发生器(SVG)等新技术、新新产品可以有效的治理谐波污染，改善用电质量与供电环境，减少电能损耗、节约能源。具体表现在：(1)高压混合有源电力滤波器：在高压6kV、10kV、35kV的供电电网之中，无源滤波器已经大量的使用并且有很好的滤波效果，但无源滤波器在较复杂的供电系统中可能会产生谐振或为躲避谐振点而降低了滤波效果。使用高压混合有源电力滤波器后，因为有源电力滤波器控制高压无源滤波器，由此可以避免了谐振的产生，滤波器始终工作在较好的滤波状态。(2)解决供电电压三相平衡与谐波问题：因为三相电压不平衡造成运行温升过高，出现机械噪音，以及单相负载造成的3次谐波，不仅浪费了电能，还对用电设备带来损坏，同时中线电流过大，给供电电网造成很大的隐患。使用三相四线并联有源电力滤波器，不但可调整中线电流解决三相不平衡，还可消除有单相负载造成的3次谐波治理。谐波治理特别是应用在办公大楼以及金融机构。(3)消除谐波，提高电源的质量：当电网供电中使用了较大的非线性负载时(例如：可控硅、二极管电源等)，就会给电网产生严重的电流谐波，极大地破坏了供电环境。使用并联有源电力滤波器,即可有效的解决电网严重的电流谐波，同时也改善电压谐波。用电设备的可靠性、安全性、发热量的降低都得到改善。(4)提高功率因数，节约电费：一般情况下解决功率因数过低时是加装电容器组，分组投切，可以将功率因数提高。但电容器组投入的同时很容易将某次的电流谐波放大，严重的造成供电开关跳闸、电容器经常损坏等。将电容器组改为无源滤波器既提高功率因数又消除一部分谐波。如果已加装了电容器组放大了电流谐波造成电容器组投入失败，说明电网中存在大量谐波，另一有效的方法是使用并联有源电力滤波器，将谐波消除。通过谐波治理就可安全的将电容器组投入了，还有采用静止无功功率发生器(SVG)，既可以提高功率因素又可以消除谐波，它不存在放大某次谐波和与系统谐振问题。安科瑞ANAPF有源电力滤波器1、概述1.1谐波的产生电力系统中理想的电压、电流波形都是频率为50Hz的正弦波，但是非线性电力设备（大功率可控硅、变频器、UPS、开关电源、中频炉等）的广泛应用产生了大量畸变的谐波电流，谐波电流耦合在线路上产生谐波电压。对非正弦的畸变电流作傅立叶级数分解，其中频率与工频相同的分量为基波，频率是基波频率整数倍的分量为谐波。谐波是电能质量的重要指标。1.2谐波的危害●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。●引起电网谐振，使得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。●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。1.3有源电力滤波器产品效益●使谐波指标满足国家标准，避免供电部门罚款或中断供电；●降低变压器损耗；●减少谐波污染，降低谐波对自动控制装置、电能计量装置、继电保护装置的干扰，保证供配电系统安全稳定运行；●避免谐波过电压和谐波过电流对电气设备的危害，延长设备使用寿命；●节能降耗，提高功率因数，节约电费，避免罚款。1.4执行标准GB/T14549-1993《电能质量：公用电网谐波》GB/T15543-2008《电能质量：三相电压不平衡度》GB/T12325-2008《电能质量：供电电压偏差》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：电力系统频率偏差》GB17625.1-2012《电磁兼容限值谐波电流发射限值》GB/T15576-2008《低压成套无功功率补偿装置》2、产品介绍2.1工作原理ANAPF系列有源电力滤波器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。图2-1ANAPF有源电力滤波器原理图2.2产品特点●DSP+FPGA全数字控制方式，具有极快的响应时间，先进的主电路拓扑和控制算法，精度更高、运行更稳定；●一机多能，既可补谐波，又可兼补无功，可对2～31次谐波进行全补偿或指定特定次谐波进行补偿；●具有完善的桥臂过流保护、直流过压保护、装置过温保护功能；●模块化设计，体积小，安装便利，方便扩容；●采用7英寸大屏幕彩色触摸屏以实现参数设置和控制，使用方便，易于操作和维护；●输出端加装滤波装置，降低高频纹波对电力系统的影响；●多机并联，达到较高的电流输出等级；●拥有自主专利技术。2.3主要技术参数表2-1ANAPF有源电力滤波器技术参数2.4产品3、产品应用3.1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。3.1.1根据负载额定电流和行业类型选型3.1.2根据变压器容量和行业类型选型3.1.3根据快速选型表查表选型查表步骤：步骤1：确定变压器容量和变压器负载率（一般在0.6~0.8）；步骤2：根据变压器负载率确定表2、表3或表4；步骤3：确定电流总谐波畸变率（THDi）（表1中THDi值为参考值，仅在估算谐波电流时使用）；步骤4：根据变压器容量及THDi参考值确定相应的谐波电流值；步骤5：考虑到一定的裕量，选择相应容量的ANAPF有源电力滤波器。注：表1～表4参见附录1。3.2选型示例上海某工厂办公大楼变压器容量为250KVA，变压器负载率为0.8，主要负载为节能灯、变频空调和电梯等，属于办公楼宇。变压器容量为250KVA；变压器负载率为0.8；负载类型属于办公楼宇，根据表1估算THDi为30%；查表4可得估算谐波电流值为83A；如果根据公式（2）计算，结果是一样的；考虑到一定的裕量，选择100A的ANAPF有源电力滤波器。3.3治理方式分类与说明电能质量监测与治理系统针对不同的场合可选择不同的治理方案，一般有集中治理、局部治理和就地治理三种技术方案。（一）集中治理集中治理上图示例本案例是在变电所低压电容柜中设置无功补偿，同时在配电前端设置有源电力滤波器，采用集中治理的方式抑制谐波。集中治理适用于单台设备谐波含量小，但数量庞大、布局分散的场合，比如办公大楼(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，但整栋大楼的总电流大，总谐波电流也大。（二）局部治理局部治理上图示例本案例是在变电所低压电容柜中设置无功补偿，同时在局部谐波源前端设置有源电力滤波器，采用局部治理的方式抑制谐波。局部治理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，采用局部谐波治理。（三）就地治理上图示例本案例是在变电所低压电容柜中设置无功补偿，同时在主要谐波源的前端设置有源电力滤波器，采用就地治理方式的抑制谐波。就地治理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，采用就地治理。4应用案例4.1ANAPF在数据机房的应用▲项目背景：常熟智慧城市是一个市民卡信息中心，其中包括大型数据机房，对电能质量要求非常高；为了提高供电可靠度，采用大量的UPS作为设备电源，机房内还包含空调设备、照明设备等。此类电力电子设备皆属于非线性负载，在使用过程中会产生大量谐波并注入系统中，主要以5次、7次为主；如果不进行谐波治理，对电网造成严重的污染，也影响机房中其他敏感设备，比如导致通信数据错误，甚至瘫痪、中断，降低了配电系统的安全性、可靠性。▲治理方案：根据以往测量经验进行谐波分析与估算，谐波主要由UPS和一些非线性直流电源产生，供电系统由2台800kVA变压器及其一台800kW发电机组成，采用集中治理方案，在每台变压器下加装300A有源电力滤波器，由两台150A并机实现，型号为ANAPF150-380/BGL，来自动跟踪补偿负载产生的谐波电流，保证整个系统安全可靠运行。▲治理效果：图4-1治理之前A、B、C、N相电流波形和电流频谱由图可以看出，治理前，N线电流较大，3次、5次、7次等谐波频次含量较大；治理后，N线电流明显降低、各次谐波电流得到有效抑制，提高了供电系统的稳定性，消除了谐波对通信系统影响的危害，收到了良好的运行效果。▲安装现场：图4-2安装现场4.2ANAPF在办公楼宇的应用▲项目背景：珠海横琴口岸项目是临时边检大楼的新建项目，为边检部门电气设备提供可靠电力支持，对电能质量要求较高；用电设备主要是大功率UPS、LED显示屏、空调、照明和报检大厅动力设备等，会产生大量谐波，其谐波主要包括3、5、7、9次；不进行合理治理，将对其他电气设备产生危害，如：大量的3次谐波造成中线过热甚至发生火灾；大量谐波造成变压器局部严重过热；继电保护发生误动作等。▲治理方案：根据以往测量经验进行谐波分析与估算，谐波主要由UPS和一些非线性直流电源产生，该项目有1#、2#两个配电站，1#配电站有2台800kVA的变压器，2#配电站有2台1000KVA的变压器，分别采用集中治理方案，在每台变压器下加装ANAPF系列有源电力滤波器，由于安装空间有限，选择我司壁挂式有源电力滤波器进行嵌入式安装，1#配电站中#1和#2变压器下安装型号均为ANAPF75-380/BBL，2#配电站中#1和#2变压器下安装均为2台型号为ANAPF60-380/BBL的有源电力滤波器并机使用，保障了整个供电系统的稳定性。▲治理效果：图4-4治理之后电流波形和各次谐波电流畸变率治理前电流波形发生畸变，三相电流畸变率分别为10.8%、11.1%、12.5%；在加装ANAPF系列有源电力滤波器后电流波形趋向正弦波，各次谐波得到有效抑制，电流畸变率明显降低，三相电流畸变率降至4.0%、4.1%、4.4%。▲安装现场：4.3ANAPF在工业领域的应用▲项目背景：合肥日立建机是日立建机集团在中国最大的生产基地，其主要负载是变频器、电焊机和中频炉等，这类负载属于中污染设备，使用时电流变化很快，无功需求大，传统无功柜跟不上负载变化速度，导致功率因数很低，造成无功罚款；同时又会产生大量谐波流入电网中，谐波电流在线路上流动会产生压降，使得电压也畸变严重，致使一些精度高的生产设备不能正常运行，影响公司的生产，导致产品质量下降，给客户带来严重的经济损失。▲治理方案：该项目共有6台变压器，均采用集中治理方案，在变压器的出线侧加装ANAPF系列有源电力滤波器，型号为：ANPF200-380/BGL，既可补偿谐波又可补偿部分动态无功。同时，建议在变频器的进线端加装输入电抗器，用来滤除部分变频器谐波，以达到更好的治理效果。▲治理效果：由图4-5和图4-6可以看出，治理前，电流波形失真十分严重，三相电流畸变率分别为