標準化的板載式有源濾波裝置的介紹

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)已被廣泛應用于人們的生活、學(xué)習、工作中，常用的充電裝置、計算機、UPS等都是電力電子技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。這些設備的發(fā)明和使用給社會(huì )帶來(lái)極大的便利，但隨著(zhù)這些設備的大量應用，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)規模龐大的產(chǎn)業(yè)，安科瑞電氣就是其中的*。

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(chēng)之為諧波，這也就是為什么有時(shí)會(huì )有“間諧波”（非整數倍工頻頻率）的說(shuō)法。

2.1 諧波的產(chǎn)生

    在只含線(xiàn)性元件（電阻等）的線(xiàn)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中某些設備和負荷的非線(xiàn)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。當電力系統向含有非線(xiàn)性元器件的設備供電時(shí)，這些設備不光變換、吸收系統的電能，還會(huì )把部分基波轉換成諧波，倒送入系統，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(xiàn)纜載流能力，嚴重時(shí)會(huì )造成突然電力中斷，造成重大社會(huì )經(jīng)濟損失；在生產(chǎn)企業(yè)中，諧波會(huì )干擾通訊信號，還會(huì )引起元器件誤動(dòng)作，降低設備穩定性導致殘次品率增加，還會(huì )加速設備老化縮短使用壽命，嚴重時(shí)可能損壞設備甚至引起火災。

2.3 產(chǎn)生諧波的設備

產(chǎn)生諧波的設備一般是非線(xiàn)性設備，主要分為以下幾類(lèi)：

（1）具有鐵磁飽和特性的鐵芯設備，如變壓器、電抗器等；

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

（3）以電力電子元件為基礎的設備，如開(kāi)關(guān)電源、變流裝置、調壓裝置等。

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

表1 常見(jiàn)諧波負載的諧波含量

    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備或系統出發(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)治理是目前采用廣泛的諧波治理方案。2.4 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)源濾波裝置結構簡(jiǎn)單，安裝方便，初期投入小，但是只能濾除固定次數的諧波且易與電網(wǎng)發(fā)生諧振；有源濾波裝置結構復雜，造價(jià)較高，但是補償效果好，后期維護方便，維護成本低。所以安裝有源濾波裝置是目前被廣泛應用的諧波治理方式。

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)的電能補償裝置的一種，采用現代電力電子技術(shù)，基于高速全數字控制方式的數字信號處理技術(shù)制成的新型電力諧波治理設備。它由指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路兩個(gè)主要部分組成。與傳統無(wú)源濾波器（相當于給諧波電流提供了接近于0的極低阻抗通道，以免諧波電流注入系統）相對比，有源濾波裝置通過(guò)IGBT逆變模塊實(shí)現了各次諧波的動(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)檢測負載電流，并通過(guò)內部DSP計算，提取并計算出負載電流的諧波成分，然后通過(guò)PWM信號發(fā)送給內部IGBT，控制逆變器產(chǎn)生一個(gè)和負載諧波電流大小相等，方向相反的諧波電流注入到電網(wǎng)中抵消對應諧波電流，達到濾波目的。工作原理圖及補償示意如圖1所示。   

                  圖1 ANAPF工作原理及對應波形示意

3.2 ANAPF板載式有源濾波裝置結構介紹及優(yōu)勢分析

    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(guān)，這對產(chǎn)品的結構安排和內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 ，其主要參數如下： 

壁掛式板載模塊外觀(guān)如圖2所示：

外形尺寸485×275×610 （寬*深*高）

額定電流：50A（可按照需求適當提高）

額定電壓:AC380V

接線(xiàn)方式:三相三線(xiàn)或三相四線(xiàn)

進(jìn)線(xiàn)方式：上進(jìn)上出

額定頻率：50Hz

模塊殼體顏色：RAL7035

防護等級：IP20

質(zhì)量：50KG   

圖2 壁掛板載式外觀(guān)示意

抽屜式板載模塊外觀(guān)如圖3所示：

外形尺寸485×610×275 （寬*深*高）

額定電流：50A（可按照需求適當提高）

額定電壓:AC380V

接線(xiàn)方式:三相三線(xiàn)或三相四線(xiàn)

進(jìn)線(xiàn)方式：后進(jìn)后出

額定頻率：50Hz

模塊殼體顏色：RAL9004

防護等級：IP20

質(zhì)量：50KG    

圖3 抽屜板載式外觀(guān)示意 

    其中壁掛式結構適用于負荷容量較小或場(chǎng)地緊湊的場(chǎng)合，一般推薦為單臺式獨立運行時(shí)使用；抽屜式結構多采用多模塊并聯(lián)安裝在抽屜柜體中的安裝方式，可根據實(shí)際補償容量需求增減柜體內模塊數量，適用于大負荷容量的場(chǎng)合。目前我司常規產(chǎn)品大為6個(gè)模塊組合，并且正在向更多模塊數，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。

該方式相對于傳統整柜式有以下幾項優(yōu)點(diǎn)：

（1）每個(gè)模塊容量為50A（可在適當范圍內浮動(dòng)），相同的柜體格局下有更多容量選擇，并可根據客戶(hù)實(shí)際需求增加模塊數量至6個(gè)以上（需加寬柜體尺寸，效果可參照圖5）；

（2）可根據負載使用變化隨時(shí)增、減APF設備的容量（加、減模塊數量即可，并對人機界面作相應參數設置）；

（3）每個(gè)模塊單獨安裝散熱單元，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，但各臺的故障并不會(huì )相互影響其它模塊繼續工作（補償容量會(huì )相應減?。?；

（5）后期維護方便，可實(shí)現故障模塊單獨維修、更換；維護期間ANAPF有源濾波裝置可持續工作。

（6）結構精巧，設計靈活，可作為零部件（模塊）單獨購買(mǎi)，嵌入第三方柜體；柜型外觀(guān)、尺寸的改變基本不影響內部安裝和整體使用效果。

（7）生產(chǎn)周期短，即使是非常規要求產(chǎn)品亦能保證及時(shí)投入使用，確?？蛻?hù)經(jīng)濟利益。            

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償效果

    下面是某負載的產(chǎn)品應用效果圖，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(guān)的看到補償效果。

    補償后諧波電流含量?jì)H為4%，低于國標對0.38KV電網(wǎng)的要求5%，以C相為例，對應的各次諧波含量清單如下：

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

3.4 ANAPF板載式有源濾波裝置的型號選擇

該產(chǎn)品為并聯(lián)型有源電力濾波器，其命名方式為：

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

4 結束語(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計，后期維護變得更加輕松、便利，而且治理效果也更顯著(zhù)。其不僅能治理諧波，也能補償無(wú)功：地治理諧波，可改善電能質(zhì)量使設備誤動(dòng)作率大大降低，從而提高電氣設備利用率和產(chǎn)品合格率，既保證了電網(wǎng)安全運行，又能降低用戶(hù)的電力損耗；而地補償無(wú)功，使功率因數高達0.98以上，則避免了用戶(hù)因功率因數不足而被罰款，也為用戶(hù)帶來(lái)了可觀(guān)的經(jīng)濟收益。由此可見(jiàn)，選用ANAPF板載式產(chǎn)品，對電網(wǎng)設施和用戶(hù)設備都有極大的益處，可以說(shuō)是實(shí)現了供用電雙方的共贏(yíng)。

【參考資料】

［1］ 安科瑞電能質(zhì)量監測與治理選型手冊。2015.08版

［2］ 安科瑞電氣股份有限公司產(chǎn)品手冊.2013.01.版