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技術(shù)文章

諧波抑制與有源濾波裝置的應(yīng)用

技術(shù)文章

淮亞利

安科瑞電氣股份有限公司   嘉定   201801

【摘要】:本文分析了電力系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的原因,總結(jié)了抑制諧波的措施;分析了無源濾波裝置和有源濾波裝置在諧波治理中的應(yīng)用;分析總結(jié)了有源濾波裝置的發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】:諧波  無源濾波器  有源濾波器  ANAPF


【正文】:

1  前言

在電力系統(tǒng)中,正常的電壓和電流波形應(yīng)當(dāng)是頻率為50Hz的正弦波,但是實(shí)際的波形總有不同程度的畸變,這就是諧波所致。隨著電力技術(shù)的飛速發(fā)展,諧波所造成的危害也日趨嚴(yán)重,諧波污染已成為阻礙電力技術(shù)發(fā)展的重大障礙之一 [ 1 ]。

電力系統(tǒng)中諧波的產(chǎn)生大致有三種來源:( 1)來源于發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)由于三相繞組在制作上很難做到對稱,鐵心也很難做到均勻一致,以及其他一些原因,發(fā)電機(jī)多少也會產(chǎn)生一些諧波,但一般來說很少; (2)來源于輸配電系統(tǒng)。輸配電系統(tǒng)中主要是電力變壓器產(chǎn)生諧波,由于變壓器含有鐵心,鐵心具有磁飽和性,鐵心飽和后是非線性的,變壓器鐵心常工作在磁通密度較高的區(qū)段,磁化曲線更陡,更易產(chǎn)生諧波。據(jù)統(tǒng)計(jì)由電力變壓器產(chǎn)生的諧波中,其中的3次諧波電流可達(dá)額定電流的15%;( 3)來源于各種電氣設(shè)備。主要包括一些電力電子整流設(shè)備,變頻裝置,電弧爐、電石爐,氣體放電類電光源等等。據(jù)統(tǒng)計(jì),由整流裝置產(chǎn)生的諧波占電力系統(tǒng)所有諧波的近40%,這是zui大的諧波源。

本文根據(jù)諧波產(chǎn)生的特點(diǎn),總結(jié)了抑制諧波的措施,分析無源濾波裝置和有源濾波裝置在諧波治理中的應(yīng)用。分析了目前有源濾波器的主要研究方向及有源濾波器設(shè)計(jì)的一種新思路。

2 諧波治理

2.1 諧波治理的標(biāo)準(zhǔn)

諧波的危害和影響引起了世界各國高度重視,為了保證電網(wǎng)和用電設(shè)備的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,目前許多國家、組織以及一些大電力公司都制定了相應(yīng)的諧波標(biāo)準(zhǔn)。

GB/T14549-1993 《電能質(zhì)量:公用電網(wǎng)諧波》[ 2 - 3]

GB/T15543-2008 《電能質(zhì)量:三相電壓允許不平衡度》

GB/T12325-2008 《電能質(zhì)量:供電電壓允許偏差》

GB/T12326-2008 《電能質(zhì)量:電壓波動和閃變》

GB/T18481-2001 《電能質(zhì)量:暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓》

GB/T15945-2008 《電能質(zhì)量:電力系統(tǒng)頻率允許偏差》

GB7625.1-1998  《低壓電氣電子產(chǎn)品發(fā)出的諧波電流限值》

GB/T15576-1995 《低壓無功功率靜態(tài)補(bǔ)償裝置總技術(shù)條件》

各諧波標(biāo)準(zhǔn)宗旨大同小異,都是基于以下三個目的:

(1)將電力系統(tǒng)電流和電壓波形的畸變控制到系統(tǒng)及其所接設(shè)備能夠允許的水平。

(2)以符合用戶需要的電壓波形向用戶供電。

(3)不干擾其他系統(tǒng)(如通訊系統(tǒng))的正常工作。

2.2 諧波治理的措施

針對諧波產(chǎn)生的特點(diǎn)諧波治理的措施主要有以下3種形式:(1)主動治理,即從諧波源出發(fā),使諧波源不產(chǎn)生諧波或降低諧波源產(chǎn)生的諧波; (2)受端治理。即從受到諧波影響的設(shè)備或系統(tǒng)出發(fā),提高它們的抗諧波干擾能力; (3)被動治理,即外加濾波裝置,阻止諧波源產(chǎn)生的諧波注入電網(wǎng),或者阻止電力系統(tǒng)的諧波流入負(fù)載端。

目前應(yīng)用較廣的是采用被動治理的措施,外加濾波裝置。目前主要方式為無源濾波器和有源濾波器,以阻止諧波源產(chǎn)生的諧波注入電網(wǎng),或者阻止電力系統(tǒng)的諧波流入負(fù)載端。

雖然無源濾波器具有投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡單及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn),在現(xiàn)階段廣泛用于配電網(wǎng)中,但由于濾波器特性受系統(tǒng)參數(shù)影響大,只能消除特定的幾次諧波,而對某些次諧波會產(chǎn)生放大作用,甚至諧振現(xiàn)象等技術(shù)缺陷,隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,人們將濾波研究方向逐步轉(zhuǎn)向有源濾波器。

相比無源濾波器,有源濾波器具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)濾波性能不受系統(tǒng)阻抗的影響。

(2)不會與系統(tǒng)阻抗發(fā)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化不會影響治理效果。

(3)原理上比PPF更為*,用一臺裝置就能完成各次諧波的治理。

(4)可實(shí)現(xiàn)動態(tài)治理,能夠迅速響應(yīng)諧波的頻率和大小發(fā)生的變化。

(5)由于裝置本身能完成輸出限制,因此即使諧波含量增大也不會過載。

(6)具備多種補(bǔ)償功能,可以對無功功率和負(fù)序進(jìn)行補(bǔ)償。

(7)諧波補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)頻率變化的影響。

(8)可以對多個諧波源進(jìn)行集中治理。

安科瑞公司ANAPF系列有源電力濾波裝置作為一種用于動態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置,它能夠?qū)Υ笮『皖l率都變化的諧波以及變化的無功進(jìn)行補(bǔ)償,其應(yīng)用可克服LC濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)(傳統(tǒng)的只能固定補(bǔ)償),實(shí)現(xiàn)了動態(tài)跟蹤補(bǔ)償,而且可以既補(bǔ)諧波又補(bǔ)無功,是諧波治理和無功補(bǔ)償?shù)?選擇,是確保電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的有力保障。

 

3 ANAPF系列有源電力濾波裝置

作為改善供電質(zhì)量的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),目前有源電力濾波器在日本、美國、德國等發(fā)達(dá)工業(yè)國家已廣泛用于國民經(jīng)濟(jì)的各個生產(chǎn)部門,并且諧波補(bǔ)償?shù)拇螖?shù)逐步提高,單機(jī)裝置的容量也逐步提高,其應(yīng)用領(lǐng)域正從補(bǔ)償用戶自身的諧波向改善整個電力系統(tǒng)供電質(zhì)量的方向發(fā)展。

 

3.1 ANAPF有源電力濾波裝置的工作原理

ANAPF系列有源電力濾波裝置,以并聯(lián)的方式接入電網(wǎng),通過實(shí)時檢測負(fù)載的諧波和無功分量,采用PWM變流技術(shù),從變流器中產(chǎn)生一個和當(dāng)前諧波分量和無功分量對應(yīng)的反向分量并實(shí)時注入電力系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)諧波治理和無功補(bǔ)償。(見圖1)

 

 

圖1  ANAPF有源電力濾波裝置的工作原理圖

3.2 ANAPF有源電力濾波裝置的技術(shù)參數(shù)

接線方式

三相三線或三相四線

接入電壓

3×380V ±10%

接入頻率

50Hz ±2%

動態(tài)補(bǔ)償響應(yīng)時間

動態(tài)響應(yīng)<4ms,全響應(yīng)時間<20ms;

開關(guān)頻率

10kHz

功能設(shè)置

只補(bǔ)償諧波、只補(bǔ)償無功、既補(bǔ)償諧波又補(bǔ)償無功;手動、自動切換。

諧波補(bǔ)償次數(shù)

2-21次

保護(hù)類型

直流過壓 IGBT過流 裝置溫度保護(hù)

過載保護(hù)

自動限流在設(shè)定值,不發(fā)生過載

冷卻方式

智能風(fēng)冷

噪音

< 65db(處于柜內(nèi)并運(yùn)作于額定狀態(tài))

工作環(huán)境溫度

-10℃~+45℃

工作環(huán)境濕度

<85%RH 不凝結(jié)

安裝場合

室內(nèi)安裝

海拔高度

≤1000m(更高海拔需降容使用)

進(jìn)出線方式

下進(jìn)下出

防護(hù)等級

IP21

智能通信接口

RS485/MODBUS-RTU

遠(yuǎn)程監(jiān)控

可選

外形尺寸(mm)

(W×D×H)

30A

50A

7

100A

600×500×1500

600×500×1500

600×500×1800

800×600×2200

重量(kg)

三相四線

三相三線

30A、50A

7、100A

30A、50A

7、100A

280

360

240

290

 

3.3 ANAPF有源電力濾波裝置的功能模塊

  1. 控制器模塊APFMC-C100

主要由:DSP(數(shù)字信號處理器)、FPGA邏輯器件、AD信號采樣電路、DI/DO輸入輸出控制電路、PWM波形控制電路、RS485通訊電路等組成,主要用來完成電壓、電流等信號的采集和處理、指令電流的計(jì)算、開關(guān)電路的生成、PWM信號的輸出、系統(tǒng)對外通訊與系統(tǒng)保護(hù)等功能??刂葡到y(tǒng)是有源濾波器的核心,它決定了有源電力濾波器系統(tǒng)的主要性能和指標(biāo)。

  1. 變流器模塊APFCOV

其核心是儲能電容和IGBT模塊。變流器的作用主要是將電網(wǎng)的電壓經(jīng)IGBT功率模塊整流后為儲能電容充電,使母線電壓維持在某個穩(wěn)定的值,在這個過程中變流器主要工作在整流狀態(tài),當(dāng)主電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流時,變流器又工作在逆變狀態(tài)??紤]到產(chǎn)品是在電網(wǎng)中長時間運(yùn)行的,因此直流支撐電容采用薄膜電容,功率模塊采用德國原裝產(chǎn)品,以確保整機(jī)質(zhì)量。變流器的選擇根據(jù)補(bǔ)償電流的大小而有所不同。

  1. 電抗器模塊APF-RE.DG、APF-RE.SDG

APF電抗器起濾波作用,濾除APF發(fā)出的電網(wǎng)不需要的諧波。電抗器可分為單相和三相,電流從1到200A等多種規(guī)格。

  1. 人機(jī)操作界面APF-HMI

APF柜在工作時,系統(tǒng)可以監(jiān)測其網(wǎng)側(cè)電流、APF橋臂電流以及負(fù)載側(cè)電流,用戶可以通過HMI來對APF的運(yùn)行模式進(jìn)行設(shè)置,對于運(yùn)行中出現(xiàn)的問題,可以產(chǎn)生對應(yīng)的事件記錄。HMI就是我司針對電力系統(tǒng),工礦企業(yè),公用設(shè)施,智能大廈的電力監(jiān)控需求而設(shè)計(jì)的一種智能儀表,它采用高亮度TFT-LCD彩屏顯示界面,通過面板按鍵來實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和控制,集成全部電力參數(shù)的測量、全面的電能計(jì)量和考核管理、多種電力質(zhì)量參數(shù)的分析。

  1. 配套的電流采樣互感器AKH-0.66-K

 

3.4 技術(shù)優(yōu)勢

  • DSP+FPGA全數(shù)字控制方式,具有極快的響應(yīng)時間;
  • 先進(jìn)的主電路拓?fù)浜涂刂扑惴?,精度更高、運(yùn)行更穩(wěn)定;
  • 一機(jī)多能,既可補(bǔ)諧波,又可兼補(bǔ)無功;
  • 模塊化設(shè)計(jì),便于生產(chǎn)調(diào)試;
  • 便利的并聯(lián)設(shè)計(jì),方便擴(kuò)容;
  • 具有完善的橋臂過流、保護(hù)功能;
  • 使用方便,易于操作和維護(hù)。

 

3.5 有源濾波器報(bào)價及元件清單

型號:ANAPF100-400/B

參考價格:12萬元/臺

主要產(chǎn)品明細(xì):

序號

名    稱

型    號

數(shù)量

1

APF電氣柜

800X600X2200

1

2

變流器

APFCOV-CVT100

1

3

控制器

APFMC-C100

1

4

電抗器

APF-RE.(S)DG-100

1

5

有源電流互感器

LT208-S7

3

6

濾波器

DL-1TH1

2

7

斷路器

CVS160FTM160D4P3D

1

8

接觸器

LC1D150M7C

1

9

微型斷路器

NDM1-63C32

1

10

中間繼電器

MY4NAC

2

11

R型變壓器

R320-0.38/0.22

1

12

諧波檢測儀

ACR350EGH

1

13

電線

16mm2

若干

14

電線

4mm2

若干

 

4 ANAPF有源電力濾波裝置的應(yīng)用

有源電力濾波器可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)和團(tuán)體的配電網(wǎng)中,如:電力系統(tǒng)、電解電鍍企業(yè)、水處理設(shè)備、石化企業(yè)、大型商場及辦公大樓、精密電子企業(yè)、機(jī)場/港口的、醫(yī)療機(jī)構(gòu)等。根據(jù)應(yīng)用對象不同,ANAPF系列有源電力濾波裝置的應(yīng)用將起到保障供電可靠性、降低干擾、提高產(chǎn)品質(zhì)量、增長設(shè)備壽命減少設(shè)備損壞等作用。

4.1 主要應(yīng)用范圍及場合

1)機(jī)場:主控室、計(jì)算機(jī)房、廣播系統(tǒng)、EIB燈光調(diào)光系統(tǒng)等。

2)醫(yī)院:ICU(重癥監(jiān)護(hù)室)、MRI(磁共振成像)、手術(shù)室、醫(yī)學(xué)成像室、放療科等。

3)劇場、體育館:解決由于諧波造成的EIB調(diào)光設(shè)備及其它控制設(shè)備的損壞。

4)學(xué)校:精密實(shí)驗(yàn)室、機(jī)房、網(wǎng)絡(luò)中心等。

5)研究所:精密儀器、機(jī)房、高精密設(shè)備集中區(qū)域等。

6)大型商場:解決由于節(jié)能燈大量應(yīng)用造成的諧波問題。

7)銀行:計(jì)算機(jī)中心、營業(yè)部計(jì)算機(jī)、安防系統(tǒng)等。

8)稅務(wù)、工商:大型計(jì)算機(jī)中心等。

9)電信機(jī)房:移動基站

10)工廠:生產(chǎn)線的PLC、計(jì)算機(jī)控制設(shè)備、高精度機(jī)床、PCS系統(tǒng)、計(jì)量/稱重系統(tǒng)等。

11)電視臺:圖像設(shè)備、調(diào)光設(shè)備、計(jì)算機(jī)等。

 

4.2 ANAPF有源電力濾波裝置應(yīng)用實(shí)例

  1. 項(xiàng)目背景

某企業(yè)是一家單晶硅制造企業(yè)。單晶硅建設(shè)項(xiàng)目具有巨大的市場和廣闊的發(fā)展空間。近年來,各種晶體材料,特別是以單晶硅為代表的高科技附加值材料及其相關(guān)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,成為當(dāng)代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的支柱,并使信息產(chǎn)業(yè)成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展中增長zui快的先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。其生產(chǎn)工藝多分熔融加熱或直流加熱,由于采用半導(dǎo)體可控整流方式,本身工作過程中會產(chǎn)生非常大量的電流諧波,對電網(wǎng)造成諧波污染,這些諧波使得精密儀器精度失準(zhǔn)甚至誤動作,破壞了系統(tǒng)的無功補(bǔ)償,造成系統(tǒng)供電損耗的增加及損壞補(bǔ)償電容器等,對于單晶硅復(fù)雜的生長過程以及后期的精密加工流程都造成非常大的影響,因此電網(wǎng)的品質(zhì)間接決定著單晶硅成品材料的品質(zhì),幾乎所有的單晶硅制造生產(chǎn)線都面臨諧波問題

  1. 治理方案

針對電能質(zhì)量狀況,上海安科瑞電氣股份有限公司提出了諧波治理的解決方案,并zui終確定在3#變壓器下進(jìn)行試點(diǎn),采用ANAPF有源電力濾波裝置,自動跟蹤治理負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流,保證整個系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

以下是ANAPF有源濾波器投入前后的現(xiàn)場對比數(shù)據(jù):

  1. 三相電壓波形前后對比,見圖2、圖3。
  2. 三相電壓諧波含量前后對比,見圖4、圖5。
  3. 三相電流波形前后對比,見圖6、圖7。
  4. 三相電流諧波含量前后對比,見圖8、圖9。

從現(xiàn)場測試的有源濾波器投入前后的數(shù)據(jù)可以看出,有源濾波器投入運(yùn)行后,電壓和電流諧波明顯降低,電壓諧波由原來的4.7%降到2.4%,電流諧波由原來的18.4%降到5.0%,諧波電流有效值從273A下降到63A,三相電壓和三相電流波形均得到明顯改善,從根本上消除了諧波的影響,保障了單晶硅生產(chǎn)的質(zhì)量,該企業(yè)決定在后期改建工程中全部采用ANAPF有源濾波器。

 

5 結(jié)束語

諧波治理是電能質(zhì)量問題的核心內(nèi)容之一,也是現(xiàn)代電力生產(chǎn)發(fā)展的迫切需要。有源電力濾波器經(jīng)過二、三十年的發(fā)展已成為補(bǔ)償電力系統(tǒng)諧波及無功功率的重要裝置[ 4 – 5 ]。目前在實(shí)際應(yīng)用中,并聯(lián)型APF是比較成熟的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),是優(yōu)選的方案;串聯(lián)型APF電路在工作時需流過全部的正常負(fù)載電流,損耗比較大,而且投切、故障后退出及各種保護(hù)電路也比較復(fù)雜;串、并聯(lián)型APF當(dāng)前的主要問題是控制復(fù)雜,造價高。

從近年來的研究和應(yīng)用中可以看出,APF具有如下的發(fā)展趨勢:

(1)通過采用PWM調(diào)制和提高開關(guān)器件等效開關(guān)頻率的多重化技術(shù),實(shí)現(xiàn)對高次諧波的有效補(bǔ)償;

(2)采用APF和PF組成的混合型濾波系統(tǒng),以減少APF的容量,降低成本,提率;

(3)隨著半導(dǎo)體器件制造水平的迅速發(fā)展,混合型濾波系統(tǒng)低成本的優(yōu)勢將逐漸消失,而并聯(lián)APF由于其功能強(qiáng)大、性價比高,將是很有發(fā)展前途的有源濾波裝置;

(4)隨著電力電子器件耐壓水平的提高和對電能質(zhì)量的日益重視,APF也將在工業(yè)系統(tǒng)的高壓領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

隨著我國電力事業(yè)的發(fā)展,電能質(zhì)量的要求將不斷提高,利用APF進(jìn)行電能質(zhì)量治理有著巨大的市場潛力。特別是在補(bǔ)償諧波、無功功率,以及中線電流、不平衡電流等方面,有源濾波技術(shù)必將擁有更加廣闊的應(yīng)用前景。

 

參考文獻(xiàn)

[ 1 ]  王兆安,楊軍,劉建軍. 諧波抑制和無功功率補(bǔ)償[M ]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 1993.

[ 2 ]  電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波GB /T14549 - 93 [ S]. 1993.

[ 3 ]  電力工業(yè)部,供電營業(yè)規(guī)則[ S]. 1996.

[ 4 ]  尹宏程,賀彪. 混合有源電力濾波器分析及應(yīng)用探討[J]. 集成電路通訊, 2007, 25(1):16-19.

[ 5 ]  胡學(xué)芝,皮大能. 有源電力濾波器及其應(yīng)用技術(shù)綜述[J]. 船電技術(shù), 2005, (1):39-42.

http://www.xiebozhili.com/

 

作者簡介:

淮亞利,女,本科,安科瑞電氣股份有限公司,主要研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)供配電

《ANAPF有源電力濾波裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用圖集》(圖集號:ACR13CDX701)由安科瑞電氣股份有限公司主編,本圖集結(jié)合ANAPF有源電力濾波裝置產(chǎn)品的特點(diǎn),依據(jù)電氣設(shè)計(jì)規(guī)范,研究消除供配電系統(tǒng)中的高次諧波問題,達(dá)到改善供電質(zhì)量和確保電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的目的。圖集適用于新建、改建、擴(kuò)建和技改項(xiàng)目中工業(yè)與民用及公共建筑內(nèi)電氣設(shè)備的諧波抑制及綜合治理的設(shè)計(jì)與改造。

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