技术文章

ANAPF有源滤波装置在0.4KV中小型企业配电系统中的应用

2013-06-27 15:26:05 来源：安科瑞王海芹

1 引言
    随着电力电子技术的不断成熟,，节能灯、计算机、复印机等非线性设备被越来越广泛的应用于住宅和办公建筑中，低压配电系统中谐波污染日趋严重，而供电企业和用户对电能质量的要求却越来越高，谐波问题已经引起了越来越多人的注意。有效的治理谐波，将其控制在允许的范围内，成为电力工作者必须要考虑的问题。
2 低压配电系统中主要的谐波污染源
当正弦波电压施加在非线性负载上，电流就变成了非正弦波，非正弦波电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变为非正弦波。对非正弦波作傅立叶级数分解，其中频率与工频相同的分量称为基波，频率大于工频的分量称为谐波。如今广泛使用的负载大部分是非线性的，如整流器、变频器、电弧炉、焊接设备、UPS、电梯、空调、节能灯（荧光灯）、复印机等等，这些非线性负载会产生大量的谐波电流并注入到电网中，使电网电压产生畸变，这种谐波污染会对电网和用户产生严重的危害。
3 谐波对低压配电系统的危害
    增加输电线损耗，缩短输电线寿命；增加变压器铜耗和铁耗，降低变压器的出力；引起配电装置的误动或拒动，导致停电事故；影响电动机效率和正常运行，产生震动和噪音，缩短电动机寿命；引起谐波放大或谐振问题；使电力系统各种测量仪表产生误差；干扰通讯系统，损坏敏感设备；导致中性线上出现大电流而引发系统故障。
4 低压配电网的谐波治理措施
    低压配电网的谐波治理措施主要有两个：一是主动措施，即从谐波源本身出发，使其不产生谐波或降低其输出的谐波的含量；二是被动措施，即通过安装电力滤波器，滤掉谐波源产生的谐波，或者阻碍电力系统的谐波流入用户电网。主动措施包括多脉冲整流技术、脉宽调制技术（PWM）、矩阵变换器、四象限变流器等。采用主动措施可以有效限制谐波的产生，但由于非线性负载的多样性，通过主动措施完全消除谐波电流是不可能的。被动措施主要有PPF以及近几年来兴起的APF。PPF因其成本低、结构简单和维护方便的原因得到了广泛应用，但其有些缺点是难以克服的，如只能滤除特定频率的谐波、容易和系统发生并联谐振、对于波动性负载滤波效果不理想等。APF具有响应速度快、滤波能力强、安装灵活、方便扩展的特点，近几年来得到了越来越广泛的应用。
5 APF（有源电力滤波器）的原理介绍及特点
    ANAPF系列有源电力滤波装置，以并联方式接入电网，通过实时检测负载的谐波和无功分量，采用PWM变流技术，从变流器中产生一个和当前谐波分量和无功分量对应的反向分量并实时注入电力系统，从而实现谐波治理和无功补偿。
原理如下图：

ANAPF不仅仅具有滤除谐波功能，还可以提供超前或滞后的无功电流，用于改善电网的功率因数和实现动态无功补偿。同时还具有补偿三相不平衡功能，减少中性线流过的电流。
ANAPF应用瞬时无功理论提取谐波分量可以在20μs内响应负荷的变化，全响应时间为20ms，可以用于负荷快速波动的场合。ANAPF可以补偿2～50次谐波。ANAPF具有自动限流功能，不会发生过载。ANAPF保护措施齐全，保障设备安全运行。ANAPF自定义功能强大，可以设置只补偿谐波，只补偿无功，或两者同时补偿。ANAPF采用大容量，高清晰的人机界面彩色触摸屏，能实时显示系统的电压、电流、谐波、功率因数等各项电气参数，菜单中文显示，图文并茂，可实时显示装置运行参数和历史事件记录，显示界面能触摸设定，操作简单快捷。ANAPF设计选型简单，不需要进行详细的电网分析，只需测量谐波电流大小。ANAPF安装简单方便，易于扩展，可以根据负载和配电系统实际情况，以及预期的补偿效果，灵活选择不同的安装方式补偿形式，使得投资少效果好。按照ANAPF安装位置的不同，分为综合补偿和就地补偿两种形式。ANAPF有三相三线和三相四线两大系列，容量有50A、100A、及150A，能满足不同用户的需求。
6 APF（有源电力滤波器）的主要技术指标

接线方式	三相三线或三相四线
接入电压	3×380V ±10%
接入频率	50Hz ±2%
动态补偿响应时间	动态响应＜4ms，全响应时间＜20ms；
开关频率	10kHz
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。
谐波补偿次数	2-21次
保护类型	直流过压　IGBT过流　装置温度保护
过载保护	自动限流在设定值，不发生过载
冷却方式	智能风冷
噪音	＜ 65db(处于柜内并运作于额定状态)
工作环境温度	-10℃～+45℃
工作环境湿度	＜85%RH 不凝结
安装场合	室内安装
海拔高度	≤1000m（更高海拔需降容使用）
进出线方式	下进下出
防护等级	IP21
智能通信接口	RS485/MODBUS-RTU
远程监控	可选
外形尺寸(mm) (W×D×H)	30A	50A	75A	100A
	600×500×1500	600×500×1500	600×500×1800	800×600×2200
重量(kg)	三相四线		三相三线
	30A、50A	75A、100A	30A、50A	75A、100A
	280	360	240	290

7 ANAPF有源滤波器报价及主要元件清单

型号：ANAPF50-400/B
参考价格：7.5万元/台
主要产品明细：
序号	名称	型号	数量
1	APF电气柜	600X500X1800	1
2	变流器	APFCOV-CVT50	1
3	控制器	APFMC-C50	1
4	电抗器	APF-RE.(S)DG-50	1
5	有源电流互感器	LT108-S7	3
6	滤波器	DL-1TH1	2
7	断路器	NSE100N4063	1
8	接触器	LC1D65 M7C	1
9	微型断路器	NDM1-63C32	1
10	中间继电器	MY4NAC	2
11	R型变压器	R320-0.38/0.22	1
12	谐波检测仪	ACR350EGH	1
13	电线	16mm2	若干
14	电线	4mm2	若干

8 ANAPF在低压配电系统中的具体应用
    上海某中小型企业，变压器容量为150kVA，到了冬季当有大量的空调同时打开时，断路器就会跳闸，严重影响了公司的日常运营。经调查该公司有大量节能灯、变频空调、计算机、打印机和电梯等非线性负载，正是这些非线性负载降低了变压器的出力。研究表明谐波电流会引起变压器外壳外层硅钢片或某些紧固件发热，可能导致局部过热的发生，使绝缘介质老化加速，导致绝缘损坏，缩减变压器使用寿命。谐波的存在会使视在功率增加，不考虑谐波的情况下，视在功率S和有功功率P以及无功功率Q的关系为；在有谐波的情况下，必须考虑谐波功率D，其关系为；而D和Q一样，都无法转化为有用功率。由此可见，谐波对变压器的使用效率产生重大的负面影响。经实际勘测分析发现该公司变压器裕量虽不大，但如果把谐波降低到符合国家标准规定的范围内，就可以满足日常的供电需求，没有必要扩容。对公司的用电负荷进行调查分析，发现照明回路负荷较大，并且因为照明回路使用了大量的节能灯，使该回路谐波含量比较高，是降低变压器出力的主要原因。
用FLUKE 434对照明回路进行测量得到电流波形如图1所示。由图可知，电流波形与理想的正弦波相去甚远，畸变较为严重。电流波形的畸变会导致电压波形的畸变进而影响到其他设备如计算机的正常运转。同时N相电流达37A，电流不平衡问题也比较突出，存在较大的用电隐患。
    分次谐波含量数据如图2所示。由图可知，A相、B相、C相的THDi分别为19.7%、27.8%、26.6%，谐波污染非常严重，存在安全隐患。

图1：照明回路电流波形图2：照明回路分次谐波含量数据

根据谐波含量，选用额定容量为50A的ANAPF对照明回路进行单独补偿，治理后得到的电流波形图、分次谐波含量数据分别如图3、图4所示。

图3：治理后照明回路电流波形             图4：治理后照明回路分次谐波含量数据
    从图3、图4可以看出，治理后电流波形接近于完美的正弦波，电流的畸变得到了有效的控制；中性线电流也从37A降低到5A，消除了因中性线电流过大而引起的火灾隐患；电流的谐波含量也从20%左右降到了3%左右，谐波含量大为降低，已符合GB T14549-1993《电能质量公用电网谐波》规定标准。
    ANAPF有效的降低了THDi，同时抑制了三相不平衡，减少了中性线流过的电流，有效的提高了各项电能指标，使各种用电设备能正常稳定运行，延长了设备的使用寿命，减少了因电路故障而产生的损失。
通过本次的数据采集与分析，积累了大量的参考数据，为以后进行谐波治理打下了坚实的基础。

[参考文献]
[1]王兆安，杨君，刘进军. 谐波抑制和无功功率补偿[M]. 北京：机械工业出版社， 1998
[2]中华人民共和国中国国家标准GB/T14549- 1993. 电能质量公用电网谐波[S]. 北京：中国标准出版社，1994.
[3] 罗安. 电网谐波治理和无功补偿技术及设备[M]. 北京：中国电力出版社，2006

   《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，该图集的编制得到了中国建筑学会电气分会副理事长、全国建筑电气情报网副理事长、上海建筑设计研究院电气总工陈众励专家的关心和支持。该图集适用于新建、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。凡需要该图集的设计、使用、生产、安装与施工单位，可向安科瑞电气股份有限公司索取，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acrelwhq@163.com或QQ2880157862至安科瑞王海芹工程师收，安科瑞电气可免费赠送。

留言