谐波抑制与有源滤波装置的应用

【摘要】：本文分析了电力系统谐波产生的原因，总结了抑制谐波的措施；分析了无源滤波装置和有源滤波装置在谐波治理中的应用；分析总结了有源滤波装置的发展方向。

【关键词】：谐波  无源滤波器  有源滤波器  ANAPF

 
【正文】：

1  前言

    在电力系统中，正常的电压和电流波形应当是频率为50Hz的正弦波，但是实际的波形总有不同程度的畸变，这就是谐波所致。随着电力技术的飞速发展，谐波所造成的危害也日趋严重，谐波污染已成为阻碍电力技术发展的重大障碍之一 [ 1 ]。

    电力系统中谐波的产生大致有三种来源：( 1)来源于发电机。发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致，以及其他一些原因，发电机多少也会产生一些谐波，但一般来说很少； (2)来源于输配电系统。输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器含有铁心，铁心具有磁饱和性，铁心饱和后是非线性的，变压器铁心常工作在磁通密度较高的区段，磁化曲线更陡，更易产生谐波。据统计由电力变压器产生的谐波中，其中的3次谐波电流可达额定电流的15%；( 3)来源于各种电气设备。主要包括一些电力电子整流设备，变频装置，电弧炉、电石炉，气体放电类电光源等等。据统计，由整流装置产生的谐波占电力系统所有谐波的近40%，这是*大的谐波源。

    本文根据谐波产生的特点，总结了抑制谐波的措施，分析无源滤波装置和有源滤波装置在谐波治理中的应用。分析了目前有源滤波器的主要研究方向及有源滤波器设计的一种新思路。

2　谐波治理

2.1　谐波治理的标准

    谐波的危害和影响引起了世界各国高度重视，为了保证电网和用电设备的安全、稳定、经济运行，目前许多国家、国际组织以及一些大电力公司都制定了相应的谐波标准。

GB/T14549-1993 《电能质量：公用电网谐波》[ 2 - 3]

GB/T15543-2008 《电能质量：三相电压允许不平衡度》

GB/T12325-2008 《电能质量：供电电压允许偏差》

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：电力系统频率允许偏差》

GB7625.1-1998  《低压电气电子产品发出的谐波电流限值》

GB/T15576-1995 《低压无功功率静态补偿装置总技术条件》

各谐波标准宗旨大同小异，都是基于以下三个目的：

(1)将电力系统电流和电压波形的畸变控制到系统及其所接设备能够允许的水平。

(2)以符合用户需要的电压波形向用户供电。

(3)不干扰其他系统(如通讯系统)的正常工作。

2.2　谐波治理的措施

    针对谐波产生的特点谐波治理的措施主要有以下3种形式：(1)主动治理，即从谐波源出发，使谐波源不产生谐波或降低谐波源产生的谐波； (2)受端治理。即从受到谐波影响的设备或系统出发，提高它们的抗谐波干扰能力； (3)被动治理，即外加滤波装置，阻止谐波源产生的谐波注入电网，或者阻止电力系统的谐波流入负载端。

    目前应用较广的是采用被动治理的措施，外加滤波装置。目前主要方式为无源滤波器和有源滤波器，以阻止谐波源产生的谐波注入电网，或者阻止电力系统的谐波流入负载端。

    虽然无源滤波器具有投资少、效率高、结构简单及维护方便等优点，在现阶段广泛用于配电网中，但由于滤波器特性受系统参数影响大，只能消除特定的几次谐波，而对某些次谐波会产生放大作用，甚至谐振现象等技术缺陷，随着电力电子技术的发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。

相比无源滤波器，有源滤波器具有以下优点：

(1)滤波性能不受系统阻抗的影响。

(2)不会与系统阻抗发生串联或并联谐振，系统结构的变化不会影响治理效果。

(3)原理上比PPF更为优越，用一台装置就能完成各次谐波的治理。

(4)可实现动态治理，能够迅速响应谐波的频率和大小发生的变化。

(5)由于装置本身能完成输出限制，因此即使谐波含量增大也不会过载。

(6)具备多种补偿功能，可以对无功功率和负序进行补偿。

(7)谐波补偿特性不受电网频率变化的影响。

(8)可以对多个谐波源进行集中治理。

安科瑞公司ANAPF系列有源电力滤波装置作为一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，其应用可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点（传统的只能固定补偿），实现了动态跟踪补偿，而且可以既补谐波又补无功，是谐波治理和无功补偿的*佳选择，是确保电网稳定运行的有力保障。

3　ANAPF系列有源电力滤波装置

    作为改善供电质量的一项关键技术，目前有源电力滤波器在日本、美国、德国等发达工业国家已广泛用于国民经济的各个生产部门，并且谐波补偿的次数逐步提高，单机装置的容量也逐步提高，其应用领域正从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统供电质量的方向发展。

3.1　ANAPF有源电力滤波装置的工作原理

    ANAPF系列有源电力滤波装置，以并联的方式接入电网，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。（见图1）

3.2　ANAPF有源电力滤波装置的技术参数

3.3　ANAPF有源电力滤波装置的功能模块

u 控制器模块APFMC-C100

     主要由：DSP（数字信号处理器）、FPGA逻辑器件、AD信号采样电路、DI/DO输入输出控制电PWM波形控制电路、RS485通讯电路等组成，主要用来完成电压、电流等信号的采集和处理、指令电流的计算、开关电路的生成、PWM信号的输出、系统对外通讯与系统保护等功能。控制系统是有源滤波器的核心，它决定了有源电力滤波器系统的主要性能和指标。

 u 变流器模块APFCOV

         其核心是储能电容和IGBT模块。变流器的作用主要是将电网的电压经IGBT功率模块整流后为储能电容充电，使母线电压维持在某个稳定的值，在这个过程中变流器主要工作在整流状态，当主电路产生补偿电流时，变流器又工作在逆变状态。考虑到产品是在电网中长时间运行的，因此直流支撑电容采用薄膜电容，功率模块采用德国原装产品，以确保整机质量。变流器的选择根据补偿电流的大小而有所不同。

u 电抗器模块APF-RE.DG、APF-RE.SDG

APF电抗器起滤波作用，滤除APF发出的电网不需要的谐波。电抗器可分为单相和三相，电流从15A到200A等多种规格。

u 人机操作界面APF-HMI

APF柜在工作时，系统可以监测其网侧电流、APF桥臂电流以及负载侧电流，用户可以通过HMI来对APF的运行模式进行设置，对于运行中出现的问题，可以产生对应的事件记录。HMI就是我司针对电力系统，工矿企业，公用设施,智能大厦的电力监控需求而设计的一种智能仪表，它采用高亮度TFT-LCD彩屏显示界面，通过面板按键来实现参数设置和控制，集成全部电力参数的测量、全面的电能计量和考核管理、多种电力质量参数的分析。

u 配套的电流采样互感器AKH-0.66-K

3.4　技术优势

l DSP+FPGA全数字控制方式，具有极快的响应时间；

l 先进的主电路拓扑和控制算法，精度更高、运行更稳定；

l 一机多能，既可补谐波，又可兼补无功；

l 模块化设计，便于生产调试；

l 便利的并联设计，方便扩容；

l 具有完善的桥臂过流、保护功能；

l 使用方便，易于操作和维护。

3.5　有源滤波器报价及元件清单

4　ANAPF有源电力滤波装置的应用

    有源电力滤波器可广泛应用于工业、商业和机关团体的配电网中，如：电力系统、电解电镀企业、水处理设备、石化企业、大型商场及办公大楼、精密电子企业、机场/港口的供电系统、医疗机构等。根据应用对象不同，ANAPF系列有源电力滤波装置的应用将起到保障供电可靠性、降低干扰、提高产品质量、增长设备寿命减少设备损坏等作用。

4.1　主要应用范围及场合

1）机场：主控室、计算机房、广播系统、EIB灯光调光系统等。

2）医院：ICU（重症监护室）、MRI（磁共振成像）、手术室、医学成像室、放疗科等。

3）剧场、体育馆：解决由于谐波造成的EIB调光设备及其它控制设备的损坏。

4）学校：精密实验室、机房、网络中心等。

5）研究所：精密仪器、机房、高精密设备集中区域等。

6）大型商场：解决由于节能灯大量应用造成的谐波问题。

7）银行：计算机中心、营业部计算机、安防系统等。

8）税务、工商：大型计算机中心等。

9）电信机房：移动基站

10）工厂：生产线的PLC、计算机控制设备、高精度机床、PCS系统、计量/称重系统等。

11）电视台：图像设备、调光设备、计算机等。

4.2　ANAPF有源电力滤波装置应用实例

u 项目背景

         某企业是一家单晶硅制造企业。单晶硅建设项目具有巨大的市场和广阔的发展空间。近年来，各种晶体材料，特别是以单晶硅为代表的高科技附加值材料及其相关高技术产业的发展，成为当代信息技术产业的支柱，并使信息产业成为全球经济发展中增长*快的先导产业。其生产工艺多分熔融加热或直流加热，由于采用半导体可控整流方式，本身工作过程中会产生非常大量的电流谐波，对电网造成谐波污染，这些谐波使得精密仪器精度失准甚至误动作，破坏了系统的无功补偿，造成系统供电损耗的增加及损坏补偿电容器等，对于单晶硅复杂的生长过程以及后期的精密加工流程都造成非常大的影响，因此电网的品质间接决定着单晶硅成品材料的品质，几乎所有的单晶硅制造生产线都面临谐波问题

u 治理方案

         针对电能质量状况，上海安科瑞电气股份有限公司提出了谐波治理的解决方案，并*终确定在3#变压器下进行试点，采用ANAPF有源电力滤波装置，自动跟踪治理负载产生的谐波电流，保证整个系统安全可靠运行。

以下是ANAPF有源滤波器投入前后的现场对比数据：

1）三相电压波形前后对比，见图2、图3。

2）三相电压谐波含量前后对比，见图4、图5。

3）三相电流波形前后对比，见图6、图7。

4）三相电流谐波含量前后对比，见图8、图9。

     从现场测试的有源滤波器投入前后的数据可以看出，有源滤波器投入运行后，电压和电流谐波明显降低，电压谐波由原来的4.7%降到2.4%，电流谐波由原来的18.4%降到5.0%，谐波电流有效值从273A下降到63A，三相电压和三相电流波形均得到明显改善，从根本上消除了谐波的影响，保障了单晶硅生产的质量，该企业决定在后期改建工程中全部采用ANAPF有源滤波器。

5 结束语

      谐波治理是电能质量问题的核心内容之一，也是现代电力生产发展的迫切需要。有源电力滤波器经过二、三十年的发展已成为补偿电力系统谐波及无功功率的重要装置[ 4 – 5 ]。目前在实际应用中，并联型APF是比较成熟的拓扑结构，是优选的方案；串联型APF电路在工作时需流过全部的正常负载电流，损耗比较大，而且投切、故障后退出及各种保护电路也比较复杂；串、并联型APF当前的主要问题是控制复杂，造价高。

从近年来的研究和应用中可以看出，APF具有如下的发展趋势：

(1)通过采用PWM调制和提高开关器件等效开关频率的多重化技术，实现对高次谐波的有效补偿；

(2)采用APF和PF组成的混合型滤波系统，以减少APF的容量，降低成本，提高效率；

(3)随着半导体器件制造水平的迅速发展，混合型滤波系统低成本的优势将逐渐消失，而并联APF由于其功能强大、性价比高，将是很有发展前途的有源滤波装置；

(4)随着电力电子器件耐压水平的提高和对电能质量的日益重视，APF也将在工业系统的高压领域得到广泛应用。

    随着我国电力事业的发展，电能质量的要求将不断提高，利用APF进行电能质量治理有着巨大的市场潜力。特别是在补偿谐波、无功功率，以及中线电流、不平衡电流等方面，有源滤波技术必将拥有更加广阔的应用前景。

参考文献

[ 1 ] 　王兆安,杨军,刘建军. 谐波抑制和无功功率补偿[M ]. 机械工业出版社, 1993.

[ 2 ] 　电能质量公用电网谐波GB /T14549 - 93 [ S]. 1993.

[ 3 ] 　电力工业部,供电营业规则[ S]. 1996.

[ 4 ] 　尹宏程,贺彪. 混合有源电力滤波器分析及应用探讨[J]. 集成电路通讯, 2007, 25(1)：16-19.

[ 5 ] 　胡学芝,皮大能. 有源电力滤波器及其应用技术综述[J]. 船电技术, 2005, (1)：39-42.


 

      《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《ANAPF有源电力滤波装置设计与应用图集》。