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廠礦企業(yè)配電網(wǎng)低壓側(cè)并聯(lián)有源濾波裝置應(yīng)用及優(yōu)勢概述
淮亞利
安科瑞電氣股份有限公司 嘉定 201801
摘要：本文介紹了并聯(lián)有源濾波裝置的工作原理和在廠礦企業(yè)配電網(wǎng)中應(yīng)用，就諧波治理中的無源及有源濾波技術(shù)進(jìn)行了對比，結(jié)合實(shí)踐證明并聯(lián)有源濾波裝置是治理諧波污染的有效設(shè)備，今后將具有廣闊的運(yùn)用前景。
關(guān)鍵詞：諧波 有源濾波裝置 混合補(bǔ)償
引言：近年來，許多廠礦企業(yè)大量使用可控硅整流和換流設(shè)備、電弧爐、中頻爐等諧波干擾源負(fù)荷設(shè)備，這些設(shè)備在吸收大量無功功率、降低用戶的功率因數(shù)的同時，也使諧波問題日趨嚴(yán)重。根據(jù)電力工業(yè)電能質(zhì)量方面的標(biāo)準(zhǔn)及管理規(guī)定，各地供電部門出臺了相應(yīng)的諧波限制準(zhǔn)則及措施，并對諧波污染嚴(yán)重的企事業(yè)單位進(jìn)行考核和治理。因此，濾除諧波、提高功率因數(shù)、延長設(shè)備壽命是這類企業(yè)節(jié)能降耗、提高生產(chǎn)效益和產(chǎn)品質(zhì)量的當(dāng)務(wù)之急。
傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補(bǔ)償方法是采用由電感和電容構(gòu)成的無源濾波裝置，該裝置與需補(bǔ)償?shù)姆蔷€性負(fù)載并聯(lián)，在為諧波提供低阻通路的同時，也為負(fù)載提供了所需的無功功率。雖然無源濾波裝置具有簡單、方便的優(yōu)點(diǎn)，但它也存在許多缺點(diǎn)。
有源電力濾波（active power filter，APF）裝置不僅可減小占地面積，而且可有效解決無源濾波裝置存在的問題。有源濾波與無源濾波存在著本質(zhì)區(qū)別，它是根據(jù)動態(tài)補(bǔ)償諧波的原理，應(yīng)用現(xiàn)代電力電子器件和計(jì)算機(jī)技術(shù)，快速跟蹤諧波產(chǎn)生的諧波大小和特性，由裝置發(fā)出相應(yīng)頻率的反向電流，從而達(dá)到同時濾除多種成分諧波的目的。它一般由電子電力變流器構(gòu)成，具有半導(dǎo)體功率變流器的高可控性和快速響應(yīng)性。
1 ANAPF低壓有源濾波器在工廠中的應(yīng)用案例
1.1項(xiàng)目簡介
秦皇島某電子有限公司配電系統(tǒng)中接有5套整流變壓器，主要給10個熔化中頻電爐供電。該類設(shè)備采用12脈波晶閘管整流方式，在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生嚴(yán)重的非正弦畸變和大量高次諧波，對自身配電系統(tǒng)和公共電網(wǎng)造成嚴(yán)重干擾。同時，由于該非線性負(fù)載為感性的，使自身配電系統(tǒng)的功率因數(shù)惡化，10kV進(jìn)線側(cè)11次和13次諧波電流超出國家標(biāo)準(zhǔn)要求，進(jìn)而大大影響了配電系統(tǒng)和公共電網(wǎng)的電能質(zhì)量。如果不進(jìn)行諧波治理，不僅對該公司自身配電系統(tǒng)造成危害，而且會危及公共電網(wǎng)安全。
1.2 ANAPF濾波裝置原理
ANAPF系列有源電力濾波裝置，以并聯(lián)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。
原理如下圖：
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1.3方案設(shè)計(jì)
10kV高壓系統(tǒng)分4段和5段母線，每段母線的有源電力濾波器容量為450A，使用型號為ANAPF100-400/B的濾波器3臺并聯(lián)，通過0.4kV/10kV的諧波變壓器將諧波送至10kV側(cè)與負(fù)載諧波疊加，達(dá)到與電網(wǎng)諧波抵消的作用。
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濾波器投運(yùn)后系統(tǒng)圖
1.4治理前后諧波電流頻譜對比圖：
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1.5治理效果
在10kV母線4段和5段使用兩套有源電力濾波器裝置進(jìn)行治理后，系統(tǒng)諧波得到了很好的抑制，*將11次、13次諧波限制在國家標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)，提升的供電可靠性，消除了系統(tǒng)諧波對電網(wǎng)系統(tǒng)影響的隱患，收到了良好效果，達(dá)到改善電網(wǎng)電能質(zhì)量的目的。
2 ANAPF有源濾波器簡介
2.1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 | |
說明： 1、可以通過實(shí)測數(shù)據(jù)確定補(bǔ)償電流，或通過電力系統(tǒng)詳細(xì)信息（單線圖、變壓器、負(fù)荷情況等）計(jì)算出補(bǔ)償電流； 2、三線系統(tǒng)需配置2個或3個CT（用于A相和C相），四線系統(tǒng)需要配置3個CT（用于A相、B相和C相）。 | ||||
2.2 ANAPF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 |
3并聯(lián)型ANAPF應(yīng)用優(yōu)勢
1）濾除諧波
ANAPF濾波范圍廣、濾波效率高，濾除率可達(dá)92%以上：無源濾波設(shè)備是利用補(bǔ)償容量，針對固定次諧波設(shè)置LC濾波支路，而對它次諧波濾除效果較差；針對該系統(tǒng)工況諧波成分非常復(fù)雜，而系統(tǒng)功率因數(shù)已較高。基波補(bǔ)償容量太小，根本無法設(shè)置特定的LC濾波支路來保證各次濾除率達(dá)到要求。尤其是系統(tǒng)2次諧波含量較大，而根據(jù)LC濾波支路的原理，2次諧波阻抗和基波幾乎相同，濾除率極低。
2）防止諧波放大，抑制諧振功能
ANAPF無儲能原件，不受系統(tǒng)參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)發(fā)生變化是的影響，不會與系統(tǒng)發(fā)生諧振；無源濾波設(shè)備，設(shè)置高次濾波支路將會對低次諧波放大，而系統(tǒng)2~13次諧波含量均較大，設(shè)置的濾波支路極易對其他次諧波造成放大；無法適用系統(tǒng)參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)不一致或發(fā)生的變化，存在與系統(tǒng)發(fā)生諧振的風(fēng)險。
3）其他
ANAPF響應(yīng)時間小于10ms，延遲時間小于100us；無功補(bǔ)償可編程，即可補(bǔ)容性無功，也可補(bǔ)感性無功；帶載能力強(qiáng)，自動限流，不會發(fā)生過載，使用壽命高；體積小，易于安裝； 無源濾波設(shè)備動態(tài)響應(yīng)慢；只能補(bǔ)容性無功；限于LC器件特性，長時間運(yùn)行后，LC參數(shù)可能會發(fā)生變化；體積大，調(diào)試較復(fù)雜。
4結(jié)論
1）本文設(shè)計(jì)的模塊化并聯(lián)型有源濾波裝置是可用于低壓配電系統(tǒng)的新型濾波補(bǔ)償裝置。該裝置自身可同時補(bǔ)償系統(tǒng)的高次諧波和基波無功功率，具有高度的自適應(yīng)性，且濾波精度高、補(bǔ)償效果好。
2）該裝置自身各項(xiàng)保護(hù)功能完善，可抑制因系統(tǒng)參數(shù)改變而產(chǎn)生的并聯(lián)或串聯(lián)諧振，還可防止無功過補(bǔ)償?shù)取?/P>
3）在企業(yè)原有的電容器無功補(bǔ)償裝置基礎(chǔ)上進(jìn)行了改造，設(shè)計(jì)的由電容和有源濾波裝置構(gòu)成的濾波與無功功率混合補(bǔ)償系統(tǒng)，節(jié)約了用戶投資成本，縮短了工期，為低壓配電網(wǎng)的諧波治理工程提供了的補(bǔ)償裝置，具有良好的應(yīng)用價值和應(yīng)用前景。
4）有源濾波裝置模塊單體容量的擴(kuò)大及其電壓等級的進(jìn)一步提高可作為今后研究的方向。
【參考文獻(xiàn)】
- GB/T 14549-1993 《電能質(zhì)量：公用電網(wǎng)諧波》
- 羅世國.無源電力濾波器的補(bǔ)償特性及其存在的問題分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2004,28（22）：40-43
- 上海安科瑞電氣股份有限公司產(chǎn)品手冊.2013.01.版
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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