ANAPF有源濾波裝置在0.4KV中小型企業(yè)配電系統(tǒng)中的應用

淮亞利

  安科瑞電氣股份有限公司   嘉定   201801

1 引言

     隨著電力電子技術的不斷成熟,，節(jié)能燈、計算機、復印機等非線性設備被越來越廣泛的應用于住宅和辦公建筑中，低壓配電系統(tǒng)中諧波污染日趨嚴重，而供電企業(yè)和用戶對電能質(zhì)量的要求卻越來越高，諧波問題已經(jīng)引起了越來越多人的注意。有效的治理諧波，將其控制在允許的范圍內(nèi)，成為電力工作者必須要考慮的問題。

2 低壓配電系統(tǒng)中主要的諧波污染源

     當正弦波電壓施加在非線性負載上，電流就變成了非正弦波，非正弦波電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降，會使電壓波形也變?yōu)榉钦也āΨ钦也ㄗ鞲盗⑷~級數(shù)分解，其中頻率與工頻相同的分量稱為基波，頻率大于工頻的分量稱為諧波。如今廣泛使用的負載大部分是非線性的，如整流器、變頻器、電弧爐、焊接設備、UPS、電梯、空調(diào)、節(jié)能燈（熒光燈）、復印機等等，這些非線性負載會產(chǎn)生大量的諧波電流并注入到電網(wǎng)中，使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生畸變，這種諧波污染會對電網(wǎng)和用戶產(chǎn)生嚴重的危害。

3 諧波對低壓配電系統(tǒng)的危害

     增加輸電線損耗，縮短輸電線壽命；增加變壓器銅耗和鐵耗，降低變壓器的出力；引起配電裝置的誤動或拒動，導致停電事故；影響電動機效率和正常運行，產(chǎn)生震動和噪音，縮短電動機壽命；引起諧波放大或諧振問題；使電力系統(tǒng)各種測量儀表產(chǎn)生誤差；干擾通訊系統(tǒng)，損壞敏感設備；導致中性線上出現(xiàn)大電流而引發(fā)系統(tǒng)故障。

4 低壓配電網(wǎng)的諧波治理措施

     低壓配電網(wǎng)的諧波治理措施主要有兩個：一是主動措施，即從諧波源本身出發(fā)，使其不產(chǎn)生諧波或降低其輸出的諧波的含量；二是被動措施，即通過安裝電力濾波器，濾掉諧波源產(chǎn)生的諧波，或者阻礙電力系統(tǒng)的諧波流入用戶電網(wǎng)。主動措施包括多脈沖整流技術、脈寬調(diào)制技術（PWM）、矩陣變換器、四象限變流器等。采用主動措施可以有效限制諧波的產(chǎn)生，但由于非線性負載的多樣性，通過主動措施*消除諧波電流是不可能的。被動措施主要有PPF以及近幾年來興起的APF。PPF因其成本低、結構簡單和維護方便的原因得到了廣泛應用，但其有些缺點是難以克服的，如只能濾除特定頻率的諧波、容易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振、對于波動性負載濾波效果不理想等。APF具有響應速度快、濾波能力強、安裝靈活、方便擴展的特點，近幾年來得到了越來越廣泛的應用。

5 APF（有源電力濾波器）的原理介紹及特點

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

原理如下圖：

     ANAPF不僅僅具有濾除諧波功能，還可以提供超前或滯后的無功電流，用于改善電網(wǎng)的功率因數(shù)和實現(xiàn)動態(tài)無功補償。同時還具有補償三相不平衡功能，減少中性線流過的電流。

     ANAPF應用瞬時無功理論提取諧波分量可以在20μs內(nèi)響應負荷的變化，全響應時間為20ms，可以用于負荷快速波動的場合。ANAPF可以補償2～50次諧波。ANAPF具有自動限流功能，不會發(fā)生過載。ANAPF保護措施齊全，保障設備安全運行。ANAPF自定義功能強大，可以設置只補償諧波，只補償無功，或兩者同時補償。ANAPF采用大容量，高清晰的人機界面彩色觸摸屏，能實時顯示系統(tǒng)的電壓、電流、諧波、功率因數(shù)等各項電氣參數(shù)，菜單中文顯示，圖文并茂，可實時顯示裝置運行參數(shù)和歷史事件記錄，顯示界面能觸摸設定，操作簡單快捷。ANAPF設計選型簡單，不需要進行詳細的電網(wǎng)分析，只需測量諧波電流大小。ANAPF安裝簡單方便，易于擴展，可以根據(jù)負載和配電系統(tǒng)實際情況，以及預期的補償效果，靈活選擇不同的安裝方式補償形式，使得投資少效果好。按照ANAPF安裝位置的不同，分為綜合補償和就地補償兩種形式。ANAPF有三相三線和三相四線兩大系列，容量有50A、100A、及150A，能滿足不同用戶的需求。

6 APF（有源電力濾波器）的主要技術指標

7 ANAPF有源濾波器報價及主要元件清單

8 ANAPF在低壓配電系統(tǒng)中的具體應用

     上海某中小型企業(yè)，變壓器容量為150kVA，到了冬季當有大量的空調(diào)同時打開時，斷路器就會跳閘，嚴重影響了公司的日常運營。經(jīng)調(diào)查該公司有大量節(jié)能燈、變頻空調(diào)、計算機、打印機和電梯等非線性負載，正是這些非線性負載降低了變壓器的出力。研究表明諧波電流會引起變壓器外殼外層硅鋼片或某些緊固件發(fā)熱，可能導致局部過熱的發(fā)生，使絕緣介質(zhì)老化加速，導致絕緣損壞，縮減變壓器使用壽命。諧波的存在會使視在功率增加，不考慮諧波的情況下，視在功率S和有功功率P以及無功功率Q的關系為   ；在有諧波的情況下，必須考慮諧波功率D，其關系為 ；而D和Q一樣，都無法轉(zhuǎn)化為有用功率。由此可見，諧波對變壓器的使用效率產(chǎn)生重大的負面影響。經(jīng)實際勘測分析發(fā)現(xiàn)該公司變壓器裕量雖不大，但如果把諧波降低到符合國家標準規(guī)定的范圍內(nèi)，就可以滿足日常的供電需求，沒有必要擴容。對公司的用電負荷進行調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)照明回路負荷較大，并且因為照明回路使用了大量的節(jié)能燈，使該回路諧波含量比較高，是降低變壓器出力的主要原因。

     用FLUKE 434對照明回路進行測量得到電流波形如圖1所示。由圖可知，電流波形與理想的正弦波相去甚遠，畸變較為嚴重。電流波形的畸變會導致電壓波形的畸變進而影響到其他設備如計算機的正常運轉(zhuǎn)。同時N相電流達37A，電流不平衡問題也比較突出，存在較大的用電隱患。

    分次諧波含量數(shù)據(jù)如圖2所示。由圖可知，A相、B相、C相的THDi分別為19.7%、27.8%、26.6%，諧波污染非常嚴重，存在安全隱患。

圖1：照明回路電流波形          圖2：照明回路分次諧波含量數(shù)據(jù)

根據(jù)諧波含量，選用額定容量為50A的ANAPF對照明回路進行單獨補償，治理后得到的電流波形圖、分次諧波含量數(shù)據(jù)分別如圖3、圖4所示。

              圖3：治理后照明回路電流波形            圖4：治理后照明回路分次諧波含量數(shù)據(jù)

     從圖3、圖4可以看出，治理后電流波形接近于的正弦波，電流的畸變得到了有效的控制；中性線電流也從37A降低到，消除了因中性線電流過大而引起的火災隱患；電流的諧波含量也從20%左右降到了3%左右，諧波含量大為降低，已符合GB T14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定標準。

      ANAPF有效的降低了THDi，同時抑制了三相不平衡，減少了中性線流過的電流，有效的提高了各項電能指標，使各種用電設備能正常穩(wěn)定運行，延長了設備的使用壽命，減少了因電路故障而產(chǎn)生的損失。

       通過本次的數(shù)據(jù)采集與分析，積累了大量的參考數(shù)據(jù)，為以后進行諧波治理打下了堅實的基礎。

[參考文獻]

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[3] 羅安. 電網(wǎng)諧波治理和無功補償技術及設備[M]. 北京：中國電力出版社，2006

作者簡介：

淮亞利，女，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網(wǎng)供配電。

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