师晴晴

江苏安科瑞制造有限公司 江苏江阴214405

1 电能质量与谐波
1.1 谐波的产生
　　随着电力电子变流装置的应用日益广泛，电能得到了更加充分的利用。但非线性电力设备的广泛应用产生了大量畸变的电流谐波，畸变电流在电网中的流动导致了谐波电压；谐波污染越来越多地威胁到电力系统、稳定、经济运行，给同一网络的线性负载和其它用户带来了大影响。谐波已与电磁干扰、功率因数降低并列为电力系统的三大公害。所以了解谐波产生的原理、研究供配电系统中的高次谐波问题对供电质量和确保电力系统经济运行有着非常积的意义。谐波测量是谐波问题中的一个重要分支，对抑制谐波、解决谐波产生的问题有着重要的指导作用。因此对谐波的测量和分析是电力系统分析和控制中的一项重要工作，是继电保护、故障测量等工作开展的重要前提。
　　主要谐波产生源如下表：

表1-1谐波产生源

1.2 谐波的危害
1.2.1使电力元件附加损耗加大，易引发火灾。
　　谐波使公用电网中的元件产生附加的损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率。大量三次谐波流过中线会使线路过热，甚至引起火灾。
1.2.2影响电气设备的正常运行。
　　谐波会影响电气设备的正常工作，使电机产生机械振动和噪声等；使变压器局部严重过热；使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以致损坏。
1.2.3引起电网谐振。
　　这种谐振可能使谐波电流放大几倍甚至数十倍，会对系统，特别是对电容器和与之串联的电抗器形成很大的威胁，经常使电容器和电抗器烧毁。
1.2.4使继电保护误动作，电气测量误差过大。
　　谐波会导致继电保护，特别是微机综合保护器与自动装置误动作，造成不必要的供电中断和生产损失。谐波还会使电气测量仪表计量不准确，产生计量误差，给用电管理部门或电力用户带来经济损失。
1.2.5使工控系统崩溃。
　　临近的谐波源或较高次谐波会对通信及信息处理设备产生干扰，轻则产生噪声、降低通信质量、计算机无法正常工作，重则导致信息丢失，使工控系统崩溃。

1.3 谐波治理依据的标准
GB/T14549-1993 《电能质量：公用电网谐波》
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》GB7625.1-2012 《电磁兼容 限值 谐波电流发射限值》
GB/T15576-2008 《低压成套无功功率补偿装置》

2 有源电力滤波器
2.1 型号说明

2.2 产品外形尺寸 （单位：mm）

　　　图2-1 ANAPF有源电力滤波器外形图（客户可定制）

(a)立柜式 (b)立柜式 (c)抽屉式
图2-2 ANAPF有源电力滤波器外形尺寸图

2.3 工作原理
　　ANAPF系列有源电力滤波器，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，如图2-3所示：

　　图2-3 ANAPF有源电力滤波器原理图

2.4 主要技术特点

· DSP+FPGA全数字控制方式，具有快的响应时间；

· 的主电路拓扑和控制算法，精度更高、运行更稳定；

· 一机多能，既可补谐波，又可兼补无功；

· 模块化设计，便于生产调试；

· 便利的并联设计，方便扩容；

· 具有完善的桥臂过流保护功能；

· 使用方便，易于操作和维护。

2.5 技术参数

表2-1ANAPF有源电力滤波器技术参数

2.6治理方案
2.6.1 集中治理
适用于单台设备谐波含量小，但数量庞大、布局分散的场合，比如办公大楼(个人电脑、节能灯、变频空调、电梯等)，虽然单台设备的电流小，谐波含量低，但整栋大楼的电流大，谐波电流也大，如图2-4所示：

图2-4 集中治理

2.6.2 局部治理
适用于谐波源集中在某一条或几条馈出支路的配电系统，比如医院的仪器、UPS电源等，虽然单台设备的电流小，谐波含量低，但为防止其他设备产生的谐波对其干扰，采用局部谐波补偿，如图2-5所示：

图2-5 局部治理

2.6.3 就地治理
适用于谐波源比较明确且单台设备谐波含量较大的配电系统，比如大型商业区的景观照明、影剧院的可控硅调光设备、工业区的变频器调速设备等，单台设备电流大、谐波含量高、谐波电流大，为防止谐波电流影响其他用电设备，采用就地治理，如图2-6所示：

图2-6 就地治理

2.7 ANAPF有源电力滤波器选型

表2-2 ANAPF有源电力滤波器选型一览表

2.8ANAPF有源滤波器选型流程

图2-7 ANAPF有源电力滤波器选型流程

2.9 安装技术要求
2.9.1 布置要求
　　ANAPF有源电力滤波器一般为标准柜式和抽屉式结构，立柜式滤波器安装时应避免倒置或平放，抽屉式滤波器安装时只可平放，外形尺寸由所选谐波补偿电流值决定，平面布置形式一般由谐波电流补偿点位置决定。其平面布置要求如下：
1）离墙安装：正常情况下建议与低压开关柜并列离墙布置，正面操作，双面维护，50A和100A滤波器背面维护通道不小于600mm，150A和200A滤波器背面维护通道不小于800mm。
2）靠墙安装：ANAPF也可靠墙布置，正面操作，正面维护。
3）电气设计人员在考虑系统接线及平面布置时应注意将ANAPF的补偿接入点尽量靠近补偿对象，在末端预留空间供设计安装，CT采样处下游不能包含容性负荷。平面布置示意如下图：
4）ANAPF所有正常情况下不带电的金属外壳均应根据设计要求的接地制式（TN-S、TN-C-S、TT等）严格做好相应的保护接零或保护接地。

图2-8 变电所平面布置图

2.9.2 互感器的安装
1）互感器的P1端指向电网，P2端指向负载。
2）互感器与ANAPF的接线如图2-9所示：
3）注意互感器的进出线要一致且方向正确。
4）安装电缆规格如下表2-3：

图2-9 ANAPF有源电力滤波器接线图

表2-3 安装电缆与CT采样线截面积

2.10 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：实验室、机房、网络中心等。
5）研究所：仪器、机房、高设备集中区域等。
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、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。

3 有源电力滤波功能模块介绍
3.1 人机操作界面APF-HMI
HMI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，它采用彩色触摸屏以实现参数设置和控制，集成全部电力参数的测量、的电能计量和考核管理、多种电力质量参数的分析，基本参数见表3-1.

表3-1 人机界面基本参数表

　　ANAPF在工作时，系统可以监测其网侧电流、ANAPF桥臂电流以及负载侧电流，用户可以通过HMI来对ANAPF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，人机界面的操作、显示功能如表3-2所示：

表3-2 人机界面操作、显示功能表

3.2 控制器模块
　　APF控制器主要由：DSP（数字信号处理器）、FPGA逻辑器件、AD信号采样电路、DI/DO输入输出控制电路、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。控制系统是有源电力滤波器的核心，它决定了有源电力滤波器系统的主要性能和指标。
3.2.1 命名规则

3.2.2 技术参数

表3-3 控制器技术参数

3.3 变流器模块
　　APF变流器的核心是储能电容和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。
3.3.1 命名规则

3.3.2 变流器外形

图3-1 APF变流器模块

3.4 电抗器模块
　　APF电抗器起滤波作用，滤除ANAPF发出的电网不需要的谐波。电抗器可分为单相、三相和一体式，电流从50A到200A等多种规格。

3.4.1 命名规则

3.4.2 电抗器外形

图3-2 APF电抗器模块

表3-4 电抗器外形尺寸一览表

3.4.3 产品特点

· 铁芯采用低损耗硅钢片；

· 线圈采用铜箔或铝箔绕制；

· 绝缘采用H级，使用寿命更长，系数更高；

· 输出电流范围宽：单台可从1到200A。

3.5 电流采样互感器

3.5.1 型号说明

3.5.2 规格尺寸

图3-3互感器外形尺寸

表3-5 互感器外形尺寸选型

3.5.3 规格参数对照表

4 应用案例

4.1

4.2

附录
谐波电流估算与有源滤波装置选型
　　谐波是由非线性设备产生的，而每种设备的实际工作状态都不同。因此实际谐波电流需采用专门设备进行测量，考虑到设备的技术及经济性，设计谐波治理装置的额定谐波补偿电流应略大于系统谐波电流。由于谐波电流本身的测量与计算比较复杂，况且在设计时往往很难采集到足够的电气设备使用中的谐波数据，可以根据下列公式估算谐波电流进行选型。
1 根据负载额定电流和行业类型选型

2 根据变压器容量和行业类型选型

3 根据快速选型表查表选型

查表步骤：

· 确定变压器容量；

· 确定变压器负载率（一般在0.6~0.8）；

· 确定总谐波畸变率（THDi），表1中THDi值为参考值，仅在估算谐波电流时使用；

· 根据变压器负载率大小确定表4、表5或表6；

· 根据变压器容量及THDi参考值确定相应的谐波电流值；

· 考虑到一定的裕量，选择相应容量的ANAPF有源电力滤波器。

注意：
1.本公司三相三线产品，根据电流等级的不同可分为：50A、100A、150A、200A、250A、300A
2.本公司三相四线产品，根据电流等级的不同可分为：50A、100A、150A、200A、250A、300A
表4、5、6适用于集中治理方案的谐波电流值查询。

国标GB/T 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》规定的公用电网谐波电压（相电压）限值见下表：

表1 公用电网谐波电压（相电压）限值

表2 注入公共连接点的谐波电流允许值

表3 不同行业THDi参考值

注意：
　　以上数据为具体现场测试结果，相同行业负载情况不同，电流谐波总畸变率（THDi）也有所不同，以上THDi值仅作参考。

例.上海某工厂办公大楼变压器容量为250KVA，变压器负载率为0.8，主要负载为节能灯、变频空调和电梯等，属于办公楼宇。
1.变压器容量为250KVA；
2.变压器负载率为0.8；
3.负载类型属于办公楼宇，根据表3估算THDi为30%；
4.查表6可得估算谐波电流值为83A；
5.如果根据公式（2）计算，结果是一样的；
6.考虑到一定的裕量，选择100A的ANAPF有源电力滤波器。

表4 变压器负载率为0.6时的谐波电流值

表5 变压器负载率为0.7时的谐波电流值




表6 变压器负载率为0.8时的谐波电流值

ANAPF有源电力滤波器选型卡

作者简介：

师晴晴（1985－），女，汉族，本科，工程师，主要研究方向为智能建筑供配电监控系统

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