諧波抑制與有源濾波裝置應用

徐霜

安科瑞電氣股份有限公司   嘉定   201801  

【摘要】：本文分析了電力系統諧波產生的原因，總結了抑制諧波的措施；分析了無源濾波裝置和有源濾波裝置在諧波治理中的應用；分析總結了有源濾波裝置的發展方向。

【關鍵詞】：諧波  無源濾波器  有源濾波器  ANAPF

【正文】：

1  前言

在電力系統中，正常的電壓和電流波形應當是頻率為50Hz的正弦波，但是實際的波形總有不同程度的畸變，這就是諧波所致。隨著電力技術的飛速發展，諧波所造成的危害也日趨嚴重，諧波污染已成為阻礙電力技術發展的重大障礙之一 [ 1 ]。

電力系統中諧波的產生大致有三種來源：（ 1）來源于發電機。發電機由于三相繞組在制作上很難做到對稱，鐵心也很難做到均勻一致，以及其他一些原因，發電機多少也會產生一些諧波，但一般來說很少； （2）來源于輸配電系統。輸配電系統中主要是電力變壓器產生諧波，由于變壓器含有鐵心，鐵心具有磁飽和性，鐵心飽和后是非線性的，變壓器鐵心常工作在磁通密度較高的區段，磁化曲線更陡，更易產生諧波。據統計由電力變壓器產生的諧波中，其中的3次諧波電流可達額定電流的15%；（ 3）來源于各種電氣設備。主要包括一些電力電子整流設備，變頻裝置，電弧爐、電石爐，氣體放電類電光源等等。據統計，由整流裝置產生的諧波占電力系統所有諧波的近40%，這是zui大的諧波源。

本文根據諧波產生的特點，總結了抑制諧波的措施，分析無源濾波裝置和有源濾波裝置在諧波治理中的應用。分析了目前有源濾波器的主要研究方向及有源濾波器設計的一種新思路。

2　諧波治理

2.1　諧波治理的標準

諧波的危害和影響引起了世界各國高度重視，為了保證電網和用電設備的安全、穩定、經濟運行，目前許多國家、組織以及一些大電力公司都制定了相應的諧波標準。

GB/T14549-1993 《電能質量：公用電網諧波》[ 2 - 3]

GB/T15543-2008 《電能質量：三相電壓允許不平衡度》

GB/T12325-2008 《電能質量：供電電壓允許偏差》

GB/T12326-2008 《電能質量：電壓波動和閃變》

GB/T18481-2001 《電能質量：暫時過電壓和瞬態過電壓》

GB/T15945-2008 《電能質量：電力系統頻率允許偏差》

GB7625.1-1998  《低壓電氣電子產品發出的諧波電流限值》

GB/T15576-1995 《低壓無功功率靜態補償裝置總技術條件》

各諧波標準宗旨大同小異，都是基于以下三個目的：

（1）將電力系統電流和電壓波形的畸變控制到系統及其所接設備能夠允許的水平。

（2）以符合用戶需要的電壓波形向用戶供電。

（3）不干擾其他系統（如通訊系統）的正常工作。

2.2　諧波治理的措施

針對諧波產生的特點諧波治理的措施主要有以下3種形式：（1）主動治理，即從諧波源出發，使諧波源不產生諧波或降低諧波源產生的諧波； （2）受端治理。即從受到諧波影響的設備或系統出發，提高它們的抗諧波干擾能力； （3）被動治理，即外加濾波裝置，阻止諧波源產生的諧波注入電網，或者阻止電力系統的諧波流入負載端。

目前應用較廣的是采用被動治理的措施，外加濾波裝置。目前主要方式為無源濾波器和有源濾波器，以阻止諧波源產生的諧波注入電網，或者阻止電力系統的諧波流入負載端。

雖然無源濾波器具有投資少、效率高、結構簡單及維護方便等優點，在現階段廣泛用于配電網中，但由于濾波器特性受系統參數影響大，只能特定的幾次諧波，而對某些次諧波會產生放大作用，甚至諧振現象等技術缺陷，隨著電力電子技術的發展，人們將濾波研究方向逐步轉向有源濾波器。

相比無源濾波器，有源濾波器具有以下優點：

（1）濾波性能不受系統阻抗的影響。

（2）不會與系統阻抗發生串聯或并聯諧振，系統結構的變化不會影響治理效果。

（3）原理上比PPF更為*，用一臺裝置就能完成各次諧波的治理。

（4）可實現動態治理，能夠迅速響應諧波的頻率和大小發生的變化。

（5）由于裝置本身能完成輸出限制，因此即使諧波含量增大也不會過載。

（6）具備多種補償功能，可以對無功功率和負序進行補償。

（7）諧波補償特性不受電網頻率變化的影響。

（8）可以對多個諧波源進行集中治理。

安科瑞公司ANAPF系列有源電力濾波裝置作為一種用于動態抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能夠對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償，其應用可克服LC濾波器等傳統的諧波抑制和無功補償方法的缺點（傳統的只能固定補償），實現了動態跟蹤補償，而且可以既補諧波又補無功，是諧波治理和無功補償的*選擇，是確保電網穩定運行的有力保障。

3　ANAPF系列有源電力濾波裝置

作為供電質量的一項關鍵技術，目前有源電力濾波器在日本、美國、德國等發達工業國家已廣泛用于國民經濟的各個生產部門，并且諧波補償的次數逐步提高，單機裝置的容量也逐步提高，其應用領域正從補償用戶自身的諧波向整個電力系統供電質量的方向發展。

3.1　ANAPF有源電力濾波裝置的工作原理

ANAPF系列有源電力濾波裝置，以并聯的方式接入電網，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，從而實現諧波治理和無功補償。（見圖1）

圖1  ANAPF有源電力濾波裝置的工作原理圖

3.2　ANAPF有源電力濾波裝置的技術參數

3.3　ANAPF有源電力濾波裝置的功能模塊

u 控制器模塊APFMC-C100

主要由：DSP（數字信號處理器）、FPGA邏輯器件、AD信號采樣電路、DI/DO輸入輸出控制電路、PWM波形控制電路、RS485通訊電路等組成，主要用來完成電壓、電流等信號的采集和處理、指令電流的計算、開關電路的生成、PWM信號的輸出、系統對外通訊與系統保護等功能。控制系統是有源濾波器的核心，它決定了有源電力濾波器系統的主要性能和指標。

u 變流器模塊APFCOV

其核心是儲能電容和IGBT模塊。變流器的作用主要是將電網的電壓經IGBT功率模塊整流后為儲能電容充電，使母線電壓維持在某個穩定的值，在這個過程中變流器主要工作在整流狀態，當主電路產生補償電流時，變流器又工作在逆變狀態。考慮到產品是在電網中長時間運行的，因此直流支撐電容采用薄膜電容，功率模塊采用德國原裝產品，以確保整機質量。變流器的選擇根據補償電流的大小而有所不同。

u 電抗器模塊APF-RE.DG、APF-RE.SDG

APF電抗器起濾波作用，濾除APF發出的電網不需要的諧波。電抗器可分為單相和三相，電流從1到200A等多種規格。

u 人機操作界面APF-HMI

APF柜在工作時，系統可以監測其網側電流、APF橋臂電流以及負載側電流，用戶可以通過HMI來對APF的運行模式進行設置，對于運行中出現的問題，可以產生對應的事件記錄。HMI就是我司針對電力系統，工礦企業，公用設施,智能大廈的電力監控需求而設計的一種智能儀表，它采用高亮度TFT-LCD彩屏顯示界面，通過面板按鍵來實現參數設置和控制，集成全部電力參數的測量、全面的電能計量和考核管理、多種電力質量參數的分析。

u 配套的電流采樣互感器AKH-0.66-K

3.4　技術優勢

l DSP+FPGA全數字控制方式，具有快的響應時間；

l 的主電路拓撲和控制算法，精度更高、運行更穩定；

l 一機多能，既可補諧波，又可兼補無功；

l 模塊化設計，便于生產調試；

l 便利的并聯設計，方便擴容；

l 具有完善的橋臂過流、保護功能；

l 使用方便，易于操作和維護。

3.5　有源濾波器報價及元件清單

4　ANAPF有源電力濾波裝置的應用

有源電力濾波器可廣泛應用于工業、商業和機關團體的配電網中，如：電力系統、電解電鍍企業、水處理設備、石化企業、大型商場及辦公大樓、精密電子企業、機場/港口的供電系統、醫療等。根據應用對象不同，ANAPF系列有源電力濾波裝置的應用將起到保障供電可靠性、降低干擾、提高產品質量、增長設備壽命減少設備損壞等作用。

4.1　主要應用范圍及場合

1）機場：主控室、計算機房、廣播系統、EIB燈光調光系統等。

2）醫院：ICU（重癥監護室）、MRI（磁共振成像）、手術室、醫學成像室、放療科等。

3）劇場、體育館：解決由于諧波造成的EIB調光設備及其它控制設備的損壞。

4）學校：精密實驗室、機房、網絡中心等。

5）研究所：精密儀器、機房、高精密設備集中區域等。

6）大型商場：解決由于節能燈大量應用造成的諧波問題。

7）銀行：計算機中心、營業部計算機、安防系統等。

8）稅務、工商：大型計算機中心等。

9）電信機房：移動基站

10）工廠：生產線的PLC、計算機控制設備、機床、PCS系統、計量/稱重系統等。

11）電視臺：圖像設備、調光設備、計算機等。

4.2　ANAPF有源電力濾波裝置應用實例

u 項目背景

某企業是一家單晶硅制造企業。單晶硅建設項目具有巨大的市場和廣闊的發展空間。近年來，各種晶體材料，特別是以單晶硅為代表的高科技附加值材料及其相關高技術產業的發展，成為當代信息技術產業的支柱，并使信息產業成為經濟發展中增長zui快的先導產業。其生產工藝多分熔融加熱或直流加熱，由于采用半導體可控整流方式，本身工作過程中會產生非常大量的電流諧波，對電網造成諧波污染，這些諧波使得精密儀器精度失準甚至誤動作，破壞了系統的無功補償，造成系統供電損耗的增加及損壞補償電容器等，對于單晶硅復雜的生長過程以及后期的精密加工流程都造成非常大的影響，因此電網的品質間接決定著單晶硅成品材料的品質，幾乎所有的單晶硅制造生產線都面臨諧波問題

u 治理方案

針對電能質量狀況，上海安科瑞電氣股份有限公司提出了諧波治理的解決方案，并zui終確定在3#變壓器下進行試點，采用ANAPF有源電力濾波裝置，自動跟蹤治理負載產生的諧波電流，保證整個系統安全可靠運行。

以下是ANAPF有源濾波器投入前后的現場對比數據：

1）三相電壓波形前后對比，見圖2、圖3。

2）三相電壓諧波含量前后對比，見圖4、圖5。

3）三相電流波形前后對比，見圖6、圖7。

4）三相電流諧波含量前后對比，見圖8、圖9。

從現場測試的有源濾波器投入前后的數據可以看出，有源濾波器投入運行后，電壓和電流諧波明顯降低，電壓諧波由原來的4.7%降到2.4%，電流諧波由原來的18.4%降到5.0%，諧波電流值從273A下降到63A，三相電壓和三相電流波形均得到明顯，從根本上了諧波的影響，保障了單晶硅生產的質量，該企業決定在后期改建工程中全部采用ANAPF有源濾波器。

5 結束語

諧波治理是電能質量問題的核心內容之一，也是現代電力生產發展的迫切需要。有源電力濾波器經過二、三十年的發展已成為補償電力系統諧波及無功功率的重要裝置[ 4 – 5 ]。目前在實際應用中，并聯型APF是比較成熟的拓撲結構，是優選的方案；串聯型APF電路在工作時需流過全部的正常負載電流，損耗比較大，而且投切、故障后退出及各種保護電路也比較復雜；串、并聯型APF當前的主要問題是控制復雜，造價高。

從近年來的研究和應用中可以看出，APF具有如下的發展趨勢：

（1）通過采用PWM調制和提高開關器件等效開關頻率的多重化技術，實現對高次諧波的補償；

（2）采用APF和PF組成的混合型濾波系統，以減少APF的容量，降低成本，提率；

（3）隨著半導體器件制造水平的迅速發展，混合型濾波系統低成本的優勢將逐漸消失，而并聯APF由于其功能強大、性價比高，將是很有發展前途的有源濾波裝置；

（4）隨著電力電子器件耐壓水平的提高和對電能質量的日益重視，APF也將在工業系統的高壓領域得到廣泛應用。

隨著我國電力事業的發展，電能質量的要求將不斷提高，利用APF進行電能質量治理有著巨大的市場潛力。特別是在補償諧波、無功功率，以及中線電流、不平衡電流等方面，有源濾波技術必將擁有更加廣闊的應用前景。

參考文獻

[ 1 ] 　王兆安,楊軍,劉建軍. 諧波抑制和無功功率補償[M ]. 機械工業出版社, 1993.

[ 2 ] 　電能質量公用電網諧波GB /T14549 - 93 [ S]. 1993.

[ 3 ] 　電力工業部,供電營業規則[ S]. 1996.

[ 4 ] 　尹宏程,賀彪. 混合有源電力濾波器分析及應用探討[J]. 集成電路通訊, 2007, 25（1）：16-19.

[ 5 ] 　胡學芝,皮大能. 有源電力濾波器及其應用技術綜述[J]. 船電技術, 2005, （1）：39-42.

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作者簡介：

邵怡倩，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供配電，: acrelxs  :

《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品的特點，依據電氣設計規范，研究供配電系統中的高次諧波問題，達到供電質量和確保電力系統安全運行的目的。圖集適用于新建、改建、擴建和技改項目中工業與民用及公共建筑內電氣設備的諧波抑制及綜合治理的設計與改造。凡需要圖集的請提供貴單位名稱、部門、地址、、、、等信息，傳真、郵件acrelxs或:至安科瑞徐霜工程師收，安科瑞電氣免費贈送。