有源電力濾波器在小區(qū)配電系統(tǒng)中的應(yīng)用

王蘭

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要:隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大量的電力電子裝置廣泛的應(yīng)用于工業(yè)的冬個(gè)領(lǐng)域，給工業(yè)帶來了翻天覆地的變化，但大量電力電子裝置的廣泛應(yīng)用，同時(shí)也給電力系統(tǒng)這個(gè)環(huán)境帶來了嚴(yán)重的“污染"，其根本原因就是電力電子裝置是非線性負(fù)荷，在系統(tǒng)中運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生諧波，造成十分嚴(yán)重的危害。有源電力濾波器(ActivePowerFilter)是目前研究比較深入的一種裝置，它是一種用于動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，既可抑制諧波，又可以補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置，它能對(duì)大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進(jìn)行補(bǔ)償，其應(yīng)用可克服LC濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:有源電力濾波器APF;小區(qū)配電網(wǎng);諧波源

1導(dǎo)言

有源濾波器采用的是現(xiàn)代電力電子技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和先進(jìn)控制理論的電力技術(shù)，它有助于電網(wǎng)諧波的動(dòng)態(tài)性實(shí)時(shí)補(bǔ)償，是目前解決諧波污染、改善電能質(zhì)量*有效和*具潛力的途徑之一。一直以來諧波問題只在工業(yè)領(lǐng)域受到重視，在小區(qū)配電網(wǎng)中很少受到關(guān)注。有調(diào)查結(jié)果表明，小區(qū)配電網(wǎng)諧波污染程度已經(jīng)非常嚴(yán)重，且有逐年加劇的形勢(shì)。因此，小區(qū)配電網(wǎng)的諧波治理勢(shì)在必行。

2低壓配電網(wǎng)的主要諧波源

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)和民用建筑行業(yè)的快速發(fā)展,配電網(wǎng)中非線性負(fù)荷迅速增加。各種非線性和時(shí)變性電子變流器如逆變器、整流器和各種開關(guān)電源在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中得到越來越廣泛地應(yīng)用,其對(duì)電網(wǎng)的污染也日益嚴(yán)重,這些裝置從電網(wǎng)中消耗大量的無功功率,并產(chǎn)生大量的諧波分量注入電網(wǎng),導(dǎo)致電網(wǎng)的電壓和電流波形嚴(yán)重變形,從而逐漸成為配電網(wǎng)中*主要的諧波源。而在低壓配電網(wǎng)中,民用和商業(yè)用電量所占的比例日益增大,各種辦公自動(dòng)化設(shè)備和家電的日益普及,雖然這些電器單個(gè)的功率并不大,向電網(wǎng)注入的諧波很小,但由于總體數(shù)量龐大且工作同時(shí)性強(qiáng),它們向電網(wǎng)注入的總諧波電流非常巨大,所以建筑用電逐漸成為低壓配電網(wǎng)的主要諧波污染源之一。

3諧的治方案

3.1主動(dòng)型治理方案

常見的主動(dòng)型治理方案就是采用高功率因數(shù)變流器。電力電子裝置是電力系統(tǒng)中*主要的諧波源,抑制諧波*直接的的途徑,就是開發(fā)新型變流器一一單位功率因數(shù)變流器(UnityPowerFactorConverter),這種變流器在工作過程中不產(chǎn)生諧波,且功率因數(shù)為1。高功率因數(shù)變流器可近似看成為單位功率因數(shù)變流器。采用多重化技術(shù)可以有效地減少變流器諧波,其原理是:多個(gè)方波的疊加可以消除次數(shù)較低的諧波,從而得到近似正弦波的階梯波,重?cái)?shù)越多,所得波形越接近正弦波,但電路結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。如果將多重化技術(shù)與PWM技術(shù)相配合,可取得更加理想的結(jié)果。這種方案一般需要投入大量的資金,普通電力用戶難以接受。因此這種方法大多應(yīng)用于大容量場(chǎng)合。

3.2被動(dòng)型治理方案

1)傳統(tǒng)的諧波補(bǔ)償裝置就是采用由電感電容串并聯(lián)構(gòu)成的LC調(diào)諧濾波器,結(jié)構(gòu)如圖1所示.利用諧振原理對(duì)特定次數(shù)諧波電流形成低阻抗,達(dá)到對(duì)諧波電流的分離,使其不注入電網(wǎng)。這種方法既可抑制諧波,又可補(bǔ)償無功功率,而且結(jié)構(gòu)簡單,已經(jīng)被廣泛使用于電力系統(tǒng)。然而,這種諧波補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償性能受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)影響,因其與系統(tǒng)的并聯(lián)連接方式，容易發(fā)生并聯(lián)諧振,使諧波電流放大,導(dǎo)致LC濾波器過載甚至燒毀。此外,固定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定這種濾波器只能對(duì)固定頻率的諧波進(jìn)行補(bǔ)償,且補(bǔ)償效果并不理想。盡管如此,因其結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì),LC濾波器目前仍是補(bǔ)償諧波*主要的方案。

圖1LC濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

1. 現(xiàn)今越來越流行的一種抑制諧波的被動(dòng)型方案,就是采用有源電力濾波器(ActivePowerFilterAPF)。有源電力濾波器也是一種電力電子裝置。其基本原理是從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出諧波電流,由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等而極性相反的補(bǔ)償電流注入電網(wǎng),與諧波源注入電網(wǎng)的諧波電流相抵消,從而使電網(wǎng)電流不含諧波分量、只含基波分量。這種濾波器能對(duì)幅值和頻率都變化的諧波進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償,且補(bǔ)償性能不受電網(wǎng)阻抗的影響,因而受到很大的重視。

圖2有源電力濾波器原理圖

4小區(qū)網(wǎng)產(chǎn)及

4.1小區(qū)配電網(wǎng)諧波產(chǎn)生的原因

正弦電壓作用在非線性負(fù)載上產(chǎn)生的電流不是標(biāo)準(zhǔn)正弦電流，而是發(fā)生了畸變。根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)理論，可以將負(fù)載電流進(jìn)行傅里葉積分，分解出以基波頻率為基礎(chǔ)的各次諧波，即電流中除了基波(50Hz)的電流以外，還有2次(100Hz)、3次(150Hz)··...·各次諧波電流。家庭中使用的電器設(shè)備多數(shù)都是非線性負(fù)載，所以在使用過程中都會(huì)產(chǎn)生諧波。2、小區(qū)配

4.2電網(wǎng)諧波的危害

1)引起零序諧波，并造成三相不平衡，降低供電質(zhì)量:

2)使配電變壓器產(chǎn)生附加功率損耗、發(fā)熱量增加，誘發(fā)變壓器故障;

3)加速絕緣介質(zhì)老化，引起配電網(wǎng)短路故障，甚至造成人身傷害:

4)對(duì)斷路器、熔斷器、繼電器等設(shè)備產(chǎn)生干擾，造成其誤動(dòng)，降低供電可靠性:5)引發(fā)無功補(bǔ)償設(shè)備諧振，導(dǎo)致無功補(bǔ)償設(shè)備無法投切，功率因數(shù)無法提高:

6)使電氣計(jì)量和測(cè)量的誤差加大:

7)縮短電器設(shè)備的使用壽命:

4.3APF用于小區(qū)配電網(wǎng)

1)有源電力濾波器APF工作原理

APF由兩部分組成:諧波和無功電流檢測(cè)電路及補(bǔ)償電流發(fā)生電路(由補(bǔ)償電流控制電路、驅(qū)動(dòng)隔離電路和主電路三個(gè)部分構(gòu)成)。前者的作用是檢測(cè)出負(fù)載電流中的諧波和無功分量;后者的作用是根據(jù)檢測(cè)出來的諧波和無功電流等產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償電流。

有源電力濾波器APF工作原理APF由兩部分組成:諧波和無功電流檢測(cè)電路及補(bǔ)償電流發(fā)生電路(由補(bǔ)償電流控制電路、驅(qū)動(dòng)隔離電路和主電路三個(gè)部分構(gòu)成)。前者的作用是檢測(cè)出負(fù)載電流中的諧波和無功分量;后者的作用是根據(jù)檢測(cè)出來的諧波和無功電流等產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償電流。諧波無功電流檢測(cè)電路將負(fù)載電流iL中的諧波電流iLh和無功電流iLg分離出來，然后把它們反相并產(chǎn)生出補(bǔ)償電流iC的調(diào)制波信號(hào)iC*，也就是指令信號(hào)iC*=iLh+iLq。補(bǔ)償電流控制電路根據(jù)iC*的值輸出觸發(fā)脈沖，通過驅(qū)動(dòng)隔離電路驅(qū)動(dòng)主電路的功率開關(guān)，使其創(chuàng)建出補(bǔ)償電流iC，iC要跟蹤iC*，故iC~-iC*，因此:iS=iL+iC=iL-iC*=iL-(iLh+ilLq)=iLp，即電源電流iS中只含有基波有功分iLp量，從而達(dá)到消除諧波和補(bǔ)償無功功率的目的。根據(jù)此原理，對(duì)于三相APF，還能對(duì)電流的不對(duì)稱度和負(fù)序電流等進(jìn)行補(bǔ)償

2)有源電力濾波器APF實(shí)際應(yīng)用效果

圖3為某小區(qū)配電室加裝有源電力濾波器前后電壓、電流波形對(duì)比。在安裝APF裝置前，電流中3、5、7次諧波含量較大，APF投入使用后，電流中3、5、7次諧波含量幾乎全部被濾除，同時(shí)，電壓波形得到改善，提高了供電質(zhì)量。

圖3某小區(qū)使用APF前后電壓、電流波形對(duì)比

5有源電力濾波器APF的使用成效

1)諧波得到有效消除，提高供電電能質(zhì)量:

2)減少3、5、7次諧波流入上級(jí)電網(wǎng)，避免造成諧波污染的進(jìn)一步危害:3)減少諧波造成的停電事故，保障安全、優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定供電;

4)少諧波對(duì)配電設(shè)備的損害，降低維護(hù)工作量和維護(hù)檢修費(fèi)用:

5)諧波無功功率得到補(bǔ)償，同時(shí)保障基波無功功率補(bǔ)償，提高供電能力。

6安科瑞APF有源濾波器產(chǎn)品選型

6.1產(chǎn)品特點(diǎn)

（1）DSP+FPGA控制方式，響應(yīng)時(shí)間短，全數(shù)字控制算法，運(yùn)行穩(wěn)定；

（2）一機(jī)多能，既可補(bǔ)諧波，又可兼補(bǔ)無功，可對(duì)2～51次諧波進(jìn)行全補(bǔ)償或規(guī)定特定次諧波進(jìn)行補(bǔ)償；

（3）具有完善的橋臂過流保護(hù)、直流過壓保護(hù)、裝置過溫保護(hù)功能；

（4）模塊化設(shè)計(jì)，體積小，安裝便利，方便擴(kuò)容；

（5）采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏以實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和控制，使用方便，易于操作和維護(hù)；

（6）輸出端加裝濾波裝置，降低高頻紋波對(duì)電力系統(tǒng)的影響；

（7）多機(jī)并聯(lián)，達(dá)到較高的電流輸出等級(jí)；

6.2型號(hào)說明

6.3尺寸說明

6.4產(chǎn)品實(shí)物展示

ANAPF有源濾波器

7安科瑞智能電容器產(chǎn)品選型

7.1產(chǎn)品概述

AZC/AZCL系列智能電容器是應(yīng)用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節(jié)省能源、降低線損、提高功率因數(shù)和電能質(zhì)量的新一代無功補(bǔ)償設(shè)備。它由智能測(cè)控單元，晶閘管復(fù)合開關(guān)電路，線路保護(hù)單元，兩臺(tái)共補(bǔ)或一臺(tái)分補(bǔ)低壓電力電容器構(gòu)成?？商娲Ｒ?guī)由熔絲、復(fù)合開關(guān)或機(jī)械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在柜內(nèi)和柜面由導(dǎo)線連接而組成的自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置。具有體積更小，功耗更低，維護(hù)方便，使用壽命長，可靠性高的特點(diǎn)，適應(yīng)現(xiàn)代電網(wǎng)對(duì)無功補(bǔ)償?shù)母咭蟆?/p>

AZC/AZCL系列智能電容器采用定式LCD液晶顯示器，可顯示三相母線電壓、三相母線電流、三相功率因數(shù)、頻率、電容器路數(shù)及投切狀態(tài)、有功功率、無功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過內(nèi)部晶閘管復(fù)合開關(guān)電路，自動(dòng)尋找適宜投入（切除）點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)過零投切，具有過壓保護(hù)、缺相保護(hù)、過諧保護(hù)、過溫保護(hù)等保護(hù)功能。

7.2型號(hào)說明

AZC系列智能電容器選型：

AZCL系列智能電容器選型：

7.3產(chǎn)品實(shí)物展示

AZC系列智能電容模塊AZCL系列智能電容模塊

安科瑞無功補(bǔ)償裝置智能電容方案

8結(jié)論

通過在小區(qū)低壓補(bǔ)償柜和無功補(bǔ)償箱上加裝APF裝置，解決了小區(qū)無功補(bǔ)償裝置因諧波超標(biāo)投不上的問題，又防止了高頻裝置因產(chǎn)生高幅值諧波電流引起的開關(guān)誤動(dòng)。因此，綜合其自身特點(diǎn)可以推而廣之，可應(yīng)用于配網(wǎng)低壓諧波超標(biāo)、功率因數(shù)偏低以及沒裝消諧裝置的高頻裝置上，以限制或消除諧波、提高功率因數(shù)，很大的改善電能質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB7251.1-2005.《低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備1》[S]

[2]張新,吳超,牛冠清.有源電力濾波器APF在小區(qū)配電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].科技與企業(yè),2013(24):403-404.DOI:10.13751/j.ki.kjyqy.2013.24.387.

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.05版

[4]柳楊.有源電力濾波器APF在小區(qū)配電網(wǎng)中的應(yīng)用