淮亞利
安科瑞電氣股份有限公司 嘉定 201801
摘要：本文分析了電力電網的諧波源、諧波特性和危害，并通過某大型鋼鐵股份公司低壓配電系統中有源濾波器的應用案例，對比分析了有源濾波器投入前后的情況，說明了有源濾波器的諧波治理技術是改善供電電能質量的有效手段之一，可將產生的諧波控制在zui小范圍內，達到科學合理用電，抑制電網污染，提高電能質量，保證電氣設備安全的作用。
關鍵詞：電能質量；諧波；有源濾波
1 電能質量與諧波
1.1 諧波的產生
隨著電力電子變流裝置的應用日益廣泛，電能得到了更加充分的利用。但非線性電力裝置設備的廣泛應用產生了大量畸變的電流諧波，畸變電流在電網中的流動導致了諧波電壓；諧波污染越來越多地威脅到電力系統安全、穩定、經濟運行，給同一網絡的線性負載和其它用戶帶來了極大影響。諧波已與電磁干擾、功率因數降低并列為電力系統的三大公害。所以了解諧波產生的原理、研究消除供配電系統中的高次諧波問題對改善供電質量和確保電力系統安全經濟運行有著非常積極的意義。諧波測量是諧波問題中的一個重要分支，對抑制諧波、解決諧波產生的問題有著重要的指導作用。因此對諧波的測量和分析是電力系統分析和控制中的一項重要工作，是繼電保護、故障測量等工作開展的重要前提。
主要諧波產生源如下表：
名 稱 | 所屬行業 |
變頻裝置 | 商業、市政、民用、公用事業、工礦企業等 |
UPS、開關電源、逆變電源 | 公用事業、商業、電子、通訊等 |
地鐵、輕軌、充電站（樁） | 交通 |
單（多）晶硅生產設備、中頻爐 | 制造業 |
電弧爐、交流弧焊機、感應加熱裝置 | 機械、能源、化工 |
1.2 諧波的危害
1.2.1使電力元件附加損耗加大，易引發火災。
諧波使公用電網中的元件產生附加的損耗，降低了發電、輸電及用電設備的效率。大量三次諧波流過中線會使線路過熱，甚至引起火災。
1.2.2影響電氣設備的正常運行。
諧波會影響電氣設備的正常工作，使電機產生機械振動和噪聲等，使變壓器局部嚴重過熱，使電容器、電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以致損壞。
1.2.3引起電網諧振。
這種諧振可能使諧波電流放大幾倍甚至數十倍，會對系統，特別是對電容器和與之串聯的電抗器形成很大的威脅，經常使電容器和電抗器燒毀。
1.2.4使繼電保護誤動作，電氣測量誤差過大。
諧波會導致繼電保護，特別是微機綜合保護器與自動裝置誤動作，造成不必要的供電中斷和生產損失；諧波還會使電氣測量儀表計量不準確，產生計量誤差，給用電管理部門或電力用戶帶來經濟損失。
1.2.5使工控系統崩潰。
臨近的諧波源或較高次諧波會對通信及信息處理設備產生干擾，輕則產生噪聲，降低通信質量，計算機無法正常工作；重則導致信息丟失，使工控系統崩潰。
1.3 諧波治理依據的國家標準
GB/T14549-1993 《電能質量：公用電網諧波》
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》
2典型應用方案介紹
2.1項目背景
某鋼鐵股份公司是集煉焦、燒結、冶煉、軋材及科研開發為一體的特大型鋼鐵聯合企業，其屬下X軋鋼廠主要生產中厚板等鋼材產品，由于生產需要，在低壓配電系統變壓器二次側的設備主要是電動機，變頻器帶動電機工作。由于變頻器內部結構采用大量非線性元件，所以在工作過程中產生大量諧波。
板材在軋制過程中存在一定的沖擊負荷，而且生產工藝也并非連續性。從而引起工作電壓/電流波動、不連續，工作電流的變化同樣引起諧波電流波動。
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電流、電壓波動實時監測
2.2項目方案
我公司為該企業軋鋼車間二號冷床下電網的諧波情況制定了相應的解決方案。采用的并聯型有源電力濾波器ANAPF，在變壓器出線側進行集中治理，濾波器可以自動跟蹤治理負載產生的諧波電流，并有效的濾除諧波，從而保證整個系統安全可靠運行。
系統治理示意如下圖所示：
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2.3項目效果
投入有源電力濾波器后，諧波電壓、諧波電流治理效果：
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投入有源電力濾波器運行后，總電流畸變率由82.1%降至4.4%、5次諧波的電流畸變率由67.0%降至1.9%、7次諧波的電流畸變率由43.8%降至2.0%。電網質量得到明顯的改善，并且適用于變化較快的負載，對的非線性負載在工作過程中產生的諧波起到明顯的抑制作用，從根本上改善了整個的電能質量狀況，有效地保護了生產線上設備的正常運行。
3 ANAPF有源濾波器簡介
3.1有源濾波器主要技術指標
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% | |||
動態補償響應時間 | 動態響應＜4ms，全響應時間＜20ms； | |||
開關頻率 | 10kHz | |||
功能設置 | 只補償諧波、只補償無功、既補償諧波又補償無功；手動、自動切換。 | |||
諧波補償次數 | 2-21次 | |||
保護類型 | 直流過壓 IGBT過流 裝置溫度保護 | |||
過載保護 | 自動限流在設定值，不發生過載 | |||
冷卻方式 | 智能風冷 | |||
噪音 | ＜ 65db(處于柜內并運作于額定狀態) | |||
工作環境溫度 | -10℃～+45℃ | |||
工作環境濕度 | ＜85%RH 不凝結 | |||
安裝場合 | 室內安裝 | |||
海拔高度 | ≤1000m（更高海拔需降容使用） | |||
進出線方式 | 下進下出 | |||
防護等級 | IP21 | |||
智能通信接口 | RS485/MODBUS-RTU | |||
遠程監控 | 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 | |
3.2有源濾波器報價及元件清單
型號：ANAPF100-400/B | |||
參考價格：12萬元/臺 | |||
主要產品明細： | |||
序號 | 名 稱 | 型 號 | 數量 |
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 |
4結論
本文介紹的有源濾波裝置采用模塊化設計，具有極快的響應時間；一機多能，既可補諧波，又可兼補無功；先進的主電路拓撲和控制算法，精度更高、運行更穩定；使用方便，易于操作和維護。有源濾波裝置節約了用戶投資成本，縮短了工期，為低壓配電網的諧波治理工程提供了的補償裝置，具有良好的應用價值和應用前景。
【參考文獻】
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品的特點，依據電氣設計規范，研究消除供配電系統中的高次諧波問題，達到改善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。
