1 電能質量與諧波
1.1 諧波的產(chǎn)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(chǎn)生了大量畸變的電流諧波，畸變電流在電網(wǎng)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(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，給同網(wǎng)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(shù)降低并列為電力系統(tǒng)的三大公害。所以了解諧波產(chǎn)生的原理、研究供配電系統(tǒng)中的高次諧波問題對供電質量和確保電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行有著非常積極的意義。諧波測量是諧波問題中的個重要分支，對抑制諧波、解決諧波產(chǎn)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(tǒng)分析和控制中的項重要工作，是繼電保護、故障測量等工作開展的重要前提。
主要諧波產(chǎn)生源如下表：
名 稱 | 所屬行業(yè) |
變頻裝置 | 商業(yè)、市政、民用、公用事業(yè)、工礦企業(yè)等 |
UPS、開關電源、逆變電源 | 公用事業(yè)、商業(yè)、電子、通訊等 |
地鐵、輕軌、充電站（樁） | 交通 |
單（多）晶硅生產(chǎn)設備、中頻爐 | 制造業(yè) |
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(fā)火災。
諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的損耗，降低了發(fā)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(chǎn)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?lián)p壞。
1.2.3引起電網(wǎng)諧振。
這種諧振可能使諧波電流放大幾倍甚至數(shù)十倍，會對系統(tǒng)，特別是對電容器和與之串聯(lián)的電抗器形成很大的威脅，經(jīng)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(chǎn)損失；諧波還會使電氣測量儀表計量不準確，產(chǎn)生計量誤差，給用電管理部門或電力用戶帶來經(jīng)濟損失。
1.2.5使工控系統(tǒng)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(chǎn)生干擾，輕則產(chǎn)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(tǒng)崩潰。
1.3 諧波治理依據(jù)的國家標準
GB/T14549-1993 《電能質量：公用電網(wǎng)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(tài)過電壓》
GB/T15945-2008 《電能質量：電力系統(tǒng)頻率允許偏差》
GB7625.1-1998 《低壓電氣電子產(chǎn)品發(fā)出的諧波電流限值》
GB/T15576-1995 《低壓無功功率靜態(tài)補償裝置總技術條件》
GB/T14549-1993 《電能質量：公用電網(wǎng)諧波》
2 有源電力濾波裝置
2.1 型號說明
2.2 產(chǎn)品外形尺寸 （單位：mm）
2.3 工作原理
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：
2.4 主要技術特點
l DSP+FPGA全數(shù)字控制方式，具有極快的響應時間；
l 的主電路拓撲和控制算法，精度更高、運行更穩(wěn)定；
l 機多能，既可補諧波，又可兼補無功；
l 模塊化設計，便于生產(chǎn)調(diào)試；
l 便利的并聯(lián)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。
2.5 技術參數(shù)
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(tài)補償響應時間 | 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(shù) | 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(fā)生過載 | |||
冷卻方式 | 智能風冷 | |||
噪音 | ＜ 65db（處于柜內(nèi)并運作于額定狀態(tài)） | |||
工作環(huán)境溫度 | -10℃～+45℃ | |||
工作環(huán)境濕度 | ＜85%RH 不凝結 | |||
安裝場合 | 室內(nèi)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 | IP20 | |||
智能通信接口 | 外加模塊 | |||
遠程監(jiān)控 | 可選 | |||
外形尺寸（mm） （W×D×H） | 30A | 50A | 75A | 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 | 75A、100A | 30A、50A | 75A、100A | |
280 | 360 | 240 | 290 | |
說明： 1、可以通過實測數(shù)據(jù)確定補償電流，或通過電力系統(tǒng)詳細信息（單線圖、變壓器、負荷情況等）計算出補償電流； 2、三線系統(tǒng)需配置2個或3個CT（用于A相和C相），四線系統(tǒng)需要配置3個CT（用于A相、B相和C相）。 | ||||
2.6 濾波方案選擇框圖
2.7 安裝技術要求
2.7.1 布置要求
ANAPF般為標準柜式結構，安裝時應避免倒置或平放，外形尺寸由所選諧波補償電流值決定，平面布置形式般由諧波電流補償點位置決定。其平面布置要求如下：
1）離墻安裝：正常情況下建議與低壓開關柜并列離墻布置，正面操作，雙面維護，背面維護通道不小于800mm。
2）靠墻安裝：ANAPF也可靠墻布置，正面操作，正面維護。
3）電氣設計人員在考慮系統(tǒng)接線及平面布置時應注意將ANAPF的補償接入點盡量靠近補償對象，并處于采樣CT的上游，或在末端預留空間供設計安裝，CT采樣處下游不能包含容性負荷。平面布置示意如下圖：
變電所平面布置圖
4）ANAPF所有正常情況下不帶電的金屬外殼均應根據(jù)設計要求的接地制式（TN-S、TN-C-S、TT等）嚴格做好相應的保護接零或保護接地。
2.7.2 互感器的安裝
1）互感器的P1端指向電網(wǎng)，P2端指向負載。
2）互感器與ANAPF的接線如下圖所示：
3）注意互感器的進出線要且方向正確。
4）安裝電纜規(guī)格如下表：
安裝電纜與CT采樣線截面積
型號 | 安裝電纜（mm2） | CT采樣線（mm2） | CT接地線（mm2） | 機柜接地線（mm2） |
ANAPF30A | 16 | 2.5 | 2.5 | 10 |
ANAPF50A | 25 | 2.5 | 2.5 | 16 |
ANAPF75A | 35 | 2.5 | 2.5 | 16 |
ANAPF100A | 50 | 2.5 | 2.5 | 16 |
2.8 主要應用范圍及場合
1）機場：主控室、計算機房、廣播系統(tǒng)、EIB燈光調(diào)光系統(tǒng)等。
2）醫(yī)院：ICU（重癥監(jiān)護室）、MRI（磁共振成像）、手術室、醫(yī)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(diào)光設備及其它控制設備的損壞。
4）學校：精密實驗室、機房、網(wǎng)絡中心等。
5）研究所：精密儀器、機房、高精密設備集中區(qū)域等。
6）大型商場：解決由于節(jié)能燈大量應用造成的諧波問題。
7）銀行：計算機中心、營業(yè)部計算機、安防系統(tǒng)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(chǎn)線的PLC、計算機控制設備、高精度機床、PCS系統(tǒng)、計量/稱重系統(tǒng)等。
11）電視臺：圖像設備、調(diào)光設備、計算機等。
3 有源電力濾波功能模塊介紹
3.1 控制器模塊
APF有源電力濾波裝置控制器主要由：DSP（數(shù)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(tǒng)對外通訊與系統(tǒng)保護等功能?？刂葡到y(tǒng)是有源濾波器的核心，它決定了有源電力濾波器系統(tǒng)的主要性能和指標。
3.1.1 命名規(guī)則
3.1.2 外形尺寸（單位：mm）
3.1.3 技術參數(shù)
輔助電源 | 電 壓 | AC220V（可波動范圍±10%） |
報警輸出 | 輸出方式 | 2路繼電器輸出（可編程） |
觸點容量 | AC250V/3A DC30V/3A | |
環(huán) 境 | 工作溫度 | -10~+50℃ |
存儲溫度 | -20~+70℃ | |
通 訊 | RS485接口，Modbus-RTU協(xié)議（兩路） | |
保護方式 | 模擬保護/數(shù)字保護 | |
3.2 變流器模塊
APF有源電力濾波裝置變流器的核心是儲能電容和IGBT模塊。變流器的作用主要是將電網(wǎng)的電壓經(jīng)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(wěn)定的值，在這個過程中變流器主要工作在整流狀態(tài)，當主電路產(chǎn)生補償電流時，變流器又工作在逆變狀態(tài)?？紤]到產(chǎn)品是在電網(wǎng)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(chǎn)品，以確保整機質量。變流器的選擇根據(jù)補償電流的大小而有所不同。
3.2.1 命名規(guī)則
3.2.2 外形尺寸（單位：mm）
產(chǎn)品型號 | 外形尺寸（長mm×寬mm×高mm） |
APFCOV-CVT30 | 325×330×428 |
APFCOV-CVT50 | |
APFCOV-CVT75 | |
APFCOV-CVT100 |
3.3 電抗器模塊
APF電抗器起濾波作用，濾除APF發(fā)出的電網(wǎng)不需要的諧波。電抗器可分為單相和三相，電流從15A到200A等多種規(guī)格。
3.3.1 命名規(guī)則
3.3.2 外形尺寸（單位：mm）
類別 | 產(chǎn)品型號 | 重量（Kg） | 外形尺寸（長mm×寬mm×高mm） |
單相 | APF-RE.DG-30 | 13 | 160×150（含引線）×200 |
APF-RE.DG-50 | 16.5 | 160×180（含引線）×220 | |
APF-RE.DG-75 | 35 | 220×220（含引線）×250 | |
APF-RE.DG-100L | 37 | 220×220（含引線）×250 | |
三相 | APF-RE.SDG-30 | 16 | 180×150（含引線）×195 |
APF-RE.SDG-50 | 46 | 310×180（含引線）×320 | |
APF-RE.SDG-75 | 86 | 380×230（含引線）×350 | |
APF-RE.SDG-100 | 88 | 380×230（含引線）×350 |
3.3.3 產(chǎn)品特點
l 鐵心采用低損耗硅鋼片；
l 線圈采用銅箔或鋁箔繞制；
l 絕緣采用H級，使用壽命更長，安全系數(shù)更高；
l 功率范圍寬：單臺可從15A到100A。
3.4 人機操作界面APF-HMI
APF柜在工作時，系統(tǒng)可以監(jiān)測其網(wǎng)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(xiàn)的問題，可以產(chǎn)生對應的事件記錄。HMI就是我司針對電力系統(tǒng)，工礦企業(yè)，公用設施,智能大廈的電力監(jiān)控需求而設計的種智能儀表，它采用高亮度TFT-LCD彩屏顯示界面，通過面板按鍵來實現(xiàn)參數(shù)設置和控制，集成全部電力參數(shù)的測量、的電能計量和考核管理、多種電力質量參數(shù)的分析。
3.4.1 外形尺寸（單位：mm）
3.4.2 產(chǎn)品特點
l 可直接從電壓、電流互感器接入信號，并可任意設置PT/CT變比；
l 四象限電能計量、復費率電能統(tǒng)計、大需量統(tǒng)計；
l 4.7''大屏幕TFT-LCD彩屏顯示480X272 16位色；
l 可配置SD卡記錄各種故障信息和多達200條的SOE事件記錄；
l 帶開關量輸入輸出，實現(xiàn)遙信和遙控功能；
l 可實現(xiàn)過壓、欠壓、過流、不平衡等報警功能，帶有兩路報警繼電器輸出；
l 可選配以太網(wǎng)、Profibus等各種通訊接口。
3.4.3 技術參數(shù)
技術參數(shù) | 指標 | |
輸入 | 網(wǎng)絡 | 三相三線、三相四線 |
頻率 | 45～65Hz | |
電壓 | 額定值：AC100V/400V | |
過負荷：1.2倍額定值（連續(xù)）；2倍額定值持續(xù)1秒 | ||
功耗：小于0.2VA | ||
電流 | 額定值：AC 1A、5A | |
過負荷：1.2倍額定值（連續(xù)）；10倍額定值持續(xù)1秒 | ||
功耗：小于0.2VA | ||
輸出 | 電能 | 輸出方式：集電極開路的光耦脈沖，1路輸出 |
脈沖常數(shù)：4000、8000imp/kWh | ||
通訊 | RS485接口、Modbus-RTU協(xié)議 | |
通訊 | 可選以太網(wǎng)、Profibus | |
報警 | 兩路繼電器輸出，對應過壓、欠壓、過流、不平衡等的報警功能 | |
顯示 | 4.7″大屏幕TFT-LCD彩屏顯示480*272 16位色 | |
開關量輸入 | 4路干接點輸入，內(nèi)置電源 | |
開關量輸出 | 輸出方式：2路繼電器常開觸點輸出 | |
觸點容量：AC250V/3A、DC30V/3A | ||
測量精度 | 頻率±0.05Hz、無功電能2級、其它0.5級 | |
電源 | AC/DC85-270V；功耗≤10VA | |
安全性 | 工頻耐壓：電源、電壓輸入回路兩兩之間AC2kV/1min;電源與開關量輸入回路、通訊回路、變送輸出回路這間AC2kV/1min絕緣電阻：輸入、輸出端對機殼﹥5MΩ | |
環(huán)境 | 工作溫度：-10℃～+45℃；儲存溫度：-20℃～+70℃ 相對濕度5%～95%不結露；海拔高度：≤2500m | |
3.4.4 接線端子
輔助電源 三相四線
三相三線 RS485通信
3.5 電流采樣互感器
3.5.1 型號說明
3.5.2 規(guī)格尺寸
尺寸 規(guī)格 | 外形尺寸（mm） | 安裝尺寸（mm） | 穿孔尺寸（mm） | 備 注 | |||||
W | H | D | M | N | a | e | 規(guī)格（A） | 重量（kg） | |
K-30×20 | 90 | 114 | 40 | 50 | 49.5 | 22 | 32 | 100-400 | 0.8-0.9 |
K-80×50 | 114 | 159 | 36 | 78 | 49.5 | 52 | 82 | 250-1000 | 1.25-1.4 |
K-80×80 | 144 | 159 | 36 | 108 | 49.5 | 82 | 82 | 250-1000 | 1.3-1.5 |
K-120×80 | 144 | 199 | 36 | 108 | 49.5 | 82 | 122 | 500-1500 | 1.6-1.8 |
K-120×60 | 164 | 214 | 52 | 108 | 49.5 | 62 | 122 | 300-3000 | 1.6-1.8 |
K-160×80 | 184 | 254 | 52 | 120 | 49.5 | 82 | 162 | 1000-5000 | 2.8-3.7 |
3.5.3 規(guī)格參數(shù)對照表
型 號 | 額定電流比（A） | 準確級 | 額定負荷（VA） |
K-30×20 | 100-150/5（1） | 1.0 | 1.0 |
200-300/5（1） | 0.5 | 1.5 | |
| 0.5 | 2.5 | |
K-80×50 | 250-300/5（1） | 1 | 1.5 |
400/5（1） | 0.5 | 1.5 | |
500-800/5（1） | 0.5 | 2.5 | |
1000/5（1） | 0.5 | 5 | |
K-80×80 | 250-300/5（1） | 1 | 1.5 |
400/5（1） | 0.5 | 1.5 | |
500-800/5（1） | 0.5 | 2.5 | |
1000/5（1） | 0.5 | 5 | |
| 500-800/5（1） | 0.5 | 2.5 |
1000-1200/5（1） | 0.5 | 5 | |
1250-1500/5（1） | 0.5 | 7.5 | |
K-120×60 | 300-400/5（1） | 0.5 | 2.5 |
400/5（1） | 0.5 | 2.5 | |
500/5（1） | 0.5 | 3.75 | |
600-800/5（1） | 0.5 | 5.0 | |
1000-1250/5（1） | 0.5 | 7.5 | |
1500-1600/5（1） | 0.5 | 10 | |
2000-3000/5（1） | 0.2 | 15 | |
K-160×80 | 1000/5（1） | 0.5 | 10 |
1500/5（1） | 0.5 | 15 | |
2000-2500/5（1） | 0.2 | 15 | |
3000-5000/5（1） | 0.2 | 20 |
4 應用方案
附錄
諧波抑制及治理的容量設計
1 諧波電流估算
諧波是由非線性設備產(chǎn)生的，而每種設備的實際工作狀態(tài)都不同。因此實際諧波電流需采用專門設備進行測量，考慮到設備的技術及經(jīng)濟性，設計諧波治理裝置的額定諧波補償電流應略大于系統(tǒng)諧波電流。由于諧波電流本身的測量與計算比較復雜，況且在設計時往往很難采集到足夠的電氣設備使用中的諧波數(shù)據(jù)，可以根據(jù)下列公式以對諧波電流進行估算。
其中K1為負荷率：即負荷占變壓器額定容量的比例，通常取0.7-0.8；
K2為諧波系數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)場合不同而不同；
ST為變壓器額定容量，單位kVA；
US為低壓系統(tǒng)電壓，般取0.4。
2 諧波補償裝置容量選型
補償電流選擇原則：根據(jù)估算得到諧波電流值。
如采用無源諧波抑制，可根據(jù)無功容量每千乏（kvar）折算成電流后按0.2-0.3的系數(shù)折算成諧波抑制電流，如100kvar消諧式無功補償電流為144A，按系數(shù)0.2折算即抑制28.8A的諧波電流。
如采用有源濾波裝置，可根據(jù)濾波方案選擇框圖中的估算值進行設計選型。
例：某公司配電變壓器容量為150kVA，變壓器變比為10/0.4kV，K1取值為0.8，K2取值為25%，試求選用電流等級為多少的有源濾波器即可滿足抑制諧波的需要。
根據(jù)電流諧波公式為：
考慮到要有定有裕量，選用50A的有源電力濾波器
故選用容量為35KVA的有源濾波器即可滿足抑制諧波的需求。
諧波限值
國標GB/T 14549-1993《電能質量 公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定的公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）限值見下表：
公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）限值
電網(wǎng)標稱電壓（kV） | 電壓總諧波畸變率（%） | 各次諧波電壓含有率（%） | |
奇 次 | 偶 次 | ||
0.38 | 5.0 | 4.0 | 2.0 |
6 | 4.0 | 3.2 | 1.6 |
10 | |||
35 | 3.0 | 2.4 | 1.2 |
66 | |||
110 | 2.0 | 1.6 | 0.8 |
注入公共連接點的諧波電流允許值
標稱電 | 基準短路 容量（MV.A） | 諧波次數(shù)及諧波電流允許值（A） | |||||||||||
2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | ||
0.38 | 10 | 78 | 62 | 39 | 62 | 26 | 44 | 19 | 21 | 16 | 28 | 13 | 24 |
10 | 100 | 26 | 20 | 13 | 20 | 8.5 | 15 | 6.4 | 6.8 | 5.1 | 9.3 | 4.3 | 7.9 |
| 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | |
0.38 | 10 | 11 | 12 | 9.7 | 18 | 8.6 | 16 | 7.8 | 8.9 | 7.1 | 14 | 6.5 | 12 |
10 | 100 | 3.7 | 4.1 | 3.2 | 6 | 2.8 | 5.4 | 2.6 | 2.9 | 2.3 | 4.5 | 2.1 | 4.1 |
公司地址：江蘇省江陰市南閘鎮(zhèn)東盟路5號
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：鮑靜君
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