諧波抑制與有源濾波裝置的應(yīng)用

安科瑞 徐玉麗 

江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇江陰 214405 

【摘要】：本文分析了電力系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的原因，總結(jié)了抑制諧波的措施；分析了無(wú)源濾波裝置和有源濾波裝置在諧波治理中的應(yīng)用；分析總結(jié)了有源濾波裝置的發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】：諧波  無(wú)源濾波器  有源濾波器  ANAPF

【正文】：

1  前言

在電力系統(tǒng)中，正常的電壓和電流波形應(yīng)當(dāng)是頻率為50Hz的正弦波，但是實(shí)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(shù)的飛速發(fā)展，諧波所造成的危害也日趨嚴(yán)重，諧波污染已成為阻礙電力技術(shù)發(fā)展的重大障礙之 [ 1 ]。

電力系統(tǒng)中諧波的產(chǎn)生大致有三種來(lái)源：（ 1）來(lái)源于發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)由于三相繞組在制作上很難做到對(duì)稱(chēng)，鐵心也很難做到均勻，以及其他些原因，發(fā)電機(jī)多少也會(huì)產(chǎn)生些諧波，但般來(lái)說(shuō)很少； （2）來(lái)源于輸配電系統(tǒng)。輸配電系統(tǒng)中主要是電力變壓器產(chǎn)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(xiàn)性的，變壓器鐵心常工作在磁通密度較高的區(qū)段，磁化曲線(xiàn)更陡，更易產(chǎn)生諧波。據(jù)統(tǒng)計(jì)由電力變壓器產(chǎn)生的諧波中，其中的3次諧波電流可達(dá)額定電流的15%；（ 3）來(lái)源于各種電氣設(shè)備。主要包括些電力電子整流設(shè)備，變頻裝置，電弧爐、電石爐，氣體放電類(lèi)電光源等等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由整流裝置產(chǎn)生的諧波占電力系統(tǒng)所有諧波的近40%，這是大的諧波源。

本文根據(jù)諧波產(chǎn)生的特點(diǎn)，總結(jié)了抑制諧波的措施，分析無(wú)源濾波裝置和有源濾波裝置在諧波治理中的應(yīng)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(shè)計(jì)的種新思路。

2　諧波治理

2.1　諧波治理的標(biāo)準(zhǔn)

諧波的危害和影響引起了世界各國(guó)高度重視，為了保證電網(wǎng)和用電設(shè)備的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，目前許多國(guó)家、組織以及些大電力公司都制定了相應(yīng)的諧波標(biāo)準(zhǔn)。

GB/T14549-1993 《電能質(zhì)量：公用電網(wǎng)諧波》[ 2 - 3]

GB/T15543-2008 《電能質(zhì)量：三相電壓允許不平衡度》

GB/T12325-2008 《電能質(zhì)量：供電電壓允許偏差》

GB/T12326-2008 《電能質(zhì)量：電壓波動(dòng)和閃變》

GB/T18481-2001 《電能質(zhì)量：暫時(shí)過(guò)電壓和瞬態(tài)過(guò)電壓》

GB/T15945-2008 《電能質(zhì)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(wú)功功率靜態(tài)補(bǔ)償裝置總技術(shù)條件》

各諧波標(biāo)準(zhǔn)宗旨大同小異，都是基于以下三個(gè)目的：

（1）將電力系統(tǒng)電流和電壓波形的畸變控制到系統(tǒng)及其所接設(shè)備能夠允許的水平。

（2）以符合用戶(hù)需要的電壓波形向用戶(hù)供電。

（3）不干擾其他系統(tǒng)（如通訊系統(tǒng)）的正常工作。

2.2　諧波治理的措施

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

目前應(yīng)用較廣的是采用被動(dòng)治理的措施，外加濾波裝置。目前主要方式為無(wú)源濾波器和有源濾波器，以阻止諧波源產(chǎn)生的諧波注入電網(wǎng)，或者阻止電力系統(tǒng)的諧波流入負(fù)載端。

雖然無(wú)源濾波器具有投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)階段廣泛用于配電網(wǎng)中，但由于濾波器特性受系統(tǒng)參數(shù)影響大，只能特定的幾次諧波，而對(duì)某些次諧波會(huì)產(chǎn)生放大作用，甚至諧振現(xiàn)象等技術(shù)缺陷，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，人們將濾波研究方向逐步轉(zhuǎn)向有源濾波器。

相比無(wú)源濾波器，有源濾波器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）濾波性能不受系統(tǒng)阻抗的影響。

（2）不會(huì)與系統(tǒng)阻抗發(fā)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化不會(huì)影響治理效果。

（3）原理上比PPF更為*，用臺(tái)裝置就能完成各次諧波的治理。

（4）可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)治理，能夠迅速響應(yīng)諧波的頻率和大小發(fā)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(huì)過(guò)載。

（6）具備多種補(bǔ)償功能，可以對(duì)無(wú)功功率和負(fù)序進(jìn)行補(bǔ)償。

（7）諧波補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)頻率變化的影響。

（8）可以對(duì)多個(gè)諧波源進(jìn)行集中治理。

安科瑞公司ANAPF系列有源電力濾波裝置作為種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)功的新型電力電子裝置，它能夠?qū)Υ笮『皖l率都變化的諧波以及變化的無(wú)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(wú)功補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)（傳統(tǒng)的只能固定補(bǔ)償），實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，而且可以既補(bǔ)諧波又補(bǔ)無(wú)功，是諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償?shù)募堰x擇，是確保電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的有力保障。

3　ANAPF系列有源電力濾波裝置

作為供電質(zhì)量的項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，目前有源電力濾波器在日本、美國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家已廣泛用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)生產(chǎn)部門(mén)，并且諧波補(bǔ)償?shù)拇螖?shù)逐步提高，單機(jī)裝置的容量也逐步提高，其應(yīng)用領(lǐng)域正從補(bǔ)償用戶(hù)自身的諧波向整個(gè)電力系統(tǒng)供電質(zhì)量的方向發(fā)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(lián)的方式接入電網(wǎng)，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載的諧波和無(wú)功分量，采用PWM變流技術(shù)，從變流器中產(chǎn)生個(gè)和當(dāng)前諧波分量和無(wú)功分量對(duì)應(yīng)的反向分量并實(shí)時(shí)注入電力系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償。（見(jiàn)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(shù)參數(shù)

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(shù)字信號(hào)處理器）、FPGA邏輯器件、AD信號(hào)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(lái)完成電壓、電流等信號(hào)的采集和處理、指令電流的計(jì)算、開(kāi)關(guān)電路的生成、PWM信號(hào)的輸出、系統(tǒng)對(duì)外通訊與系統(tǒng)保護(hù)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(biāo)。

u 變流器模塊APFCOV

其核心是儲(chǔ)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(chǔ)能電容充電，使母線(xiàn)電壓維持在某個(gè)穩(wěn)定的值，在這個(gè)過(guò)程中變流器主要工作在整流狀態(tài)，當(dāng)主電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流時(shí)，變流器又工作在逆變狀態(tài)?？紤]到產(chǎn)品是在電網(wǎng)中長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的，因此直流支撐電容采用薄膜電容，功率模塊采用德國(guó)原裝產(chǎn)品，以確保整機(jī)質(zhì)量。變流器的選擇根據(jù)補(bǔ)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(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。

u 人機(jī)操作界面APF-HMI

APF柜在工作時(shí)，系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)其網(wǎng)側(cè)電流、APF橋臂電流以及負(fù)載側(cè)電流，用戶(hù)可以通過(guò)HMI來(lái)對(duì)APF的運(yùn)行模式進(jìn)行設(shè)置，對(duì)于運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題，可以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的事件記錄。HMI就是我司針對(duì)電力系統(tǒng)，工礦企業(yè)，公用設(shè)施,智能大廈的電力監(jiān)控需求而設(shè)計(jì)的種智能儀表，它采用高亮度TFT-LCD彩屏顯示界面，通過(guò)面板按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和控制，集成全部電力參數(shù)的測(cè)量、的電能計(jì)量和考核管理、多種電力質(zhì)量參數(shù)的分析。

u 配套的電流采樣互感器AKH-0.66-K

3.4　技術(shù)優(yōu)勢(shì)

l DSP+FPGA全數(shù)字控制方式，具有極快的響應(yīng)時(shí)間；

l 的主電路拓?fù)浜涂刂扑惴?，精度更高、運(yùn)行更穩(wěn)定；

l 機(jī)多能，既可補(bǔ)諧波，又可兼補(bǔ)無(wú)功；

l 模塊化設(shè)計(jì)，便于生產(chǎn)調(diào)試；

l 便利的并聯(lián)設(shè)計(jì)，方便擴(kuò)容；

l 具有完善的橋臂過(guò)流、保護(hù)功能；

l 使用方便，易于操作和維護(hù)。

3.5　有源濾波器報(bào)價(jià)及元件清單

4　ANAPF有源電力濾波裝置的應(yīng)用

有源電力濾波器可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)和機(jī)關(guān)團(tuán)體的配電網(wǎng)中，如：電力系統(tǒng)、電解電鍍企業(yè)、水處理設(shè)備、石化企業(yè)、大型商場(chǎng)及辦公大樓、精密電子企業(yè)、機(jī)場(chǎng)/港口的供電系統(tǒng)、醫(yī)療機(jī)構(gòu)等。根據(jù)應(yīng)用對(duì)象不同，ANAPF系列有源電力濾波裝置的應(yīng)用將起到保障供電可靠性、降低干擾、提高產(chǎn)品質(zhì)量、增長(zhǎng)設(shè)備壽命減少設(shè)備損壞等作用。

4.1　主要應(yīng)用范圍及場(chǎng)合

1）機(jī)場(chǎng)：主控室、計(jì)算機(jī)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(hù)室）、MRI（磁共振成像）、手術(shù)室、醫(yī)學(xué)成像室、放療科等。

3）劇場(chǎng)、體育館：解決由于諧波造成的EIB調(diào)光設(shè)備及其它控制設(shè)備的損壞。

4）學(xué)校：精密實(shí)驗(yàn)室、機(jī)房、網(wǎng)絡(luò)中心等。

5）研究所：精密儀器、機(jī)房、高精密設(shè)備集中區(qū)域等。

6）大型商場(chǎng)：解決由于節(jié)能燈大量應(yīng)用造成的諧波問(wèn)題。

7）銀行：計(jì)算機(jī)中心、營(yíng)業(yè)部計(jì)算機(jī)、安防系統(tǒng)等。

8）稅務(wù)、工商：大型計(jì)算機(jī)中心等。

9）電信機(jī)房：移動(dòng)基站

10）工廠(chǎng)：生產(chǎn)線(xiàn)的PLC、計(jì)算機(jī)控制設(shè)備、高精度機(jī)床、PCS系統(tǒng)、計(jì)量/稱(chēng)重系統(tǒng)等。

11）電視臺(tái)：圖像設(shè)備、調(diào)光設(shè)備、計(jì)算機(jī)等。

4.2　ANAPF有源電力濾波裝置應(yīng)用實(shí)例

u 項(xiàng)目背景

某企業(yè)是家單晶硅制造企業(yè)。單晶硅建設(shè)項(xiàng)目具有巨大的市場(chǎng)和廣闊的發(fā)展空間。近年來(lái)，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(guān)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，成為當(dāng)代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的支柱，并使信息產(chǎn)業(yè)成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展中增長(zhǎng)快的先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。其生產(chǎn)工藝多分熔融加熱或直流加熱，由于采用半導(dǎo)體可控整流方式，本身工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生非常大量的電流諧波，對(duì)電網(wǎng)造成諧波污染，這些諧波使得精密儀器精度失準(zhǔn)甚至誤動(dòng)作，破壞了系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償，造成系統(tǒng)供電損耗的增加及損壞補(bǔ)償電容器等，對(duì)于單晶硅復(fù)雜的生長(zhǎng)過(guò)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(wǎng)的品質(zhì)間接決定著單晶硅成品材料的品質(zhì)，幾乎所有的單晶硅制造生產(chǎn)線(xiàn)都面臨諧波問(wèn)題

u 治理方案

針對(duì)電能質(zhì)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，并終確定在3#變壓器下進(jìn)行試點(diǎn)，采用ANAPF有源電力濾波裝置，自動(dòng)跟蹤治理負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流，保證整個(gè)系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

以下是ANAPF有源濾波器投入前后的現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比數(shù)據(jù)：

1）三相電壓波形前后對(duì)比，見(jiàn)圖2、圖3。

2）三相電壓諧波含量前后對(duì)比，見(jiàn)圖4、圖5。

3）三相電流波形前后對(duì)比，見(jiàn)圖6、圖7。

4）三相電流諧波含量前后對(duì)比，見(jiàn)圖8、圖9。

圖2 有源濾波器投入前相電壓波形                圖3 有源濾波器投入后相電壓波形

圖4 有源濾波器投入前相電壓諧波含量          圖5 有源濾波器投入后相電壓諧波含量

圖6 有源濾波器投入前相電流波形               圖7 有源濾波器投入后相電流波形

圖8 有源濾波器投入前相電流諧波含量           圖9 有源濾波器投入后相電流諧波含量

從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的有源濾波器投入前后的數(shù)據(jù)可以看出，有源濾波器投入運(yùn)行后，電壓和電流諧波明顯降低，電壓諧波由原來(lái)的4.7%降到2.4%，電流諧波由原來(lái)的18.4%降到5.0%，諧波電流有效值從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(chǎn)的質(zhì)量，該企業(yè)決定在后期改建工程中全部采用ANAPF有源濾波器。

5 結(jié)束語(yǔ)

諧波治理是電能質(zhì)量問(wèn)題的核心內(nèi)容之，也是現(xiàn)代電力生產(chǎn)發(fā)展的迫切需要。有源電力濾波器經(jīng)過(guò)二、三十年的發(fā)展已成為補(bǔ)償電力系統(tǒng)諧波及無(wú)功功率的重要裝置[ 4 – 5 ]。目前在實(shí)際應(yīng)用中，并聯(lián)型APF是比較成熟的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是優(yōu)選的方案；串聯(lián)型APF電路在工作時(shí)需流過(guò)全部的正常負(fù)載電流，損耗比較大，而且投切、故障后退出及各種保護(hù)電路也比較復(fù)雜；串、并聯(lián)型APF當(dāng)前的主要問(wèn)題是控制復(fù)雜，造價(jià)高。

從近年來(lái)的研究和應(yīng)用中可以看出，APF具有如下的發(fā)展趨勢(shì)：

（1）通過(guò)采用PWM調(diào)制和提高開(kāi)關(guān)器件等效開(kāi)關(guān)頻率的多重化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高次諧波的有效補(bǔ)償；

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

（3）隨著半導(dǎo)體器件制造水平的迅速發(fā)展，混合型濾波系統(tǒng)低成本的優(yōu)勢(shì)將逐漸消失，而并聯(lián)APF由于其功能強(qiáng)大、性?xún)r(jià)比高，將是很有發(fā)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(duì)電能質(zhì)量的日益重視，APF也將在工業(yè)系統(tǒng)的高壓領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

隨著我國(guó)電力事業(yè)的發(fā)展，電能質(zhì)量的要求將不斷提高，利用APF進(jìn)行電能質(zhì)量治理有著巨大的市場(chǎng)潛力。特別是在補(bǔ)償諧波、無(wú)功功率，以及中線(xiàn)電流、不平衡電流等方面，有源濾波技術(shù)必將擁有更加廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[ 1 ] 　王兆安,楊軍,劉建軍. 諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償[M ]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 1993.

[ 2 ] 　電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波GB /T14549 - 93 [ S]. 1993.

[ 3 ] 　電力工業(yè)部,供電營(yíng)業(yè)規(guī)則[ S]. 1996.

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

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

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