有源滤波器实验报告

浅析谐波危害与有源滤波 安科瑞鲍静君

摘要：谐波的出现，对于电力系统运行是一种“污染”，它们降低了系统电压、电流正弦波形的质量，不但严重地影响电力系统自身运行，而且还危及用户和周围的通信系统。本文通过分析谐波的危害，并提出采用有源电力滤波器进行谐波治理的方案。

关键词： 污染；谐波危害；有源电力滤波器；治理

0 引言

近半个世纪以来，随着电力电子设备的推广应用，非线性负荷的迅速增加，特别是高压直流输电的运用，使得谐波污染问题日趋严重，并因此受到人们普遍的关注和重视。减小谐波影响的技术措施可以从两方面入手：一是从谐波源出发，减少谐波的产生；二是安装滤波装置。常见的滤波器包括无源滤波器和有源滤波器。然而，无源滤波器的滤波效果依赖于系统阻抗特性，并容易受温度漂移、网络上谐波污染程度、滤波电容老化及非线性负荷的影响，且仅能对特定的谐波进行有效地衰减，而出于经济和占地面积方面的考虑，滤波器个数均是有限的，所以对谐波含量丰富的场合，无源滤波器的滤波效果往往不够理想。有源电力滤波器采用开关变换器消除谐波电流，克服了无源滤波器的缺点。有源电力滤波器有着无源滤波器无可比拟的技术优势，因此越来越受到人们的关注。

1 谐波的产生与危害

由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，尤其是非线性电力设备如有UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器等。由于正弦电压加压于非线性负载，使得基波电流发生畸变产生谐波。主要谐波产生源见表1-1。

表1-1  谐波产生源

谐波使公用电网中的元件产生附加的损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率。大量三次谐波流过中线会使线路过热，甚至引起火灾。谐波会影响电气设备的正常工作，使电机产生机械振动和噪声等，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以致损坏。谐波会导致继电保护，特别是微机综合保护器与自动装置误动作，造成不必要的供电中断和生产损失；谐波还会使电气测量仪表计量不准确，产生计量误差，给用电管理部门或电力用户带来经济损失。临近的谐波源或较高次谐波会对通信及信息处理设备产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量，计算机无法正常工作；重则导致信息丢失，使工控系统崩溃。

据美国官方统计：近20年来，全球范围内因电能质量引起的重大电力事故已达20多起，每年因电能质量扰动和电气环境污染引起的经济损失高达300亿美元！2000年4月10日，晋东南电网因运行方式的需要，220kV霍长线停电检修，220kV长治变由漳泽电厂通过220kV漳长I回单独供电，向地区网输送140MW，系统运行正常；20时18分，太焦电铁三座牵引站产生的谐波和负序电流经110kV系统注入220kV系统，引起该线路送漳泽电厂出线211开关的JGX—11A型晶体管相差高频保护误动作，造成晋东南电网瓦解和大面积停电事故，巴公电厂周波降为45.7Hz，与电网解列44分钟，晋东南11个变电站停电，电气铁道停电20多分钟，电网和用户均受到较大的损失。

谐波所产生的危害如此之严重，世界各国都对谐波问题予以充分关注。上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。国标GB/T 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》规定的公用电网谐波电压（相电压）限值见表1-2：

表1-2  公用电网谐波电压（相电压）限值

 2 有源电力滤波器

有源电力滤波器（APF：Active Power Filter）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对不同大小和频率的谐波进行快速跟踪补偿。之所以称为有源，是相对于无源LC滤波器，只能被动吸收固定频率与大小的谐波而言，APF可以通过采样负载电流并进行各次谐波和无功的分离，控制并主动输出电流的大小、频率和相位，并且快速响应，抵消负载中相应电流，实现了动态跟踪补偿，而且可以既补谐波又补无功和不平衡。

安科瑞电气股份有限公司开发的ANAPF系列有源电力滤波器，以并联方式接入电网，通过实时检测负载的谐波和无功分量，采用PWM变流技术，从变流器中产生一个和当前谐波分量和无功分量对应的反向分量并实时注入电力系统，从而实现谐波治理和无功补偿，原理如图2-1所示：

图2-1  ANAPF有源电力滤波器原理图 

安科瑞ANAPF有源电力滤波器的技术参数和报价方案分别见表2-1和表2-2。

 表2-1   ANAPF有源电力滤波器技术参数

 表2-2  ANAPF有源滤波器报价及主要元件清单

注：以上技术参数或器件名称、数量如有更改，恕不另行通知。

 3 有源滤波方案及案例

使用有源电力滤波器进行谐波治理，主要有集中、局部和就地补偿三种方案。集中补偿适用于单台设备谐波含量小，但设备数量多、布局分散的场合，比如办公大楼(主要设备是个人电脑、节能灯、变频空调、电梯等)，虽然单台设备的电流小，谐波含量低，但整栋大楼的电流大，谐波电流也大。局部补偿适用于谐波源集中在某一条或几条馈出支路的配电系统，比如医院的精密仪器、UPS电源等，虽然单台设备的电流小，谐波含量低，但为防止其他设备产生的谐波对其干扰，采用局部谐波补偿。就地补偿适用于谐波源比较明确且单台设备谐波含量较大的配电系统，比如大型商业区的景观照明、影剧院的可控硅调光设备、工业区的变频器调速设备等，单台设备电流大、谐波含量高、谐波电流大，为防止谐波电流影响其他用电设备，采用就地补偿。

上海某工厂办公大楼内安装有大量的节能灯，另外还有变频空调、电梯等负载，产生了大量的电流谐波，导致变压器容量不足，夏季、冬季经常出现跳闸、烧保险丝的情况，严重影响办公。安科瑞电气股份有限公司派工程师对其进行现场测量，测量数据如图3-1所示。从图中可以看到电流波形严重畸变，A、B、C三相电流谐波畸变率分别为19.7%、27.8%、26.6%，远远超于国标GB/T 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》的相关规定。同时三相负载明显不平衡。经分析得知电流谐波主要是由于一次回路后段照明配出回路和变频空调等动力回路产生，应采用局部补偿的方法进行治理，型号为ANAPF50-380/BGL的有源电力滤波器适用于该办公大楼的谐波治理。方案如图3-2所示。

图3-1  治理前电流波形与谐波数据

图3-2  ANAPF局部补偿方案图

 4 谐波治理效果

ANAPF投入运行后，得到如图4-1所示的理想波形和测试数据，相电流最大值从64A降低到47A，N线电流从治理之前的37A降到了5A，实现了三相基本平衡，电流谐波畸变率降低到3.4%以下。同时系统功率因数也从之前的0.87升到了0.99。自从使用ANAPF有源电力滤波器之后，该办公大楼整个冬季没有出现跳闸、烧保险丝的情况，使得变压器的容量得到了充分利用。

图4-1  治理后电流波形与谐波数据

参考文献

[1]能源部电力司.GB/T14549-93电能质量 公用电网谐波[S].北京：中国标准出版社，1994.

[2]季晓春.有源滤波器的原理和选型计算.

[3]安科瑞电气有源电力滤波器选型手册2014.1版.

板载式ANAPF有源滤波器产品介绍  安科瑞鲍静君

1 引言

    近年来，电力电子技术不断地创新、发展，电力电子技术已被广泛应用于人们的生活、学习、工作中，常用的充电装置、计算机、UPS等都是电力电子技术发展的产物。这些设备的发明和使用给社会带来极大的便利，但随着这些设备的大量应用，电能质量问题也十分突出。谐波作为目前危害电能质量的首要因素，受到了供用电双方的高度重视。社会上已经有许多电能质量解决方案，并已经形成一个规模庞大的产业，安科瑞电气就是其中的领先者。

2 谐波的产生和治理

    谐波是什么？谐波通俗的来说就是指电流中所含有的频率为基波整数倍的电量，我们常说的N次谐波，它们的频率就是基波的N倍；从广义上来说，任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波，这也就是为什么有时会有“间谐波”（非整数倍工频频率）的说法。

2.1 谐波的产生

    在只含线性元件（电阻等）的线路中，流过的电流与施加的电压成正比，电流波形为正弦波。而谐波产生的根本原因就是由于电力系统中某些设备和负荷的非线性特性，即所加的电压与产生的电流不成正比关系造成的波形畸变。当电力系统向含有非线性元器件的设备供电时，这些设备不光变换、吸收系统的电能，还会把部分基波转换成谐波，倒送入系统，污染电网。生活中常有的照明灯光、电视画面明暗闪烁等情况，都和谐波有关。

2.2 谐波的危害

    在输配电网络中，谐波会降低变压器容量、减小线缆载流能力，严重时会造成突然电力中断，造成重大社会经济损失；在生产企业中，谐波会干扰通讯信号，还会引起元器件误动作，降低设备稳定性导致残次品率增加，还会加速设备老化缩短使用寿命，严重时可能损坏设备甚至引起火灾。

2.3 产生谐波的设备

产生谐波的设备一般是非线性设备，主要分为以下几类：

    （1） 具有铁磁饱和特性的铁芯设备，如变压器、电抗器等；

    （2） 以具有强烈非线性特性的电弧为工作介质的设备，如气体放电灯、交流弧焊机、炼钢电弧炉等；

    （3） 以电力电子元件为基础的设备，如开关电源、变流装置、调压装置等。

一些常见的产生谐波的负载及其谐波量可参见表1。

表1常见谐波负载的谐波含量

2.4 谐波治理方案

    目前谐波治理的措施主要有3种：受端治理，即从受到谐波影响的设备或系统出发，提高他们的抗谐波干扰能力；主动治理，即从谐波源本身出发，使谐波源不产生或减少谐波；被动治理，即外加滤波装置阻止谐波注入电网。被动治理是目前采用最广泛的谐波治理方案。

    外加的滤波装置有两种，分别是无源滤波装置和有源滤波装置，他们各有优缺点。无源滤波装置结构简单，安装方便，初期投入小，但是只能滤除固定次数的谐波且易与电网发生谐振；有源滤波装置结构复杂，造价较高，但是补偿效果好，后期维护方便，维护成本低。所以安装有源滤波装置是目前被广泛应用的谐波治理方式。 

3 板载式有源滤波装置产品介绍

    ANAPF板载式有源滤波装置是我公司研发的电能补偿装置的一种，采用现代电力电子技术，基于高速全数字控制方式的数字信号处理技术制成的新型电力谐波治理专用设备。它由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个主要部分组成。与传统无源滤波器（相当于给谐波电流提供了接近于0的极低阻抗通道，以免谐波电流注入系统）相对比，有源滤波装置通过IGBT逆变模块实现了各次谐波的动态滤除。

3.1 ANAPF板载式有源滤波装置工作原理

    ANAPF板载式有源滤波装置可以通过外部电流互感器，实时检测负载电流，并通过内部DSP计算，提取并计算出负载电流的谐波成分，然后通过PWM信号发送给内部IGBT，控制逆变器产生一个和负载谐波电流大小相等，方向相反的谐波电流注入到电网中抵消对应谐波电流，达到滤波目的。工作原理图及补偿示意如图1所示。 

图1 ANAPF工作原理及对应波形示意

3.2 ANAPF板载式有源滤波装置结构介绍及优势分析

    ANAPF板载式有源滤波装置相较于公司前期的立柜式产品来说，体积更小、重量更轻、方便安装、更美观，这对产品的结构安排和内部集成度有了更高的要求。我司生产的ANAPF有源滤波装置分为两种安装方式 ，其主要参数如下：

壁挂式板载模块外观如图2所示：

抽屉式板载模块外观如图3所示：

    其中壁挂式结构适用于负荷容量较小或场地紧凑的场合，一般推荐为单台独立运行时使用；抽屉式结构多采用多模块并联安装在抽屉柜体中的安装方式，可根据实际补偿容量需求增减柜体内模块数量，适用于大负荷容量的场合。目前我司常规产品最大为6个模块组合，并且正在向更多模块数，更大容量化方面研究与发展。其抽屉柜安装效果图如图4所示。

    该方式相对于传统整柜式有以下几项优点：

    （1）每个模块容量为50A（可在适当范围内浮动），相同的柜体格局下有更多容量选择，并可根据客户实际需求增加模块数量至6个以上（需加宽柜体尺寸，效果可参照图5）；

    （2）可根据负载使用变化随时增、减APF设备的容量（加、减模块数量即可，并对人机界面作相应参数设置）；

    （3）每个模块单独安装散热单元，并可在柜体上加装散热风扇，散热效果良好，故障率低；

    （4）多个模块之间虽有通讯连接，但各台的故障并不会相互影响其它模块继续工作（补偿容量会相应减小）；

    （5）后期维护方便，可实现故障模块单独维修、更换；维护期间ANAPF有源滤波装置可持续工作。

    （6）结构精巧，设计灵活，可作为零部件（模块）单独购买，嵌入三方柜体；柜型外观、尺寸的改变基本不影响内部安装和整体使用效果。

    （7）生产周期短，即使是非常规要求产品亦能保证及时投入使用，确保客户经济利益。

图4 模块化组合式安装示意图             图5 两列模块组装效果示意图       

3.3 ANAPF板载式有源滤波装置的补偿效果

    下面是某负载的产品应用效果图，其谐波含量在26%左右，通过电能质量分析仪PW3198的分析可以帮助我们很直观的看到补偿效果。

补偿前网侧谐波畸变率                 补偿前网侧谐波畸变率

    补偿后谐波电流含量仅为4%，低于国标对0.38KV电网的要求5%，以C相为例，对应的各次谐波含量清单如下：

补偿前C相各次谐波含量                补偿后C相各次谐波含量

    从波形来看效果可以更直观的看到补偿效果：补偿前电流波形为M形，补偿后已变为正弦波，效果良好。  

补偿前电压电流波形                  补偿前电压电流波形

3.4 ANAPF板载式有源滤波装置的型号选择

    该产品为并联型有源电力滤波器，其命名方式为：

    其中谐波补偿电流的大小可安排售前工程师协助测量或根据变压器容量和行业类型自行估算后选择，计算方法见公式（1）。

4 结束语

    ANAPF板载式有源滤波装置在原有立柜、抽屉、壁挂式产品基础上，进一步缩小了体积并减轻重量；由于其采用了高集成化模块设计，后期维护变得更加轻松、便利，而且治理效果也更显着。其不仅能治理谐波，也能补偿无功：有效地治理谐波，可改善电能质量使设备误动作率大大降低，从而提高电气设备利用率和产品合格率，既保证了电网安全运行，又能降低用户的电力损耗；而有效地补偿无功，使功率因数高达0.98以上，则避免了用户因功率因数不足而被罚款，也为用户带来了可观的经济收益。由此可见，选用ANAPF板载式产品，对电网设施和用户设备都有极大的益处，可以说是实现了供用电双方的共赢。

【参考资料】

安科瑞电能质量监测与治理选型手册。2015.08版

安科瑞电气股份有限公司产品手册.2013.01.版