技術文章

當前位置：首頁技術文章有源電力濾波器在小區配電系統中的應用與選型

有源電力濾波器在小區配電系統中的應用與選型

更新時間：2023-09-04

點擊次數：413

吳柯霓

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定 201801

摘要:隨著科學技術的發展，大量的電力電子裝置廣泛的應用于工業的冬個領域，給工業帶來了翻天覆地的變化，但大量電力電子裝置的廣泛應用，同時也給電力系統這個環境帶來了嚴重的“污染"，其根本原因就是電力電子裝置是非線性負荷，在系統中運行會產生諧波，造成十分嚴重的危害。有源電力濾波器(ActivePowerFilter)是目前研究比較深入的一種裝置，它是一種用于動態補償，既可抑制諧波，又可以補償無功的新型電力電子裝置，它能對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償，其應用可克服LC濾波器等傳統的諧波抑制和無功補償方法的缺點。

關鍵詞:有源電力濾波器APF;小區配電網;諧波源

1導言

有源濾波器采用的是現代電力電子技術、數字信號處理技術和先進控制理論的電力技術，它有助于電網諧波的動態性實時補償，是目前解決諧波污染、改善電能質量*有效和*具潛力的途徑之一。一直以來諧波問題只在工業領域受到重視，在小區配電網中很少受到關注。有調查結果表明，小區配電網諧波污染程度已經非常嚴重，且有逐年加劇的形勢。因此，小區配電網的諧波治理勢在必行。

2低壓配電網的主要諧波源

隨著現代工業技術和民用建筑行業的快速發展,配電網中非線性負荷迅速增加。各種非線性和時變性電子變流器如逆變器、整流器和各種開關電源在工業生產和日常生活中得到越來越廣泛地應用,其對電網的污染也日益嚴重,這些裝置從電網中消耗大量的無功功率,并產生大量的諧波分量注入電網,導致電網的電壓和電流波形嚴重變形,從而逐漸成為配電網中*主要的諧波源。而在低壓配電網中,民用和商業用電量所占的比例日益增大,各種辦公自動化設備和家電的日益普及,雖然這些電器單個的功率并不大,向電網注入的諧波很小,但由于總體數量龐大且工作同時性強,它們向電網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的主要諧波污染源之一。

3諧的治方案

3.1主動型治理方案

常見的主動型治理方案就是采用高功率因數變流器。電力電子裝置是電力系統中*主要的諧波源,抑制諧波*直接的的途徑,就是開發新型變流器一一單位功率因數變流器(UnityPowerFactorConverter),這種變流器在工作過程中不產生諧波,且功率因數為1。高功率因數變流器可近似看成為單位功率因數變流器。采用多重化技術可以有效地減少變流器諧波,其原理是:多個方波的疊加可以消除次數較低的諧波,從而得到近似正弦波的階梯波,重數越多,所得波形越接近正弦波,但電路結構也越復雜。如果將多重化技術與PWM技術相配合,可取得更加理想的結果。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用于大容量場合。

3.2被動型治理方案

1)傳統的諧波補償裝置就是采用由電感電容串并聯構成的LC調諧濾波器,結構如圖1所示.利用諧振原理對特定次數諧波電流形成低阻抗,達到對諧波電流的分離,使其不注入電網。這種方法既可抑制諧波,又可補償無功功率,而且結構簡單,已經被廣泛使用于電力系統。然而,這種諧波補償裝置的補償性能受電網阻抗和運行狀態影響,因其與系統的并聯連接方式，容易發生并聯諧振,使諧波電流放大,導致LC濾波器過載甚至燒毀。此外,固定的拓撲結構決定這種濾波器只能對固定頻率的諧波進行補償,且補償效果并不理想。盡管如此,因其結構簡單、價格低廉等優勢,LC濾波器目前仍是補償諧波*主要的方案。

a544e6c855a295648c8eb56cca05d36f_17aff2ff6d1c43a2a9b2ac7cdb5d40dd.png

圖1 LC濾波器結構示意圖

現今越來越流行的一種抑制諧波的被動型方案,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。其基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流,由補償裝置產生一個與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流注入電網,與諧波源注入電網的諧波電流相抵消,從而使電網電流不含諧波分量、只含基波分量。這種濾波器能對幅值和頻率都變化的諧波進行實時跟蹤補償,且補償性能不受電網阻抗的影響,因而受到很大的重視。

圖2 有源電力濾波器原理圖

4 小區網產及

4.1 小區配電網諧波產生的原因

正弦電壓作用在非線性負載上產生的電流不是標準正弦電流，而是發生了畸變。根據傅里葉級數理論，可以將負載電流進行傅里葉積分，分解出以基波頻率為基礎的各次諧波，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備多數都是非線性負載，所以在使用過程中都會產生諧波。2、小區配

4.2 電網諧波的危害

1)引起零序諧波，并造成三相不平衡，降低供電質量:

2)使配電變壓器產生附加功率損耗、發熱量增加，誘發變壓器故障;

3)加速絕緣介質老化，引起配電網短路故障，甚至造成人身傷害:

4)對斷路器、熔斷器、繼電器等設備產生干擾，造成其誤動，降低供電可靠性:5)引發無功補償設備諧振，導致無功補償設備無法投切，功率因數無法提高:

6)使電氣計量和測量的誤差加大:

7)縮短電器設備的使用壽命:

4.3 APF用于小區配電網

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電路及補償電流發生電路(由補償電流控制電路、驅動隔離電路和主電路三個部分構成)。前者的作用是檢測出負載電流中的諧波和無功分量;后者的作用是根據檢測出來的諧波和無功電流等產生相應的補償電流。

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電路及補償電流發生電路(由補償電流控制電路、驅動隔離電路和主電路三個部分構成)。前者的作用是檢測出負載電流中的諧波和無功分量;后者的作用是根據檢測出來的諧波和無功電流等產生相應的補償電流。諧波無功電流檢測電路將負載電流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生出補償電流iC的調制波信號iC*，也就是指令信號iC*=iLh+iLq。補償電流控制電路根據iC*的值輸出觸發脈沖，通過驅動隔離電路驅動主電路的功率開關，使其創建出補償電流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，從而達到消除諧波和補償無功功率的目的。根據此原理，對于三相APF，還能對電流的不對稱度和負序電流等進行補償

2)有源電力濾波器APF實際應用效果

圖3為某小區配電室加裝有源電力濾波器前后電壓、電流波形對比。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，電壓波形得到改善，提高了供電質量。

18a3f5d07aaf67fe2fcfb09300858f12_464efb07dee44e2ba3020c4664d0c207.png

圖3 某小區使用APF前后電壓、電流波形對比

5 有源電力濾波器APF的使用成效

1)諧波得到有效消除，提高供電電能質量:

2)減少3、5、7次諧波流入上級電網，避免造成諧波污染的進一步危害:3)減少諧波造成的停電事故，保障安全、優質、穩定供電;

4)少諧波對配電設備的損害，降低維護工作量和維護檢修費用:

5)諧波無功功率得到補償，同時保障基波無功功率補償，提高供電能力。

6 安科瑞APF有源濾波器產品選型

6.1 產品特點

（1）DSP+FPGA控制方式，響應時間短，全數字控制算法，運行穩定；

（2）一機多能，既可補諧波，又可兼補無功，可對2～51次諧波進行全補償或或對應特定次諧波進行補償；

（3）具有完善的橋臂過流保護、直流過壓保護、裝置過溫保護功能；

（4）模塊化設計，體積小，安裝便利，方便擴容；

（5）采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏以實現參數設置和控制，使用方便，易于操作和維護；

（6）輸出端加裝濾波裝置，降低高頻紋波對電力系統的影響；

（7）多機并聯，達到較高的電流輸出等級；

（8）擁有自主**技術。

6.2 型號說明

6.3 尺寸說明

6.4 產品實物展示

ANAPF有源濾波器

7 安科瑞智能電容器產品選型

7.1 產品概述

AZC/AZCL系列智能電容器是應用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節省能源、降低線損、提高功率因數和電能質量的新一代無功補償設備。它由智能測控單元，晶閘管復合開關電路，線路保護單元，兩臺共補或一臺分補低壓電力電容器構成。可替代常規由熔絲、復合開關或機械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在柜內和柜面由導線連接而組成的自動無功補償裝置。具有體積更小，功耗更低，維護方便，使用壽命長，可靠性高的特點，適應現代電網對無功補償的更高要求。

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、頻率、電容器路數及投切狀態、有功功率、無功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過內部晶閘管復合開關電路，自動尋找適宜投入（切除）點，實現過零投切，具有過壓保護、缺相保護、過諧保護、過溫保護等保護功能。

7.2 型號說明

AZC系列智能電容器選型：

b13f79536ec24f5e61a23ca5a1463ece_b89fb0cca5da46d8acafa838d0ef8b06.jpeg

AZCL系列智能電容器選型：

51eccaf82d571928f5097e6366812f5f_f19ff5196c3c4530b207343c0ba5eb14.jpeg

7.3 產品實物展示

AZC系列智能電容模塊AZCL系列智能電容模塊

安科瑞無功補償裝置智能電容方案

8 結論

通過在小區低壓補償柜和無功補償箱上加裝APF裝置，解決了小區無功補償裝置因諧波超標投不上的問題，又防止了高頻裝置因產生高幅值諧波電流引起的開關誤動。因此，綜合其自身特點可以推而廣之，可應用于配網低壓諧波超標、功率因數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，很大的改善電能質量。

參考文獻

[1]中國國家標準GB7251.1-2005.《低壓成套開關設備和控制設備1》[S]

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

[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.05版

[4]柳楊.有源電力濾波器APF在小區配電網中的應用

作者簡介

吳柯霓，女,現任職于安科瑞電氣股份有限公司