有源滤波和无源滤波的应用范围

安科瑞电气股份有限公司

有源滤波目前高适用电网电压不过690V，而低压无源滤波高适用电网电压可达3000V。
无源滤波由于其价格优势、且不受硬件限制，广泛用于电力、油田、钢铁、冶金、煤矿、石化、造船、汽车、电铁、新能源等行业；有源滤波器因无法解决的硬件问题，在大容量场合无法使用，适用于电信、医院等用电功率较小且谐波频率较高的单位，优于无源滤波。

ANAPF有源电力滤波器
产品简介
功能：
ANAPF系列有源电力滤波器通过电流互感器采集系统谐波电流，经控制器计算并提取各次谐波电流的含量，产生谐波电流指令，通过功率执行器件产生与谐波电流幅值相等方向相反的补偿电流，并注入电力系统中，从而抵消非线性负载所产生的谐波电流。
应用范围：
适用于并联在含谐波负载的低压配电系统中，能够对动态变化的谐波电流进行实时的跟踪和补偿。
订货范例：
具体型号：ANAPF150-380/BGL
技术要求：谐波补偿电流150A，线电压等级380V 。
接线方式：三相四线
安装方式：立柜式
互感器接线方式：负载侧


技术参数

产品选型


1、谐波治理方案选择
根据对机场助航灯光系统谐波参数的分析和国家谐波治理标准，我们对机场谐波抑制方案进行了选择。
目前电力系统谐波治理主要存在两大主流方式：无源滤波技术和有源滤波技术。机场灯光站采用的大功率电力半导体调光设备，会产生大量高次谐波（主要是3 倍次谐波以外的所有奇次谐波），而无源滤波器对每次谐波都要单独设计单谐振滤波器，设计参数要跟系统阻抗有关（计算系统阻抗很繁琐，并且系统逐年扩建，系统阻抗也会变化）；无源滤波不能对谐波完全消除，反而存在着放大谐振的危险；电容的老化也会使原来设计谐振点偏移而达不到滤除目标谐波的目的；无源滤波系统适合负荷单一、稳定的场合。
与无源滤波器相比，有源滤波系统具有高度可控性和响应性（≤1ms），能补偿各次谐波，可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点；在性价比上较为合理；滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。其基本原理是从谐波源（被补偿对象）负载回路中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而相位相反的补偿电流波形，用以抵消谐波源负载所产生的谐波电流，从而使电网侧电流只含有基波分量。
ANAPF有源滤波装置专门针对此类工况特点的低压配电系统而设计，该装置滤波效率高、实时跟踪、响应速度快特点，可高效滤除负载谐波，抑制系统振荡，提高电网的稳定性，同时明显的节能降耗和供电设备增容的效果。
2、ANAPF低压有源滤波器在医院建筑中的应用案例
某机场供电系统的基本状况如下：供电容量较大，供电电压以110/10/0.4KV 等级为主，机场设备较多且分散，用电量大，部分为**设备，负荷有一定冲击性，供配电系统三相基本平衡，低压部分进行了集中无功补偿。
以1#助航灯光站为例进行谐波分析，1#助航灯光站包括2台500KVA变压器和一台150kVA柴油发电机备。主要用电设备为机场助航灯光设备。
2.1 ANAPF有源滤波装置的工作原理
ANAPF系列有源电力滤波装置，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。
原理如下图：

2.2 ANAPF有源滤波装置投入前后对比
(1)有源滤波器投入前功率、电流波形畸变严重，谐波治理后波形趋于正弦波，谐波治理的工作达到了预期的目标和效果；
(2)有源滤波器投入后功率因数波形畸变情况明显改善，谐波治理前分别为-0.805，-1.000，-1.000，治理后分别为0.925,0.394,0.347。

治理前电流波形 治理后电压波形

治理前单相功率波形图 治理后单相功率波形图


治理前功率因素和总畸变率 治理前功率因素和总畸变率
从附图的对比中可以看出：同种负载条件下，投入使用ANAPF有源滤波器后，电能质量改善的同时，又节省了电能；功率因数的大幅度提高，提升了变压器、发电机的供电容量，从而解决了系统发电机带全负荷运行时控制设备失调的问题。
5.3安装要求
ANAPF一般为标准柜式结构，安装时应避免倒置或平放，外形尺寸由所选谐波补偿电流值决定，平面布置形式一般由谐波电流补偿点位置决定。其平面布置要求如下：
1)离墙安装：正常情况下建议与低压开关柜并列离墙布置，正面操作，双面维护，背面维护通道不小于800mm。
2)靠墙安装：ANAPF也可靠墙布置，正面操作，正面维护。
3）电气设计人员在考虑系统接线及平面布置时应注意将ANAPF的补偿接入点尽量靠近补偿对象，并处于采样CT的上游，或在末端预留空间供设计安装，CT采样处下游不能包含容性负荷。平面布置示意如下图：

变电所平面布置图
4）ANAPF所有正常情况下不带电的金属外壳均应根据设计要求的接地制式（TN-S、TN-C-S、TT等）严格做好相应的保护接零或保护接地。
ANAPF有源电力滤波器


1、概述
1.1 谐波的产生
电力系统中理想的电压、电流波形都是频率为50Hz的正弦波，但是非线性电力设备 （大功率可控硅、变频器、UPS、开关电源、中频炉等）的广泛应用产生了大量畸变的谐波电流，谐波电流耦合在线路上产生谐波电压。对非正弦的畸变电流作傅立叶级数分解，其中频率与工频相同的分量为基波，频率是基波频率整数倍的分量为谐波。谐波是电能质量的重要指标。
1.2 谐波的危害
● 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。
● 引起电网谐振，使得谐波电流放大几倍甚至数十倍，会对系统，特别是对电容器和与之串联的电抗器形成很大的威胁，经常使电容器和电抗器烧毁。
● 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。
2、产品介绍
2.1 工作原理
ANAPF系列有源电力滤波器并联在含谐波负载的低压配电系统中，能够对动态变化的谐波电流进行实时的跟踪和补偿。其原理为：ANAPF系列有源电力滤波器通过CT采集系统谐波电流，经控制器计算并提取各次谐波电流的含量，产生谐波电流指令，通过功率执行器件产生与谐波电流幅值相等方向相反的补偿电流，并注入电力系统中，从而抵消非线性负载所产生的谐波电流。

图2-1 ANAPF有源电力滤波器原理图
2.2 产品特点
● DSP+FPGA全数字控制方式，具有快的响应时间，先进的主电路拓扑和控制算法，精度更高、运行更稳定；
● 一机多能，既可补谐波，又可兼补无功，可对2～31次谐波进行全补偿或指定特定次谐波进行补偿；
● 具有完善的桥臂过流保护、直流过压保护、装置过温保护功能；
● 模块化设计，体积小，安装便利，方便扩容；
● 采用7英寸大屏幕彩色触摸屏以实现参数设置和控制，使用方便，易于操作和维护；
● 输出端加装滤波装置，降低高频纹波对电力系统的影响；
● 多机并联，达到较高的电流输出等级；
● 拥有自主**技术。
2.3 主要技术参数
表2-1 ANAPF有源电力滤波器技术参数

2.4 产品型号及说明


3、产品应用
3.1 容量计算方法
谐波是由非线性设备产生的，而每种设备的实际工作状态都不同。因此实际谐波电流需采用专门设备进行测量，考虑到设备的技术及经济性，设计谐波治理装置的额定谐波补偿电流应略大于系统谐波电流。由于谐波电流本身的测量与计算比较复杂，况且在设计时往往很难采集到足够的电气设备使用中的谐波数据，可以根据下列公式估算谐波电流进行选型。
3.1.1 根据负载额定电流和行业类型选型


3.1.2 根据变压器容量和行业类型选型


3.1.3 根据选型表查表选型
查表步骤：
步骤1：确定变压器容量和变压器负载率（一般在0.6~0.8）；
步骤2：根据变压器负载率确定表2、表3或表4；
步骤3：确定电流总谐波畸变率（THDi）（表1中THDi值为参考值，仅在估算谐波电流时使用）；
步骤4：根据变压器容量及THDi参考值确定相应的谐波电流值；
步骤5：考虑到一定的裕量，选择相应容量的ANAPF有源电力滤波器。
板载式ANAPF有源滤波器


1、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**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。
1.1 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
1.2 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：
外形尺寸485×275×610 （宽*深*高）
额定电流：50A（可按照需求适当提高）
额定电压:AC380V
接线方式:三相三线或三相四线
进线方式：上进上出
额定频率：50Hz
模块壳体颜色：RAL7035
防护等级：IP20
质量：50KG

图2 壁挂板载式外观示意
抽屉式板载模块外观如图3所示：
外形尺寸485×610×275 （宽*深*高）
额定电流：50A（可按照需求适当提高）
额定电压:AC380V
接线方式:三相三线或三相四线
进线方式：后进后出
额定频率：50Hz
模块壳体颜色：RAL9004
防护等级：IP20
质量：50KG

图3 抽屉板载式外观示意
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
1.3 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
1.4 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）。
...................................... 公式（1）
其中 为变压器负荷率，即负荷占变压器额定容量的比例，通常取0.6~0.8；
为电流总谐波畸变率，各行业略有不同，具体数值参见上文表1；
为变压器额定容量，单位KVA；
为低压系统电压，一般取0.38~0.4。