1 電能質(zhì)量與諧波
1.1 諧波的產(chǎn)生
隨著電力電子變流裝置的應(yīng)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(shè)備的廣泛應(yīng)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(dǎo)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(luò)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(zhì)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(dǎo)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(guān)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(shè)備、中頻爐 | 制造業(yè) |
電弧爐、交流弧焊機、感應(yīng)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(zāi)。
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(shè)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(zāi)。
1.2.2影響電氣設(shè)備的正常運行。
諧波會影響電氣設(shè)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(shè)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(dǎo)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(shè)備產(chǎn)生干擾，輕則產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量，計算機無法正常工作；重則導(dǎo)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(zhì)量：公用電網(wǎng)諧波》
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：電壓波動和閃變》
GB/T18481-2001 《電能質(zhì)量：暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓》
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 《低壓無功功率靜態(tài)補償裝置總技術(shù)條件》
GB/T14549-1993 《電能質(zhì)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(shù)，從變流器中產(chǎn)生個和當前諧波分量和無功分量對應(yīng)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(shù)特點
l DSP+FPGA全數(shù)字控制方式，具有極快的響應(yīng)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(shè)計，便于生產(chǎn)調(diào)試；
l 便利的并聯(lián)設(shè)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(shù)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(yīng)時間 | 全響應(yīng)時間＜20ms； | |||
開關(guān)頻率 | 10kHz | |||
功能設(shè)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(shè)定值，不發(fā)生過載 | |||
冷卻方式 | 智能風(fēng)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(jié) | |||
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(shù)要求
2.7.1 布置要求
ANAPF般為標準柜式結(jié)構(gòu)，安裝時應(yīng)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(guān)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(shè)計人員在考慮系統(tǒng)接線及平面布置時應(yīng)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(yù)留空間供設(shè)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(yīng)根據(jù)設(shè)計要求的接地制式（TN-S、TN-C-S、TT等）嚴格做好相應(yīng)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(yīng)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(shù)室、醫(yī)學(xué)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(shè)備及其它控制設(shè)備的損壞。
4）學(xué)校：精密實驗室、機房、網(wǎng)絡(luò)中心等。
5）研究所：精密儀器、機房、高精密設(shè)備集中區(qū)域等。
6）大型商場：解決由于節(jié)能燈大量應(yīng)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(wù)、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(shè)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(shè)備、調(diào)光設(shè)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(guān)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(shù)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)。考慮到產(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(zhì)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(cè)電流、APF橋臂電流以及負載側(cè)電流，用戶可以通過HMI來對APF的運行模式進行設(shè)置，對于運行中出現(xiàn)的問題，可以產(chǎn)生對應(yīng)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(shè)施,智能大廈的電力監(jiān)控需求而設(shè)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(shè)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(zhì)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(shè)置PT/CT變比；
l 四象限電能計量、復(fù)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(guān)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(shù)參數(shù)
技術(shù)參數(shù) | 指標 | |
輸入 | 網(wǎng)絡(luò) | 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(yīng)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(guān)量輸入 | 4路干接點輸入，內(nèi)置電源 | |
開關(guān)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(guān)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(jié)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(yīng)用方案
附錄
諧波抑制及治理的容量設(shè)計
1 諧波電流估算
諧波是由非線性設(shè)備產(chǎn)生的，而每種設(shè)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(shè)備進行測量，考慮到設(shè)備的技術(shù)及經(jīng)濟性，設(shè)計諧波治理裝置的額定諧波補償電流應(yīng)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(fù)雜，況且在設(shè)計時往往很難采集到足夠的電氣設(shè)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(shè)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(zhì)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 |
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：鮑靜君
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