有源电力滤波器

1.1 概述
    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（如：大功率可控硅、变频器、UPS、开关电源、中频炉、节能灯等）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。这类谐波“污染”会对电网和用户产生很大危害，所以称谐波治理是一项“绿色工程”!
    由于电力电子技术的发展，有源电力滤波器（APF）开始规模化应用，相对于传统的谐波抑制和无功补偿装置，APF 响应速度快、实时跟踪补偿各次谐波，具有补偿谐波、无功补偿和平衡三相电流的功能，同时，APF 还具有不受系统阻抗影响、无谐振隐患、补偿效率高等优势，在各行各业的供电系统中已经得到广泛应用。产品符合企业标准Q31/0114000129C033-2017《ANAPF 有源电力滤波器》的规定。
1.2 ANAPF 的基本原理
    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快速实时的跟踪和补偿。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，经控制器快速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1-1 ANAPF 有源电力滤波器原理图

1.3 ANAPF 参照标准
GB/T14549-1993 《电能质量：公用电网谐波》
GB/T15543-2008 《电能质量：三相电压不平衡》
GB/T12325-2008 《电能质量：供电电压偏差》
GB/T12326-2008 《电能质量：电压波动和闪变》
GB/T18481-2001 《电能质量：暂时过电压和瞬态过电压》
GB/T15945-2008 《电能质量：电力系统频率偏差》
GB17625.1-2012 《电磁兼容限值谐波电流发射限值（设备每相输入电流≤16A）》
GB/T15576-2008 《低压成套无功功率补偿装置》
JB/T11067-2011 《低压有源电力滤波装置》

1.4 ANAPF 系统的构成
    图1-2 为ANAPF 的系统原理图。图中电流源是电力系统交流电压，非线性负载为谐波源，工作时产生谐波和无功电流。ANAPF 主要由负载电流检测、指令电流计算、桥臂电流输出控制、驱动电路以及主电路组成。通过检测负载电流中的谐波电流成分来得出实际补偿需要的指令电流。IGBT 驱动电路以及主电路为补偿电流发生电路，它的主要作用是根据指令运算电路得出的谐波电流补偿信号，产生实际的补偿电流。主电路主要由电压型PWM 变流器，以及与其相连的电感和直流侧支撑电容（DC-Link）组成。

    ANAPF 不仅可滤除谐波电流，还可适当补偿无功，平衡三相系统的电流。

图1-2 ANAPF 系统原理图

1.5 ANAPF 性能
1.5.1 技术参数
ANAPF 技术参数如表1-1 所示。

 

1.5.2 保护功能
a) 输出超限保护
    当谐波负载容量超出ANAPF 补偿能力时，ANAPF 按能力输出（即限流输出），能有效避免由于负载容量过大而引起ANAPF 线路烧毁的情况；
b) 过温度保护
    ANAPF 内部功率半导体部分温度超过85±2℃时，ANAPF 会自动切断主回路，且显示屏HMI 上产生相应的故障记录；
c) 直流母线过压保护
    直流母线电压超过设定值时，ANAPF 会自动关闭，且显示屏HMI 上产生相应的故障记录；
d) 输入电压欠压、过压保护
    当输入电压高于或低于额定电压的±10%时，ANAPF 会自动关闭，且显示屏HMI 上产生相应的故障记录。

1.6. ANAPF 的电路结构
    ANAPF 电路结构主要由主电路、逻辑控制电路、驱动电路和电流采样电路等组成。
1.6.1 主电路
ANAPF 主电路如图1-3 所示。

图1-3 主电路图

    主电路由断路器(QF)、交流接触器(KM)、限流电阻(R)、输出电抗(L1、L2)、RCL 滤波支路、IGBT 变流模块、膜电容组成。
    主电路采用三相全桥电压型PWM 变流器，变流器的作用主要是将电网的电压经IGBT 功率模块整流后为储能电容充电，使母线电压维持在某个稳定值，在这个过程中变流器主要工作在整流状态；当主电路产生补偿电流时，变流器又工作在逆变状态。
    电容用来储存直流侧能量；输出电抗的作用：补偿电流通过电抗向系统注入或吸收电流。
1.6.2 逻辑控制电路
逻辑控制回路包括继电控制、电源系统和PWM 脉冲输出三部分：

• 继电控制系统主要由断路器、接触器、中间继电器、控制按钮、指示灯等组成；

• 电源系统主要是给控制部分、辅助逻辑部分以及冷却系统供电，它由进线变压器、交流滤波器、开关电源等组成；

• PWM 脉冲输出部分是控制IGBT 的通断，从而实现电流的跟踪控制。

1.6.3 驱动电路
驱动电路由电源部分、驱动部分和保护部分组成：

• 电源部分为驱动模块的正常工作提供电源；

• 驱动部分包括驱动模块和相关的外围电路；

• 保护部分主要是检测PWM 变流器的电流和温度信号，必要时停止PWM 变流器。

1.6.4 电流采样电路
    电流采样电路主要包括输出电流采样电路和负载电流采样电路（或电网电流采样电路）；通过采样到的负载电流（或电网电流）计算出其中的谐波电流，将这个谐波电流反相，就得到指令电流，通过指令电流和输出电流的差值控制PWM 脉冲输出，驱动IGBT 功率模块输出反相的谐波电流，与电网中的谐波电流相抵消，从而达到滤除谐波的目的。
1.7 人机界面
    液晶显示屏的作用是检测、控制ANAPF 的当前运行状态以及记录相关运行数据，便于用户实际操作。显示内容如表1-2 所示：

具体操作步骤及方法详见第三章节。

1.8 型号说明

1.9 柜子外形尺寸
1.9.1 立柜式ANAPF

1.9.2 模块化ANAPF

1.10 治理方式
1.10.1 集中治理

    集中治理适用于单台设备谐波含量小，但数量庞大、布局分散的场合，比如办公大楼(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，但整栋大楼的总电流大，总谐波电流也大。
1.10.2 局部治理

    局部治理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，采用局部谐波治理。
1.10.3 局部治理

    就地治理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，采用就地治理。