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1 引言
隨著電力電子技術(shù)的不斷成熟,，節(jié)能燈、計(jì)算機(jī)、復(fù)印機(jī)等非線性設(shè)備被越來越廣泛的應(yīng)用于住宅和辦公建筑中，低壓配電系統(tǒng)中諧波污染日趨嚴(yán)重，而供電企業(yè)和用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求卻越來越高，諧波問題已經(jīng)引起了越來越多人的注意。有效的治理諧波，將其控制在允許的范圍內(nèi)，成為電力工作者必須要考慮的問題。
2 低壓配電系統(tǒng)中主要的諧波污染源
當(dāng)正弦波電壓施加在非線性負(fù)載上，電流就變成了非正弦波，非正弦波電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降，會(huì)使電壓波形也變?yōu)榉钦也ā?duì)非正弦波作傅立葉級(jí)數(shù)分解，其中頻率與工頻相同的分量稱為基波，頻率大于工頻的分量稱為諧波。如今廣泛使用的負(fù)載大部分是非線性的，如整流器、變頻器、電弧爐、焊接設(shè)備、UPS、電梯、空調(diào)、節(jié)能燈（熒光燈）、復(fù)印機(jī)等等，這些非線性負(fù)載會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流并注入到電網(wǎng)中，使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生畸變，這種諧波污染會(huì)對(duì)電網(wǎng)和用戶產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。
3 諧波對(duì)低壓配電系統(tǒng)的危害
增加輸電線損耗，縮短輸電線壽命；增加變壓器銅耗和鐵耗，降低變壓器的出力；引起配電裝置的誤動(dòng)或拒動(dòng)，導(dǎo)致停電事故；影響電動(dòng)機(jī)效率和正常運(yùn)行，產(chǎn)生震動(dòng)和噪音，縮短電動(dòng)機(jī)壽命；引起諧波放大或諧振問題；使電力系統(tǒng)各種測(cè)量?jī)x表產(chǎn)生誤差；干擾通訊系統(tǒng)，損壞敏感設(shè)備；導(dǎo)致中性線上出現(xiàn)大電流而引發(fā)系統(tǒng)故障。
4 低壓配電網(wǎng)的諧波治理措施
低壓配電網(wǎng)的諧波治理措施主要有兩個(gè)：一是主動(dòng)措施，即從諧波源本身出發(fā)，使其不產(chǎn)生諧波或降低其輸出的諧波的含量；二是被動(dòng)措施，即通過安裝電力濾波器，濾掉諧波源產(chǎn)生的諧波，或者阻礙電力系統(tǒng)的諧波流入用戶電網(wǎng)。主動(dòng)措施包括多脈沖整流技術(shù)、脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）、矩陣變換器、四象限變流器等。采用主動(dòng)措施可以有效限制諧波的產(chǎn)生，但由于非線性負(fù)載的多樣性，通過主動(dòng)措施完全消除諧波電流是不可能的。被動(dòng)措施主要有PPF以及近幾年來興起的APF。PPF因其成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和維護(hù)方便的原因得到了廣泛應(yīng)用，但其有些缺點(diǎn)是難以克服的，如只能濾除特定頻率的諧波、容易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振、對(duì)于波動(dòng)性負(fù)載濾波效果不理想等。APF具有響應(yīng)速度快、濾波能力強(qiáng)、安裝靈活、方便擴(kuò)展的特點(diǎn)，近幾年來得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
5 APF（有源電力濾波器）的原理介紹及特點(diǎn)
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(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載的諧波和無功分量，采用PWM變流技術(shù)，從變流器中產(chǎn)生一個(gè)和當(dāng)前諧波分量和無功分量對(duì)應(yīng)的反向分量并實(shí)時(shí)注入電力系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)諧波治理和無功補(bǔ)償。
原理如下圖：
ANAPF不僅僅具有濾除諧波功能，還可以提供超前或滯后的無功電流，用于改善電網(wǎng)的功率因數(shù)和實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償。同時(shí)還具有補(bǔ)償三相不平衡功能，減少中性線流過的電流。
ANAPF應(yīng)用瞬時(shí)無功理論提取諧波分量可以在20μs內(nèi)響應(yīng)負(fù)荷的變化，全響應(yīng)時(shí)間為20ms，可以用于負(fù)荷快速波動(dòng)的場(chǎng)合。ANAPF可以補(bǔ)償2～50次諧波。ANAPF具有自動(dòng)限流功能，不會(huì)發(fā)生過載。ANAPF保護(hù)措施齊全，保障設(shè)備安全運(yùn)行。ANAPF自定義功能強(qiáng)大，可以設(shè)置只補(bǔ)償諧波，只補(bǔ)償無功，或兩者同時(shí)補(bǔ)償。ANAPF采用大容量，高清晰的人機(jī)界面彩色觸摸屏，能實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的電壓、電流、諧波、功率因數(shù)等各項(xiàng)電氣參數(shù)，菜單中文顯示，圖文并茂，可實(shí)時(shí)顯示裝置運(yùn)行參數(shù)和歷史事件記錄，顯示界面能觸摸設(shè)定，操作簡(jiǎn)單快捷。ANAPF設(shè)計(jì)選型簡(jiǎn)單，不需要進(jìn)行詳細(xì)的電網(wǎng)分析，只需測(cè)量諧波電流大小。ANAPF安裝簡(jiǎn)單方便，易于擴(kuò)展，可以根據(jù)負(fù)載和配電系統(tǒng)實(shí)際情況，以及預(yù)期的補(bǔ)償效果，靈活選擇不同的安裝方式補(bǔ)償形式，使得投資少效果好。按照ANAPF安裝位置的不同，分為綜合補(bǔ)償和就地補(bǔ)償兩種形式。ANAPF有三相三線和三相四線兩大系列，容量有50A、100A、及150A，能滿足不同用戶的需求。
6 APF（有源電力濾波器）的主要技術(shù)指標(biāo)
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接線方式 |
三相三線或三相四線 |
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接入電壓 |
3×380V ±10% |
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接入頻率 |
50Hz ±2% |
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動(dòng)態(tài)補(bǔ)償響應(yīng)時(shí)間 |
動(dòng)態(tài)響應(yīng)＜4ms，全響應(yīng)時(shí)間＜20ms； |
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開關(guān)頻率 |
10kHz |
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功能設(shè)置 |
只補(bǔ)償諧波、只補(bǔ)償無功、既補(bǔ)償諧波又補(bǔ)償無功；手動(dòng)、自動(dòng)切換。 |
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諧波補(bǔ)償次數(shù) |
2-21次 |
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保護(hù)類型 |
直流過壓 IGBT過流 裝置溫度保護(hù) |
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過載保護(hù) |
自動(dòng)限流在設(shè)定值，不發(fā)生過載 |
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冷卻方式 |
智能風(fēng)冷 |
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噪音 |
＜ 65db(處于柜內(nèi)并運(yùn)作于額定狀態(tài)) |
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工作環(huán)境溫度 |
-10℃～+45℃ |
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工作環(huán)境濕度 |
＜85%RH 不凝結(jié) |
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安裝場(chǎng)合 |
室內(nèi)安裝 |
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海拔高度 |
≤1000m（更高海拔需降容使用） |
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進(jìn)出線方式 |
下進(jìn)下出 |
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防護(hù)等級(jí) |
IP21 |
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智能通信接口 |
RS485/MODBUS-RTU |
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遠(yuǎn)程監(jiān)控 |
可選 |
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外形尺寸(mm)
(W×D×H) |
30A |
50A |
75A |
100A |
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600×500×1500 |
600×500×1500 |
600×500×1800 |
800×600×2200 |
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重量(kg) |
三相四線 |
三相三線 |
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30A、50A |
75A、100A |
30A、50A |
75A、100A |
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280 |
360 |
240 |
290 |
7 ANAPF有源濾波器報(bào)價(jià)及主要元件清單
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型號(hào)：ANAPF50-400/B |
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參考價(jià)格：7.5萬元/臺(tái) |
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主要產(chǎn)品明細(xì)： |
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序號(hào) |
名 稱 |
型 號(hào) |
數(shù)量 |
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1 |
APF電氣柜 |
600X500X1800 |
1 |
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2 |
變流器 |
APFCOV-CVT50 |
1 |
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3 |
控制器 |
APFMC-C50 |
1 |
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4 |
電抗器 |
APF-RE.(S)DG-50 |
1 |
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5 |
有源電流互感器 |
LT108-S7 |
3 |
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6 |
濾波器 |
DL-1TH1 |
2 |
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7 |
斷路器 |
NSE100N4063 |
1 |
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8 |
接觸器 |
LC1D65 M7C |
1 |
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9 |
微型斷路器 |
NDM1-63C32 |
1 |
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10 |
中間繼電器 |
MY4NAC |
2 |
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11 |
R型變壓器 |
R320-0.38/0.22 |
1 |
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12 |
諧波檢測(cè)儀 |
ACR350EGH |
1 |
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13 |
電線 |
16mm2 |
若干 |
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14 |
電線 |
4mm2 |
若干 |
8 ANAPF在低壓配電系統(tǒng)中的具體應(yīng)用
上海某中小型企業(yè)，變壓器容量為150kVA，到了冬季當(dāng)有大量的空調(diào)同時(shí)打開時(shí)，斷路器就會(huì)跳閘，嚴(yán)重影響了公司的日常運(yùn)營(yíng)。經(jīng)調(diào)查該公司有大量節(jié)能燈、變頻空調(diào)、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)和電梯等非線性負(fù)載，正是這些非線性負(fù)載降低了變壓器的出力。研究表明諧波電流會(huì)引起變壓器外殼外層硅鋼片或某些緊固件發(fā)熱，可能導(dǎo)致局部過熱的發(fā)生，使絕緣介質(zhì)老化加速，導(dǎo)致絕緣損壞，縮減變壓器使用壽命。諧波的存在會(huì)使視在功率增加，不考慮諧波的情況下，視在功率S和有功功率P以及無功功率Q的關(guān)系為 ；在有諧波的情況下，必須考慮諧波功率D，其關(guān)系為 ；而D和Q一樣，都無法轉(zhuǎn)化為有用功率。由此可見，諧波對(duì)變壓器的使用效率產(chǎn)生重大的負(fù)面影響。經(jīng)實(shí)際勘測(cè)分析發(fā)現(xiàn)該公司變壓器裕量雖不大，但如果把諧波降低到符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)，就可以滿足日常的供電需求，沒有必要擴(kuò)容。對(duì)公司的用電負(fù)荷進(jìn)行調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)照明回路負(fù)荷較大，并且因?yàn)檎彰骰芈肥褂昧舜罅康墓?jié)能燈，使該回路諧波含量比較高，是降低變壓器出力的主要原因。
用FLUKE 434對(duì)照明回路進(jìn)行測(cè)量得到電流波形如圖1所示。由圖可知，電流波形與理想的正弦波相去甚遠(yuǎn)，畸變較為嚴(yán)重。電流波形的畸變會(huì)導(dǎo)致電壓波形的畸變進(jìn)而影響到其他設(shè)備如計(jì)算機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)N相電流達(dá)37A，電流不平衡問題也比較突出，存在較大的用電隱患。
分次諧波含量數(shù)據(jù)如圖2所示。由圖可知，A相、B相、C相的THDi分別為19.7%、27.8%、26.6%，諧波污染非常嚴(yán)重，存在安全隱患。
 
圖1：照明回路電流波形 圖2：照明回路分次諧波含量數(shù)據(jù)
根據(jù)諧波含量，選用額定容量為50A的ANAPF對(duì)照明回路進(jìn)行單獨(dú)補(bǔ)償，治理后得到的電流波形圖、分次諧波含量數(shù)據(jù)分別如圖3、圖4所示。
 
圖3：治理后照明回路電流波形 圖4：治理后照明回路分次諧波含量數(shù)據(jù)
從圖3、圖4可以看出，治理后電流波形接近于完美的正弦波，電流的畸變得到了有效的控制；中性線電流也從37A降低到5A，消除了因中性線電流過大而引起的火災(zāi)隱患；電流的諧波含量也從20%左右降到了3%左右，諧波含量大為降低，已符合GB T14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。
ANAPF有效的降低了THDi，同時(shí)抑制了三相不平衡，減少了中性線流過的電流，有效的提高了各項(xiàng)電能指標(biāo)，使各種用電設(shè)備能正常穩(wěn)定運(yùn)行，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，減少了因電路故障而產(chǎn)生的損失。
通過本次的數(shù)據(jù)采集與分析，積累了大量的參考數(shù)據(jù)，為以后進(jìn)行諧波治理打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
[參考文獻(xiàn)]
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[3] 羅安. 電網(wǎng)諧波治理和無功補(bǔ)償技術(shù)及設(shè)備[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2006
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