板載式ANAPF有源濾波器產(chǎn)品介紹  安科瑞鮑靜君

1 引言

    近年來，電力電子技術(shù)不斷地創(chuàng)新、發(fā)展，電力電子技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于人們的生活、學(xué)習(xí)、工作中，常用的充電裝置、計算機、UPS等都是電力電子技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。這些設(shè)備的發(fā)明和使用給社會帶來極大的便利，但隨著這些設(shè)備的大量應(yīng)用，電能質(zhì)量問題也十分突出。諧波作為目前危害電能質(zhì)量的首要因素，受到了供用電雙方的高度重視。社會上已經(jīng)有許多電能質(zhì)量解決方案，并已經(jīng)形成一個規(guī)模龐大的產(chǎn)業(yè)，安科瑞電氣就是其中的領(lǐng)先者。

2 諧波的產(chǎn)生和治理

    諧波是什么？諧波通俗的來說就是指電流中所含有的頻率為基波整數(shù)倍的電量，我們常說的N次諧波，它們的頻率就是基波的N倍；從廣義上來說，任何與工頻頻率不同的成分都可以稱之為諧波，這也就是為什么有時會有“間諧波”（非整數(shù)倍工頻頻率）的說法。

2.1 諧波的產(chǎn)生

    在只含線性元件（電阻等）的線路中，流過的電流與施加的電壓成正比，電流波形為正弦波。而諧波產(chǎn)生的根本原因就是由于電力系統(tǒng)中某些設(shè)備和負(fù)荷的非線性特性，即所加的電壓與產(chǎn)生的電流不成正比關(guān)系造成的波形畸變。當(dāng)電力系統(tǒng)向含有非線性元器件的設(shè)備供電時，這些設(shè)備不光變換、吸收系統(tǒng)的電能，還會把部分基波轉(zhuǎn)換成諧波，倒送入系統(tǒng)，污染電網(wǎng)。生活中常有的照明燈光、電視畫面明暗閃爍等情況，都和諧波有關(guān)。

2.2 諧波的危害

    在輸配電網(wǎng)絡(luò)中，諧波會降低變壓器容量、減小線纜載流能力，嚴(yán)重時會造成突然電力中斷，造成重大社會經(jīng)濟損失；在生產(chǎn)企業(yè)中，諧波會干擾通訊信號，還會引起元器件誤動作，降低設(shè)備穩(wěn)定性導(dǎo)致殘次品率增加，還會加速設(shè)備老化縮短使用壽命，嚴(yán)重時可能損壞設(shè)備甚至引起火災(zāi)。

2.3 產(chǎn)生諧波的設(shè)備

產(chǎn)生諧波的設(shè)備一般是非線性設(shè)備，主要分為以下幾類：

    （1） 具有鐵磁飽和特性的鐵芯設(shè)備，如變壓器、電抗器等；

    （2） 以具有強烈非線性特性的電弧為工作介質(zhì)的設(shè)備，如氣體放電燈、交流弧焊機、煉鋼電弧爐等；

    （3） 以電力電子元件為基礎(chǔ)的設(shè)備，如開關(guān)電源、變流裝置、調(diào)壓裝置等。

一些常見的產(chǎn)生諧波的負(fù)載及其諧波量可參見表1。

表1常見諧波負(fù)載的諧波含量

2.4 諧波治理方案

    目前諧波治理的措施主要有3種：受端治理，即從受到諧波影響的設(shè)備或系統(tǒng)出發(fā)，提高他們的抗諧波干擾能力；主動治理，即從諧波源本身出發(fā)，使諧波源不產(chǎn)生或減少諧波；被動治理，即外加濾波裝置阻止諧波注入電網(wǎng)。被動治理是目前采用較廣泛的諧波治理方案。

    外加的濾波裝置有兩種，分別是無源濾波裝置和有源濾波裝置，他們各有優(yōu)缺點。無源濾波裝置結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，初期投入小，但是只能濾除固定次數(shù)的諧波且易與電網(wǎng)發(fā)生諧振；有源濾波裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價較高，但是補償效果好，后期維護(hù)方便，維護(hù)成本低。所以安裝有源濾波裝置是目前被廣泛應(yīng)用的諧波治理方式。 

3 板載式有源濾波裝置產(chǎn)品介紹

    ANAPF板載式有源濾波裝置是我公司研發(fā)的電能補償裝置的一種，采用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，基于高速全數(shù)字控制方式的數(shù)字信號處理技術(shù)制成的新型電力諧波治理專用設(shè)備。它由指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路兩個主要部分組成。與傳統(tǒng)無源濾波器（相當(dāng)于給諧波電流提供了接近于0的極低阻抗通道，以免諧波電流注入系統(tǒng)）相對比，有源濾波裝置通過IGBT逆變模塊實現(xiàn)了各次諧波的動態(tài)濾除。

3.1 ANAPF板載式有源濾波裝置工作原理

    ANAPF板載式有源濾波裝置可以通過外部電流互感器，實時檢測負(fù)載電流，并通過內(nèi)部DSP計算，提取并計算出負(fù)載電流的諧波成分，然后通過PWM信號發(fā)送給內(nèi)部IGBT，控制逆變器產(chǎn)生一個和負(fù)載諧波電流大小相等，方向相反的諧波電流注入到電網(wǎng)中抵消對應(yīng)諧波電流，達(dá)到濾波目的。工作原理圖及補償示意如圖1所示。 

圖1 ANAPF工作原理及對應(yīng)波形示意

3.2 ANAPF板載式有源濾波裝置結(jié)構(gòu)介紹及優(yōu)勢分析

    ANAPF板載式有源濾波裝置相較于公司前期的立柜式產(chǎn)品來說，體積更小、重量更輕、方便安裝、更美觀，這對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)安排和內(nèi)部集成度有了更高的要求。我司生產(chǎn)的ANAPF有源濾波裝置分為兩種安裝方式 ，其主要參數(shù)如下：

壁掛式板載模塊外觀如圖2所示：

抽屜式板載模塊外觀如圖3所示：

    其中壁掛式結(jié)構(gòu)適用于負(fù)荷容量較小或場地緊湊的場合，一般推薦為單臺獨立運行時使用；抽屜式結(jié)構(gòu)多采用多模塊并聯(lián)安裝在抽屜柜體中的安裝方式，可根據(jù)實際補償容量需求增減柜體內(nèi)模塊數(shù)量，適用于大負(fù)荷容量的場合。目前我司常規(guī)產(chǎn)品較大為6個模塊組合，并且正在向更多模塊數(shù)，更大容量化方面研究與發(fā)展。其抽屜柜安裝效果圖如圖4所示。

    該方式相對于傳統(tǒng)整柜式有以下幾項優(yōu)點：

    （1）每個模塊容量為50A（可在適當(dāng)范圍內(nèi)浮動），相同的柜體格局下有更多容量選擇，并可根據(jù)客戶實際需求增加模塊數(shù)量至6個以上（需加寬柜體尺寸，效果可參照圖5）；

    （2）可根據(jù)負(fù)載使用變化隨時增、減APF設(shè)備的容量（加、減模塊數(shù)量即可，并對人機界面作相應(yīng)參數(shù)設(shè)置）；

    （3）每個模塊單獨安裝散熱單元，并可在柜體上加裝散熱風(fēng)扇，散熱效果良好，故障率低；

    （4）多個模塊之間雖有通訊連接，但各臺的故障并不會相互影響其它模塊繼續(xù)工作（補償容量會相應(yīng)減?。?；

    （5）后期維護(hù)方便，可實現(xiàn)故障模塊單獨維修、更換；維護(hù)期間ANAPF有源濾波裝置可持續(xù)工作。

    （6）結(jié)構(gòu)精巧，設(shè)計靈活，可作為零部件（模塊）單獨購買，嵌入三方柜體；柜型外觀、尺寸的改變基本不影響內(nèi)部安裝和整體使用效果。

    （7）生產(chǎn)周期短，即使是非常規(guī)要求產(chǎn)品亦能保證及時投入使用，確?？蛻艚?jīng)濟利益。

圖4 模塊化組合式安裝示意圖             圖5 兩列模塊組裝效果示意圖       

3.3 ANAPF板載式有源濾波裝置的補償效果

    下面是某負(fù)載的產(chǎn)品應(yīng)用效果圖，其諧波含量在26%左右，通過電能質(zhì)量分析儀PW3198的分析可以幫助我們很直觀的看到補償效果。

補償前網(wǎng)側(cè)諧波畸變率                 補償前網(wǎng)側(cè)諧波畸變率

    補償后諧波電流含量僅為4%，低于國標(biāo)對0.38KV電網(wǎng)的要求5%，以C相為例，對應(yīng)的各次諧波含量清單如下：

補償前C相各次諧波含量                補償后C相各次諧波含量

    從波形來看效果可以更直觀的看到補償效果：補償前電流波形為M形，補償后已變?yōu)檎也?，效果良好?nbsp; 

補償前電壓電流波形                  補償前電壓電流波形

3.4 ANAPF板載式有源濾波裝置的型號選擇

    該產(chǎn)品為并聯(lián)型有源電力濾波器，其命名方式為：

    其中諧波補償電流的大小可安排售前工程師協(xié)助測量或根據(jù)變壓器容量和行業(yè)類型自行估算后選擇，計算方法見公式（1）。

4 結(jié)束語

    ANAPF板載式有源濾波裝置在原有立柜、抽屜、壁掛式產(chǎn)品基礎(chǔ)上，進(jìn)一步縮小了體積并減輕重量；由于其采用了高集成化模塊設(shè)計，后期維護(hù)變得更加輕松、便利，而且治理效果也更顯著。其不僅能治理諧波，也能補償無功：有效地治理諧波，可改善電能質(zhì)量使設(shè)備誤動作率大大降低，從而提高電氣設(shè)備利用率和產(chǎn)品合格率，既保證了電網(wǎng)安全運行，又能降低用戶的電力損耗；而有效地補償無功，使功率因數(shù)高達(dá)0.98以上，則避免了用戶因功率因數(shù)不足而被罰款，也為用戶帶來了可觀的經(jīng)濟收益。由此可見，選用ANAPF板載式產(chǎn)品，對電網(wǎng)設(shè)施和用戶設(shè)備都有極大的益處，可以說是實現(xiàn)了供用電雙方的共贏。

【參考資料】

安科瑞電能質(zhì)量監(jiān)測與治理選型手冊。2015.08版

安科瑞電氣股份有限公司產(chǎn)品手冊.2013.01.版

抑制數(shù)據(jù)中心諧波放大及分布式治理策略  安科瑞鮑靜君

摘要：本文主要以某大型數(shù)據(jù)中心諧波治理為例，闡述數(shù)據(jù)中心諧波產(chǎn)生的原因和相應(yīng)的有源電力濾波器諧波治理策略。

關(guān)鍵詞：智慧能源；UPS；電壓諧波；諧波放大；APF

1、引言

    在實際工程應(yīng)用中不難發(fā)現(xiàn)，由于電力輸配電設(shè)施老化、設(shè)計不良和供電不足等原因造成末端電壓過低，前端電壓過高，這對電壓要求較高的精密設(shè)備造成了很大的威脅。據(jù)統(tǒng)計當(dāng)前公用電網(wǎng)影響用戶用電設(shè)備的問題主要有電壓閃變、諧波干擾、電網(wǎng)噪音、頻率漂移、過電壓、欠電壓、斷電及間斷等現(xiàn)象。以上問題不可能在短時間內(nèi)做出解決，比較現(xiàn)實的解決途徑是在電網(wǎng)和用電設(shè)備之間插入一個二次供電設(shè)備，實現(xiàn)局部高品質(zhì)的供電環(huán)境。一般常用的設(shè)備為不間斷電源系統(tǒng)UPS，它在我國的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心、銀行清算中心、證券交易中心、民航和鐵路的控制中心、監(jiān)控系統(tǒng)等等核心用電部門。但是由于UPS屬于電力電子設(shè)備，正常工作的時候也會產(chǎn)生諧波電流，由于UPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同產(chǎn)生的諧波電流頻次和諧波有效值有很大的差異，本文就以大型數(shù)據(jù)中心的UPS為例，合理分析諧波電流頻次，采用分布式治理的方法，有效抑制諧波電流放大，優(yōu)化電能質(zhì)量，提高設(shè)備用電效率。

2、諧波電壓對電網(wǎng)的影響

2.1  諧波電壓對配電系統(tǒng)的影響

    一般來說理想的交流電源是純正弦波形，純正弦的交流電壓加在線性負(fù)載兩端，會產(chǎn)生純正弦的交流電流。但是純正弦的交流電壓加在非線性負(fù)載兩端，會產(chǎn)生失真的交流電流，同時導(dǎo)致純正弦交流電壓失真。失真的交流電壓無論加在線性負(fù)載或非線性負(fù)載兩端，都會產(chǎn)生失真的交流電流。

圖 1 某數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)測量示意圖（無功柜未投入）

    如圖 1所示，1#主變和2#主變共用一段10KV母線，1#主變下UPS1沒有投入運行，主要負(fù)載全是線性負(fù)載，2#主變下UPS2投入運行，主要負(fù)載全是非線性負(fù)載，兩邊電容柜沒有投入運行，聯(lián)絡(luò)柜中聯(lián)絡(luò)開關(guān)始終處于斷開狀態(tài)。單獨運行1#主變時，測量點M1處沒有諧波電流和諧波電壓；單獨運行2#主變時，測量點M2處有諧波電流和諧波電壓；同時運行1#主變和2#主變時，測量點M1和M2處都有諧波電流和諧波電壓存在。

2.2  諧波電壓對濾波裝置的影響

    有源電力濾波器從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上分為串聯(lián)型有源電力濾波器、并聯(lián)型有源電力濾波器和混合型有源電力濾波器。目前市場上的有源電力濾波器幾乎都屬于并聯(lián)型，并聯(lián)型有源電力濾波器主要原理是通過互感器采集被補償負(fù)載的電流，通過計算分析提取出負(fù)載電流的諧波成分，有源電力濾波器被動輸出反向的諧波電流來抵消系統(tǒng)中的諧波電流，達(dá)到諧波補償目的。

圖2 某數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)測量示意圖（增加APF）

    如圖2所示，1#主變和2#主變共用一段10KV母線，1#主變下UPS1沒有投入運行，主要負(fù)載全是線性負(fù)載，2#主變下UPS2投入運行，主要負(fù)載全是非線性負(fù)載，聯(lián)絡(luò)柜中聯(lián)絡(luò)開關(guān)始終處于斷開狀態(tài)。單獨運行1#主變時，測量點M1處沒有諧波電流和諧波電壓；單獨運行2#主變時，測量點M2處有諧波電流和諧波電壓，開啟APF2補償后，測量點M2處諧波電壓和諧波電流有效值減??；同時運行1#主變和2#主變時，測量點M1和M2處都有諧波電流和諧波電壓存在，單獨開啟APF1，測量點M1和M2處諧波電流和諧波電壓有效值沒有變化，單獨開啟APF2，測量點M1和M2處諧波電流和諧波電壓有效值同時減小。

    上述測試中有一種情況比較特殊，在同時運行1#主變和2#主變，單獨開啟APF1進(jìn)行補償時，雖然濾波器有諧波電流輸出，但是測試點M1和M2處諧波電流和諧波電壓有效值并沒有減小，測量1#主變下線性負(fù)載上的電流諧波有效值，有明顯的放大現(xiàn)象。這說明2#主變下非線性負(fù)載引起諧波電流失真，導(dǎo)致10KV段電壓失真，失真的電壓加在1#主變的線性負(fù)載兩端，使M1點出現(xiàn)了諧波電流和諧波電壓。雖然APF1對線性負(fù)載的諧波電流進(jìn)行了補償，但M1點的諧波電流和諧波電壓不會改變，相對于APF1并線點的網(wǎng)側(cè)諧波電流和諧波電壓有效值不變，負(fù)載側(cè)諧波電流有效值增大。因此，并聯(lián)型有源電力濾波器并不能有效濾除電壓諧波引起的電流諧波，相反，會使負(fù)載側(cè)諧波電流變的更大。

3、諧波分布式治理

    工程中往往諧波的產(chǎn)生是多方面的，非線性負(fù)荷引起的諧波、背景諧波、補償裝置諧波放大等等現(xiàn)象，都是引起諧波產(chǎn)生的重要因素。

圖3 中國銀行某數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)圖

    如圖3所示，是中國銀行某數(shù)據(jù)中心的配電一次圖，正常運行時聯(lián)絡(luò)柜中母聯(lián)斷路器始終保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，T1變壓器和T2變壓器下負(fù)載全是12脈沖整流的UPS（T1：SUA2-1、SUA2-2、SUA2-3、SUA5-1、SUA5-2；T2：SUB2-1、SUB2-2、SUB2-3、SUB5-1、SUB5-2）,兩臺變壓器所帶負(fù)載基本一致，前期APF1和APF2沒有投入運行，測量T1變壓器和T2變壓器進(jìn)線柜諧波電壓電流，如圖4和圖5所示：

圖4補償前諧波電壓波形及畸變率

圖5 補償前諧波電流波形及有效值

    從上圖中可以看出，12脈沖整流型UPS輸入側(cè)諧波電流應(yīng)該是以11次和13次為主，但實際側(cè)量發(fā)現(xiàn)明顯5次、7次諧波非常大。通過對UPS故障排查發(fā)現(xiàn)由于12脈沖整流器使用可控整流方式，上下整流橋調(diào)相角度不一致或上下橋直流輸出帶載不對稱等原因造成了UPS輸入端5次、7次諧波并沒有完全抵消，這些沒有抵消的5次、7次諧波經(jīng)過11次濾波器時諧波被放大，這就出現(xiàn)了我們看到的圖4和圖5的情況。

    為了濾除現(xiàn)場諧波電流，主動斷開所有UPS的11次諧波濾波器濾波支路，增大APF濾波容量，考慮使用APF補償UPS產(chǎn)生的所有諧波頻次。UPS諧波濾波器改造完成后，同時運行APF1和APF2，測量T1變壓器和T2變壓器進(jìn)線柜諧波電壓電流，如圖6和圖7所示：

圖6 補償后諧波電壓電流波形

圖7 補償后諧波電壓電流有效值

    以上數(shù)據(jù)滿足GB/T 14549-93《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》的相關(guān)限值。通過對現(xiàn)場系統(tǒng)和負(fù)荷特性的了解，分析負(fù)荷故障原因，避免了UPS自帶無源濾波器與UPS間的并聯(lián)諧振，抑制電流諧波放大；采用分布式補償方案，避免變壓器間電壓畸變引起的電流畸變，從而有效的濾除UPS產(chǎn)生的諧波電流，解決了現(xiàn)場諧波對公用電網(wǎng)的污染問題。

4、結(jié)束語

    本文分析了數(shù)據(jù)中心主要負(fù)荷UPS諧波產(chǎn)生的主要原因、UPS內(nèi)部無源濾波原理、諧波電壓和諧波電流間的互相關(guān)系以及在工程項目中如何判斷諧波引起的故障，并提出解決方案，抑制諧波電流的放大，采用合理的補償策略，較終達(dá)到濾除諧波污染的目的。得出結(jié)論：

    1.UPS的諧波主要是由相控整流功率器件引起的；

    2.12脈沖整流型UPS上下橋調(diào)相角或帶載不對稱時，輸入端11次諧波濾波器會與UPS未抵消的5次、7次諧波電流產(chǎn)生諧振，放大5次、7次諧波電流；

    3.有源電力濾波器APF并不適用于諧波電壓（背景諧波）引起的諧波電流濾波場合；

    4.電能質(zhì)量優(yōu)化工程項目中，了解現(xiàn)場負(fù)荷特性、分析故障根本原因，是解決工程項目諧波治理的必要條件。

文章來源：《電氣時代》2017年12期。

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