浅谈有源电力滤波器在小区配电系统中的应用

叶根胜

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要:随着科学技术的发展，大量的电力电子装置广泛的应用于工业的冬个域，给工业带来了翻天覆地的变化，但大量电力电子装置的广泛应用，同时也给电力系统这个环境带来了严重的“污染”，其根本原因就是电力电子装置是非线性负荷，在系统中运行会产生谐波，造成十分严重的危害。有源电力滤波器(ActivePowerFilter)是目研究比较深入的一种装置，它是一种用于动态补偿，既可抑制谐波，又可以补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，其应用可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点。

关键词:有源电力滤波器APF;小区配电网;谐波源

1导言

有源滤波器采用的是现代电力电子技术、数字信号处理技术和**控制理论的电力技术，它有助于电网谐波的动态性实时补偿，是目解决谐波污染、改善电能质量*有效和*具潜力的途径之一。一直以来谐波问题只在工业域受到重视，在小区配电网中很少受到关注。有调查结果表明，小区配电网谐波污染程度已经非常严重，且有逐年加剧的形势。因此，小区配电网的谐波治理势在必行。

2低压配电网的主要谐波源

随着现代工业技术和民用建筑行业的快速发展,配电网中非线性负荷迅速增加。各种非线性和时变性电子变流器如逆变器、整流器和各种开关电源在工业生产和日常生活中得到越来越广泛地应用,其对电网的污染也日益严重,这些装置从电网中消耗大量的无功功率,并产生大量的谐波分量注入电网,导致电网的电压和电流波形严重变形,从而逐渐成为配电网中*主要的谐波源。而在低压配电网中,民用和商业用电量所占的比例日益增大,各种办公自动化设备和家电的日益普及,虽然这些电器单个的功率并不大,向电网注入的谐波很小,但由于总体数量庞大且工作同时性强,它们向电网注入的总谐波电流非常巨大,所以建筑用电逐渐成为低压配电网的主要谐波污染源之一。

3谐的治方案

3.1主动型治理方案

常见的主动型治理方案就是采用高功率因数变流器。电力电子装置是电力系统中*主要的谐波源,抑制谐波*直接的的途径,就是开发新型变流器一一单位功率因数变流器(UnityPowerFactorConverter),这种变流器在工作过程中不产生谐波,且功率因数为1。高功率因数变流器可近似看成为单位功率因数变流器。采用多重化技术可以有效地减少变流器谐波,其原理是:多个方波的叠加可以消除次数较低的谐波,从而得到近似正弦波的阶梯波,重数越多,所得波形越接近正弦波,但电路结构也越复杂。如果将多重化技术与PWM技术相配合,可取得更加理想的结果。这种方案一般需要投入大量的资金,普通电力用户难以接受。因此这种方法大多应用于大容量场合。

3.2被动型治理方案

1)传统的谐波补偿装置就是采用由电感电容串并联构成的LC调谐滤波器,结构如图1所示.利用谐振原理对特定次数谐波电流形成低阻抗,达到对谐波电流的分离,使其不注入电网。这种方法既可抑制谐波,又可补偿无功功率,而且结构简单,已经被广泛使用于电力系统。然而,这种谐波补偿装置的补偿性能受电网阻抗和运行状态影响,因其与系统的并联连接方式，容易发生并联谐振,使谐波电流放大,导致LC滤波器过载甚至烧毁。此外,固定的拓扑结构决定这种滤波器只能对固定频率的谐波进行补偿,且补偿效果并不理想。尽管如此,因其结构简单、价格低廉等优势,LC滤波器目仍是补偿谐波*主要的方案。

图1LC滤波器结构示意图

00001. 现越来越流行的一种抑制谐波的被动型方案,就是采用有源电力滤波器(ActivePowerFilterAPF)。有源电力滤波器也是一种电力电子装置。其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流,由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而性相反的补偿电流注入电网,与谐波源注入电网的谐波电流相抵消,从而使电网电流不含谐波分量、只含基波分量。这种滤波器能对幅值和频率都变化的谐波进行实时跟踪补偿,且补偿性能不受电网阻抗的影响,因而受到很大的重视。

图2有源电力滤波器原理图

4小区网产及

4.1小区配电网谐波产生的原因

正弦电压作用在非线性负载上产生的电流不是标准正弦电流，而是发生了畸变。根据傅里叶数理论，可以将负载电流进行傅里叶积分，分解出以基波频率为基础的各次谐波，即电流中除了基波(50Hz)的电流以外，还有2次(100Hz)、3次(150Hz)··...·各次谐波电流。家庭中使用的电器设备多数都是非线性负载，所以在使用过程中都会产生谐波。2、小区配

4.2电网谐波的危害

1)引起零序谐波，并造成三相不平衡，降低供电质量:

2)使配电变压器产生附加功率损耗、发热量增加，诱发变压器故障;

3)加速绝缘介质老化，引起配电网短路故障，甚至造成人身伤害:

4)对断路器、熔断器、继电器等设备产生干扰，造成其误动，降低供电可靠性:5)引发无功补偿设备谐振，导致无功补偿设备无法投切，功率因数无法提高:

6)使电气计量和测量的误差加大:

7)缩短电器设备的使用寿命:

4.3APF用于小区配电网

1)有源电力滤波器APF工作原理

APF由两部分组成:谐波和无功电流检测电路及补偿电流发生电路(由补偿电流控制电路、驱动隔离电路和主电路三个部分构成)。者的作用是检测出负载电流中的谐波和无功分量;后者的作用是根据检测出来的谐波和无功电流等产生相应的补偿电流。

有源电力滤波器APF工作原理APF由两部分组成:谐波和无功电流检测电路及补偿电流发生电路(由补偿电流控制电路、驱动隔离电路和主电路三个部分构成)。者的作用是检测出负载电流中的谐波和无功分量;后者的作用是根据检测出来的谐波和无功电流等产生相应的补偿电流。谐波无功电流检测电路将负载电流iL中的谐波电流iLh和无功电流iLg分离出来，然后把它们反相并产生出补偿电流iC的调制波信号iC*，也就是指令信号iC*=iLh+iLq。补偿电流控制电路根据iC*的值输出触发脉冲，通过驱动隔离电路驱动主电路的功率开关，使其创建出补偿电流iC，iC要跟踪iC*，故iC~-iC*，因此:iS=iL+iC=iL-iC*=iL-(iLh+ilLq)=iLp，即电源电流iS中只含有基波有功分iLp量，从而达到消除谐波和补偿无功功率的目的。根据此原理，对于三相APF，还能对电流的不对称度和负序电流等进行补偿

2)有源电力滤波器APF实际应用效果

图3为某小区配电室加装有源电力滤波器后电压、电流波形对比。在安装APF装置，电流中3、5、7次谐波含量较大，APF投入使用后，电流中3、5、7次谐波含量几乎全部被滤除，同时，电压波形得到改善，提高了供电质量。

图3某小区使用APF后电压、电流波形对比

5有源电力滤波器APF的使用成效

1)谐波得到有效消除，提高供电电能质量:

2)减少3、5、7次谐波流入上电网，避免造成谐波污染的进一步危害:3)减少谐波造成的停电事故，保障安全、**、稳定供电;

4)少谐波对配电设备的损害，降低维护工作量和维护检修费用:

5)谐波无功功率得到补偿，同时保障基波无功功率补偿，提高供电能力。

6安科瑞APF有源滤波器产品选型

6.1产品特点

（1）DSP+FPGA控制方式，响应时间短，全数字控制算法，运行稳定；

（2）一机**，既可补谐波，又可兼补无功，可对2～51次谐波进行全补偿或**特定次谐波进行补偿；

（3）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；

（4）模块化设计，体积小，安装便利，方便扩容；

（5）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；

（6）输出端加装滤波装置，降低高频纹波对电力系统的影响；

（7）多机并联，达到较高的电流输出等；

（8）拥有自主利技术。

6.2型号说明

6.3尺寸说明

6.4产品实物展示

ANAPF有源滤波器

7安科瑞智能电容器产品选型

7.1产品概述

AZC/AZCL系列智能电容器是应用于0.4kV、50Hz低压配电中用于节省能源、降低线损、提高功率因数和电能质量的新一代无功补偿设备。它由智能测控单元，晶闸管复合开关电路，线路保护单元，两台共补或一台分补低压电力电容器构成。可替代常规由熔丝、复合开关或机械式接触器、热继电器、低压电力电容器、指示灯等散件在柜内和柜面由导线连接而组成的自动无功补偿装置。具有体积更小，功耗更低，维护方便，使用寿命长，可靠性高的特点，适应现代电网对无功补偿的更高要求。

AZC/AZCL系列智能电容器采用定式LCD液晶显示器，可显示三相母线电压、三相母线电流、三相功率因数、频率、电容器路数及投切状态、有功功率、无功功率、谐波电压总畸变率、电容器温度等。通过内部晶闸管复合开关电路，自动寻找适宜投入（切除）点，实现过零投切，具有过压保护、缺相保护、过谐保护、过温保护等保护功能。

7.2型号说明

AZC系列智能电容器选型：

AZCL系列智能电容器选型：

7.3产品实物展示

AZC系列智能电容模块AZCL系列智能电容模块

安科瑞无功补偿装置智能电容方案

8结论

通过在小区低压补偿柜和无功补偿箱上加装APF装置，解决了小区无功补偿装置因谐波超标投不上的问题，又防止了高频装置因产生高幅值谐波电流引起的开关误动。因此，综合其自身特点可以推而广之，可应用于配网低压谐波超标、功率因数偏低以及没装消谐装置的高频装置上，以限制或消除谐波、提高功率因数，很大的改善电能质量。

参考文献

[1]中国国家标准GB7251.1-2005.《低压成套开关设备和控制设备1》[S]

[2]张新,吴超,牛冠清.有源电力滤波器APF在小区配电网中的应用[J].科技与企业,2013(24):403-404.DOI:10.13751/j.cnki.kjyqy.2013.24.387.

[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版

[4]柳杨.有源电力滤波器APF在小区配电网中的应用

作者简介

叶根胜，男,现任职于安科瑞电气股份有限公司。

原创作者：上海安科瑞新能源有限公司