有源電力濾波器
1.1 概述
電力系統(tǒng)中理想的電壓、電流波形都是頻率為50Hz
的正弦波，但是非線性電力設(shè)備（如：大功率可控硅、變頻器、UPS、開(kāi)關(guān)電源、中頻爐、節(jié)能燈等）的廣泛應(yīng)用產(chǎn)生了大量畸變的諧波電流，諧波電流耦合在線路上產(chǎn)生諧波電壓。對(duì)非正弦的畸變電流作傅立葉級(jí)數(shù)分解，其中頻率與工頻相同的分量為基波，頻率是基波頻率整數(shù)倍的分量為諧波。這類(lèi)諧波“污染”會(huì)對(duì)電網(wǎng)和用戶(hù)產(chǎn)生很大危害，所以稱(chēng)諧波治理是一項(xiàng)“綠色工程”!
由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，有源電力濾波器（APF）開(kāi)始規(guī)模化應(yīng)用，相對(duì)于傳統(tǒng)的諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償裝置，APF
響應(yīng)速度快、實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償各次諧波，具有補(bǔ)償諧波、無(wú)功補(bǔ)償和平衡三相電流的功能，同時(shí)，APF
還具有不受系統(tǒng)阻抗影響、無(wú)諧振隱患、補(bǔ)償效率高等優(yōu)勢(shì)，在各行各業(yè)的供電系統(tǒng)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。產(chǎn)品符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q31/0114000129C033-2017《ANAPF
有源電力濾波器》的規(guī)定。
1.2 ANAPF 的基本原理
ANAPF 系列有源電力濾波器并聯(lián)在含諧波負(fù)載的低壓配電系統(tǒng)中，能夠?qū)?dòng)態(tài)變化的諧波電流進(jìn)行快速實(shí)時(shí)的跟蹤和補(bǔ)償。其原理為：ANAPF
系列有源電力濾波器通過(guò)CT
采集系統(tǒng)諧波電流，經(jīng)控制器快速計(jì)算并提取各次諧波電流的含量，產(chǎn)生諧波電流指令，通過(guò)功率執(zhí)行器件產(chǎn)生與諧波電流幅值相等方向相反的補(bǔ)償電流，并注入電力系統(tǒng)中，從而抵消非線性負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流。
圖1-1 ANAPF 有源電力濾波器原理圖
1.3 ANAPF 參照標(biāo)準(zhǔn)
GB/T14549-1993 《電能質(zhì)量：公用電網(wǎng)諧波》
GB/T15543-2008 《電能質(zhì)量：三相電壓不平衡》
GB/T12325-2008 《電能質(zhì)量：供電電壓偏差》
GB/T12326-2008 《電能質(zhì)量：電壓波動(dòng)和閃變》
GB/T18481-2001 《電能質(zhì)量：暫時(shí)過(guò)電壓和瞬態(tài)過(guò)電壓》
GB/T15945-2008 《電能質(zhì)量：電力系統(tǒng)頻率偏差》
GB17625.1-2012 《電磁兼容限值諧波電流發(fā)射限值（設(shè)備每相輸入電流≤16A）》
GB/T15576-2008 《低壓成套無(wú)功功率補(bǔ)償裝置》
JB/T11067-2011 《低壓有源電力濾波裝置》
1.4 ANAPF 系統(tǒng)的構(gòu)成
圖1-2 為ANAPF 的系統(tǒng)原理圖。圖中電流源是電力系統(tǒng)交流電壓，非線性負(fù)載為諧波源，工作時(shí)產(chǎn)生諧波和無(wú)功電流。ANAPF
主要由負(fù)載電流檢測(cè)、指令電流計(jì)算、橋臂電流輸出控制、驅(qū)動(dòng)電路以及主電路組成。通過(guò)檢測(cè)負(fù)載電流中的諧波電流成分來(lái)得出實(shí)際補(bǔ)償需要的指令電流。IGBT
驅(qū)動(dòng)電路以及主電路為補(bǔ)償電流發(fā)生電路，它的主要作用是根據(jù)指令運(yùn)算電路得出的諧波電流補(bǔ)償信號(hào)，產(chǎn)生實(shí)際的補(bǔ)償電流。主電路主要由電壓型PWM
變流器，以及與其相連的電感和直流側(cè)支撐電容（DC-Link）組成。
ANAPF 不僅可濾除諧波電流，還可適當(dāng)補(bǔ)償無(wú)功，平衡三相系統(tǒng)的電流。
圖1-2 ANAPF 系統(tǒng)原理圖
1.5 ANAPF 性能
1.5.1 技術(shù)參數(shù)
ANAPF 技術(shù)參數(shù)如表1-1 所示。
1.5.2 保護(hù)功能
a) 輸出超限保護(hù)
當(dāng)諧波負(fù)載容量超出ANAPF 補(bǔ)償能力時(shí)，ANAPF 按*大能力輸出（即限流輸出），能**避免由于負(fù)載容量過(guò)大而引起ANAPF 線路燒毀的情況；
b) 過(guò)溫度保護(hù)
ANAPF 內(nèi)部功率半導(dǎo)體部分溫度超過(guò)85±2℃時(shí)，ANAPF 會(huì)自動(dòng)切斷主回路，且顯示屏HMI 上產(chǎn)生相應(yīng)的故障記錄；
c) 直流母線過(guò)壓保護(hù)
直流母線電壓超過(guò)設(shè)定值時(shí)，ANAPF 會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，且顯示屏HMI 上產(chǎn)生相應(yīng)的故障記錄；
d) 輸入電壓欠壓、過(guò)壓保護(hù)
當(dāng)輸入電壓高于或低于額定電壓的±10%時(shí)，ANAPF 會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，且顯示屏HMI 上產(chǎn)生相應(yīng)的故障記錄。
1.6. ANAPF 的電路結(jié)構(gòu)
ANAPF 電路結(jié)構(gòu)主要由主電路、邏輯控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和電流采樣電路等組成。
1.6.1 主電路
ANAPF 主電路如圖1-3 所示。
圖1-3 主電路圖
主電路由斷路器(QF)、交流接觸器(KM)、限流電阻(R)、輸出電抗(L1、L2)、RCL 濾波支路、IGBT 變流模塊、膜電容組成。
主電路采用三相全橋電壓型PWM 變流器，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(chǔ)能電容充電，使母線電壓維持在某個(gè)穩(wěn)定值，在這個(gè)過(guò)程中變流器主要工作在整流狀態(tài)；當(dāng)主電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流時(shí)，變流器又工作在逆變狀態(tài)。
電容用來(lái)儲(chǔ)存直流側(cè)能量；輸出電抗的作用：補(bǔ)償電流通過(guò)電抗向系統(tǒng)注入或吸收電流。
1.6.2 邏輯控制電路
邏輯控制回路包括繼電控制、電源系統(tǒng)和PWM 脈沖輸出三部分：
-
繼電控制系統(tǒng)主要由斷路器、接觸器、中間繼電器、控制按鈕、指示燈等組成；
-
電源系統(tǒng)主要是給控制部分、輔助邏輯部分以及冷卻系統(tǒng)供電，它由進(jìn)線變壓器、交流濾波器、開(kāi)關(guān)電源等組成；
-
PWM 脈沖輸出部分是控制IGBT 的通斷，從而實(shí)現(xiàn)電流的跟蹤控制。
1.6.3 驅(qū)動(dòng)電路
驅(qū)動(dòng)電路由電源部分、驅(qū)動(dòng)部分和保護(hù)部分組成：
-
電源部分為驅(qū)動(dòng)模塊的正常工作提供電源；
-
驅(qū)動(dòng)部分包括驅(qū)動(dòng)模塊和相關(guān)的外圍電路；
-
保護(hù)部分主要是檢測(cè)PWM 變流器的電流和溫度信號(hào)，必要時(shí)停止PWM 變流器。
1.6.4 電流采樣電路
電流采樣電路主要包括輸出電流采樣電路和負(fù)載電流采樣電路（或電網(wǎng)電流采樣電路）；通過(guò)采樣到的負(fù)載電流（或電網(wǎng)電流）計(jì)算出其中的諧波電流，將這個(gè)諧波電流反相，就得到指令電流，通過(guò)指令電流和輸出電流的差值控制PWM
脈沖輸出，驅(qū)動(dòng)IGBT 功率模塊輸出反相的諧波電流，與電網(wǎng)中的諧波電流相抵消，從而達(dá)到濾除諧波的目的。
1.7 人機(jī)界面
液晶顯示屏的作用是檢測(cè)、控制ANAPF 的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)以及記錄相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)，便于用戶(hù)實(shí)際操作。顯示內(nèi)容如表1-2 所示：
具體操作步驟及方法詳見(jiàn)第三章節(jié)。
1.8 型號(hào)說(shuō)明
1.9 柜子外形尺寸
1.9.1 立柜式ANAPF
1.9.2 模塊化ANAPF
1.10 治理方式
1.10.1 集中治理
集中治理適用于單臺(tái)設(shè)備諧波含量小，但數(shù)量龐大、布局分散的場(chǎng)合，比如辦公大樓(個(gè)人電腦、節(jié)能燈、變頻空調(diào)、電梯等)，雖然單臺(tái)設(shè)備的電流小，諧波含量低，但整棟大樓的總電流大，總諧波電流也大。
1.10.2 局部治理
局部治理適用于諧波源集中在某一條或幾條饋出支路的配電系統(tǒng)，比如醫(yī)院的精密儀器、UPS 電源等，雖然單臺(tái)設(shè)備的電流小，諧波含量低，但為防止其他設(shè)備產(chǎn)生的諧波對(duì)其干擾，采用局部諧波治理。
1.10.3 局部治理
就地治理適用于諧波源比較明確且單臺(tái)設(shè)備諧波含量較大的配電系統(tǒng)，比如大型商業(yè)區(qū)的景觀照明、影劇院的可控硅調(diào)光設(shè)備、工業(yè)區(qū)的變頻器調(diào)速設(shè)備等，單臺(tái)設(shè)備電流大、諧波含量高、諧波電流大，為防止諧波電流影響其他用電設(shè)備，采用就地治理。
