1 引言
近年來,電力電子技術不斷地創(chuàng)新、發(fā)展,電力電子技術已被廣泛應用于人們的生活、學習、工作中,常用的充電裝置、計算機、UPS等都是電力電子技術發(fā)展的產(chǎn)物。這些設備的發(fā)明和使用給社會帶來極大的便利,但隨著這些設備的大量應用,電能質量問題也十分突出。諧波作為目前危害電能質量的首要因素,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*。
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)中某些設備和負荷的非線性特性,即所加的電壓與產(chǎn)生的電流不成正比關系造成的波形畸變。當電力系統(tǒng)向含有非線性元器件的設備供電時,這些設備不光變換、吸收系統(tǒng)的電能,還會把部分基波轉換成諧波,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。
2.2 諧波的危害
在輸配電網(wǎng)絡中,諧波會降低變壓器容量、減小線纜載流能力,嚴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,降低設備穩(wěn)定性導致殘次品率增加,還會加速設備老化縮短使用壽命,嚴重時可能損壞設備甚至引起火災。
2.3 產(chǎn)生諧波的設備
產(chǎn)生諧波的設備一般是非線性設備,主要分為以下幾類:
(1)具有鐵磁飽和特性的鐵芯設備,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的設備,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的設備,如開關電源、變流裝置、調(diào)壓裝置等。
一些常見的產(chǎn)生諧波的負載及其諧波量可參見表1。
表1 常見諧波負載的諧波含量
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廣泛的諧波治理方案。2.4 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。無源濾波裝置結構簡單,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;有源濾波裝置結構復雜,造價較高,但是補償效果好,后期維護方便,維護成本低。所以安裝有源濾波裝置是目前被廣泛應用的諧波治理方式。
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,基于高速全數(shù)字控制方式的數(shù)字信號處理技術制成的新型電力諧波治理設備。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,實時檢測負載電流,并通過內(nèi)部DSP計算,提取并計算出負載電流的諧波成分,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)中抵消對應諧波電流,達到濾波目的。工作原理圖及補償示意如圖1所示。
圖1 ANAPF工作原理及對應波形示意
3.2 ANAPF板載式有源濾波裝置結構介紹及優(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)品的結構安排和內(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:
外形尺寸485×275×610 (寬*深*高)
額定電流:50A(可按照需求適當提高)
額定電壓:AC380V
接線方式:三相三線或三相四線
進線方式:上進上出
額定頻率:50Hz
模塊殼體顏色:RAL7035
防護等級:IP20
質量:50KG
圖2 壁掛板載式外觀示意
抽屜式板載模塊外觀如圖3所示:
外形尺寸485×610×275 (寬*深*高)
額定電流:50A(可按照需求適當提高)
額定電壓:AC380V
接線方式:三相三線或三相四線
進線方式:后進后出
額定頻率:50Hz
模塊殼體顏色:RAL9004
防護等級:IP20
質量:50KG
圖3 抽屜板載式外觀示意
其中壁掛式結構適用于負荷容量較小或場地緊湊的場合,一般推薦為單臺式獨立運行時使用;抽屜式結構多采用多模塊并聯(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,適用于大負荷容量的場合。目前我司常規(guī)產(chǎn)品大為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)負載使用變化隨時增、減APF設備的容量(加、減模塊數(shù)量即可,并對人機界面作相應參數(shù)設置);
(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(補償容量會相應減小);
(5)后期維護方便,可實現(xiàn)故障模塊單獨維修、更換;維護期間ANAPF有源濾波裝置可持續(xù)工作。
(6)結構精巧,設計靈活,可作為零部件(模塊)單獨購買,嵌入第三方柜體;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,確保客戶經(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
下面是某負載的產(chǎn)品應用效果圖,其諧波含量在26%左右,通過電能質量分析儀PW3198的分析可以幫助我們很直觀的看到補償效果。
補償后諧波電流含量僅為4%,低于國標對0.38KV電網(wǎng)的要求5%,以C相為例,對應的各次諧波含量清單如下:
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ǎЧ己谩?
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)品基礎上,進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計,后期維護變得更加輕松、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:地治理諧波,可改善電能質量使設備誤動作率大大降低,從而提高電氣設備利用率和產(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;而地補償無功,使功率因數(shù)高達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)設施和用戶設備都有極大的益處,可以說是實現(xiàn)了供用電雙方的共贏。
【參考資料】
[1] 安科瑞電能質量監(jiān)測與治理選型手冊。2015.08版
[2] 安科瑞電氣股份有限公司產(chǎn)品手冊.2013.01.版