安科瑞 華梅超 

江蘇安科瑞電器制造有限公司

1 諧波及其治理
1.1諧波的產生
    電力系統中理想的電壓、電流波形都是頻率為50Hz的正弦波，但是非線性電力設備 （大功率可控硅、變頻器、UPS、開關電源等）的廣泛應用產生了大量畸變的諧波電流，諧波電流耦合在線路上產生諧波電壓。對非正弦的畸變電流作傅立葉級數分解，其中頻率與工頻相同的分量為基波，頻率是基波頻率整數倍的分量為諧波。諧波是電能質量的重要指標。
1.2諧波的危害
◆諧波使公用電網中的元件產生附加的損耗，降低了發電、輸電及用電設備的效率。大量三次諧波流過中線會使線路過熱，甚至引起火災。
◆諧波會影響電氣設備的正常工作，使電機產生機械振動和噪聲；使變壓器局部過熱；使電容器、電纜等設備過熱，加快老化以致損壞。
◆引起電網諧振，這種諧振會使諧波電流放大幾倍甚至數十倍，對電容器和與之串聯的電抗器形成很大的威脅，經常使電容器和電抗器燒毀。
◆諧波會導致繼電保護誤動作，造成不必要的供電中斷和生產損失。諧波還會使電氣測量儀表計量不準確，產生計量誤差，給用電管理部門或電力用戶帶來經濟損失。
◆ 臨近的諧波源或較高次諧波會對通信及信息處理設備產生干擾，輕則產生噪聲、降低通信質量、計算機無法正常工作，重則導致信息丟失，使工控系統崩潰。
1.3執行標準

1.4典型諧波源及諧波治理行業
隨著科技的進步和發展，越來越多的非線性電力電子負載被運用在企業當中，在帶來節能和能量變換等積極作用的同時，也產生了諧波等電能質量問題。典型諧波源和需要進行諧波治理的典型行業如下表所示：

1.5有源濾波與無源濾波的比較
傳統的LC無源濾波器只適用于諧波次數固定不變、諧波幅值固定不變、濾波要求低的場合，而諧波或無功動態變化、電氣安全要求高、諧波濾除要求高的場合需要采用APF有源濾波器。

1.6諧波治理的效益
◆ 使諧波指標滿足國家標準，避免供電部門罰款或中斷供電；
◆ 降低變壓器損耗；
◆ 減少諧波污染，降低諧波對自動控制裝置、電能計量裝置、繼電保護裝置的干擾，保證供配電系統安全穩定運行；
◆ 避免諧波過電壓和諧波過電流對電氣設備的危害，延長設備使用壽命；
◆ 節能降耗，提高功率因數，節約電費，避免罰款。

2 ANAPF有源電力濾波器
2.1工作原理
ANAPF系列有源電力濾波器并聯在電網側和諧波負載之間，能對諧波源產生的動態變化的諧波電流進行迅速跟蹤和補償。其原理為：ANAPF系列有源電力濾波器通過CT采集電流諧波，經DSP快速計算，對諧波進行快速傅立葉分解（FFT），確定各次的諧波分量情況，以最快的速度發出電流命令，通過功率執行器件產生與諧波源諧波電流幅值相等方向相反的補償諧波電流，并注入電力系統，從而抵消非線性負載所產生的諧波電流。 

ANAPF有源電力濾波器原理圖

2.2產品特點
◆ DSP+FPGA全數字控制方式，具有極快的響應時間，先進的主電路拓撲和控制算法，精度更高、運行更穩定；
◆ 一機多能，既可補諧波，又可兼補無功，可對2～31次諧波進行全補償或指定特定次諧波進行補償；
◆ 具有完善的橋臂過流保護、直流過壓保護、裝置過溫保護功能；
◆ 模塊化設計，體積小，安裝便利，方便擴容；
◆ 采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏以實現參數設置和控制，使用方便，易于操作和維護；
◆ 輸出端加裝濾波裝置，降低高頻紋波對電力系統的影響；
◆ 多機并聯，達到較高的電流輸出等級；
◆ 擁有自主專利技術。
2.2技術指標

2.4型號說明

2.5結構與尺寸
◆立柜式

◆壁掛式
 

◆抽屜式

2.6上圖示例
電能質量監測與治理系統針對不同的場合可選擇不同的治理方案，一般有集中治理、局部治理和就地治理三種技術方案。
◆集中治理

本案例是在變電所低壓電容柜中設置無功補償，同時在配電前端設置有源電力濾波器，采用集中治理的方式抑制諧波。
集中治理適用于單臺設備諧波含量小，但數量龐大、布局分散的場合，比如辦公大樓(個人電腦、節能燈、變頻空調、電梯等)，雖然單臺設備的電流小，諧波含量低，但整棟大樓的總電流大，總諧波電流也大。
◆局部治理

本案例是在變電所低壓電容柜中設置無功補償，同時在局部諧波源前端設置有源電力濾波器，采用局部治理的方式抑制諧波。
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，比如醫院的精密儀器、UPS電源等，雖然單臺設備的電流小，諧波含量低，但為防止其他設備產生的諧波對其干擾，采用局部諧波治理。
◆就地治理

本案例是在變電所低壓電容柜中設置無功補償，同時在主要諧波源的前端設置有源電力濾波器，采用就地治理方式的抑制諧波。
就地治理適用于諧波源比較明確且單臺設備諧波含量較大的配電系統，比如大型商業區的景觀照明、影劇院的可控硅調光設備、工業區的變頻器調速設備等，單臺設備電流大、諧波含量高、諧波電流大，為防止諧波電流影響其他用電設備，采用就地治理。

3 ANSVG-S-A混合動態消諧補償裝置
3.1概述
根據行業的發展情況以及市場的需求，ANSVG-S-A系列混合動態消諧補償裝置應用最新科技，以SVC的經濟性和APF濾波的強效型等特點為基礎，將兩者技術相結合，突破傳統無功補償技術，在有效降低成本的同時，達到最佳諧波治理與無功補償效果。
ANSVG-S-A系列混合動態消諧補償裝置主要用于補償電網中的無功電流，諧波電流以及不平衡電流等，以此達到提高用電效率、節能以及改善電能質量的目標。
3.2 工作原理
ANSVG系列混合動態消諧補償裝置并聯在整個供電系統中，通過互感器采集信號，根據電網中負載功率因數及諧波含量的變化控制內部的無功補償模塊與有源濾波模塊對系統進行無功補償及有源濾波。其原理為：ANSVG低壓無功功率補償裝置通過CT采集電流、電壓信號，通過控制器計算，計算出無功補償與有源濾波的最佳方案，對系統進行有效的電能質量管理。如下圖所示：

3.3 執行標準

3.4產品特點
◆ 控制方式靈活，采用先進的主電路拓撲和控制算法，響應速度快、補償精度高，運行穩定；
◆ 一機多能，即可補償諧波，又可兼補無功，高性價比； 
◆ 模塊化設計；
◆ 采用可靠的電容電抗器組合，防止出現諧振，完善的自身保護功能。
◆ 采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏以實現參數設置和控制，使用方便，易于操作和維護。

3.5型號說明

3.6技術指標

3.7 上圖示例

4 ANSVC動態無功補償及濾波裝置
4.1概述
動態無功補償及濾波裝置適用于頻率50Hz，電壓0.4kV電網的無功功率自動補償。它集無功補償、濾波、電網監測于一體，不但可以通過投切電容器組來補償電網中的無功損耗，提高功率因數，降低線損，從而提高電網的負載能力和供電質量，而且還能夠實時監測電網的三相電壓、電流、功率因數等電量參數。
4.2 無功補償的重要性
一般來說，使用無功補償裝置來提高功率因數的意義體現在兩個方面：一是可以減少輸電線路上的功率損失；二是可以充分發揮電力設備（如電機、變壓器等）的潛力。因為用電電器總是在一定電壓和一定有功功率下工作，如果功率因數較低，就要用較大的電流來保障用電器正常工作，輸電電流變大，導致線路損耗增加。此外，任何電力設備工作時總是工作在一定的額定電壓與額定電流內，超過額定電壓值，會威脅設備的絕緣性能；工作電流超過額定值，會使內部溫升過高，從而降低了設備的使用壽命。對于一些發電設備而言，功率因數的提高能大大增加效率，例如：一臺發電機容量為1500kW，當電力系統的功率因數由0.6上升至0.8時，就可以使實際發電能力提高到3000kW。
4.3 無功補償的效益
◆ 功率因數過低會受到電力部門的處罰甚至會中斷企業用電高壓供電的工業用戶和高壓供電帶有負荷調壓裝置的電力用戶，功率因數為0.90以上。其他100kVA （ kW ）及以上電力用戶和大、中型電力排灌站，功率因數為0.85以上。凡功率因數達不到上述規定的用戶，電力部門會對其加收額外的電費，即：力率電費（罰款）。
◆ 電力系統缺乏無功功率時就會造成生產效率降低，生產成本變高當功率因數較低時，設備的電壓變化大，無功損耗也大，設備老化加速，容易造成設備使用壽命縮短，影響設備運行。
◆ 降低變壓器及電氣網絡設備的線損線路傳送的視在功率不變，功率因數低將直接增加變壓器和傳輸線路的損耗，直接增加電力費用支出。
4.4 執行標準
◆ GB/T 7251.1-2013  
◆ GB/T 14549-1993   
◆ GB/T 15543-2008   
◆ GB/T 18481-2001   
◆ GB/T 15576-2008    《低壓成套開關設備和控制設備第1部分》
《電能質量：公用電網諧波》
《電能質量：三相電壓允許不平衡度 》
《電能質量：暫時過電壓和瞬態過電壓》 
《低壓無功功率靜態補償裝置總技術條件》

4.5 工作原理
ANSVC低壓無功功率補償裝置并聯在整個供電系統中，能根據電網中負載功率因數的變化控制電力電容器投切進行補償。其原理為：ANSVC低壓無功功率補償裝置通過CT采集電流、電壓信號，通過無功補償控制器計算，計算出投切電容器的最佳方案，通過無觸點開關控制各組電力電容器投切。如下圖所示：

4.6 型號說明

4.7 技術參數

4.8 產品特點
◆ 裝置柜體采用框架拼裝式結構，表面噴塑或鈍化處理，外觀整潔美觀、耐老化、抗腐蝕、高壽命。
◆ 結構設計緊湊合理，模塊化設計，布線整齊大方，維護方便。
◆ 裝置柜體可獨立安裝或與其它柜體拼柜安裝。
◆ 多種補償形式：三相共補、三相分補、共補+分補三種形式。根據電網的實際情況，兼顧補償效果和成本，合理選用補償形式。充分解決補償無功和三相不平衡之間以及三相分補和成本之間的矛盾。    
◆ 使用串聯電抗器保護電容器，可根據用戶現場具體電網背景定制方案。
◆ 控制器具有多回路循環或編碼投切運行方式，能有效地避免分組投切時個別電容投切過于頻繁的問題，實現最優控制。
◆ 具有數據采集功能和標準的通信接口，可實現遠程實時監測和計算機聯網管理。
◆ 采用無觸點開關進行投切電容，過零投入，既沒有投切涌流又有良好的散熱     機制，更不會產生諧波注入，可靠性高。
◆ 具備電力參數監測、采集和統計功能。

4.9 結構與尺寸

4.10 應用領域分析
在交流電力系統中，絕大多數負載都是感性負載。其產生的感性無功回流到電力系統中，導致系統功率因數降低，系統的壓降增大電能損耗增大等問題。常見負載功率因數如下表：

由上表可以看出，感性負載十分常見。為了盡可能減少損失，供電部門會要求電力用戶必須盡可能減少無功消耗。而電力電容器對于感性負載有相反的影響，所以輸入適當的容性無功功率，不僅可以提高功率因數，提升系統電壓，而且能有效地減少系統電能損耗。所以，目前絕大多數用戶都在使用電容器進行無功補償。
ANSVC低壓無功功率補償裝置廣泛應用于電力、汽車、冶金、鐵道、石油、港口、輕工、機械制造、化工、造紙、紡織、煤炭、造船、通訊、建材、機場、大型場館、高層建筑等場所配電系統中，特別適用于電焊機、氣錘、注塑機、密煉機、中頻爐、軋機、起重機、電梯、行車等特別需要無功補償的場合。

4.11 上圖示例

5.典型案例
5.1 ANAPF有源濾波器典型案例
5.1.1 ANAPF有源濾波器在數據機房的應用項目名稱：常熟智慧城市發展中心
項目背景
常熟智慧城市是一個市民卡信息中心，屬于新建項目，其中包括大型數據機房，對電能質量要求非常高。為了提高供電可靠度，采用大量的UPS作為設備電源，機房內還包含空調設備、照明設備等。此類電力電子設備皆屬于非線性負載，會產生大量諧波并注入系統中，主要以5次、7次為主，如果不進行諧波治理，對其他設備的影響很大，比如導致通信數據錯誤，甚至中斷。
●  治理方案
根據以往測量經驗進行諧波分析與估算，諧波主要由UPS和一些非線性直流電源產生，供電系統由2臺800kVA變壓器及其一臺800kW發電機組成，采用集中治理方案，在每臺變壓器下加裝300A有源電力濾波器，由兩臺150A并機實現，型號為ANAPF150-380/BGL，來自動跟蹤補償負載產生的諧波電流，保證整個系統安全可靠運行。
● 治理效果
治理前，N線電流較大，3次、5次、7次等諧波頻次含量較大；治理后，N線電流明顯降低、各次諧波電流得到有效抑制，提高了供電系統的穩定性，消除了諧波對通信系統影響的危害，收到了良好的運行效果。

治理前

治理后

● 安裝現場

5.1.2 ANAPF有源濾波器在辦公樓宇的應用
項目背景
珠海橫琴口岸項目是臨時邊檢大樓的新建項目，為邊檢部門電氣設備提供可靠電力支持，對電能質量要求較高。用電設備主要包括大量的LED顯示及照明、精密空調、UPS電源、報檢大廳動力設備等。這些均屬于非線性負載，會產生大量諧波，其諧波主要包括3、5、7、9次，若不進行合理治理，將對其他電氣設備產生危害，如：大量的3次諧波造成中線過熱甚至發生火災；大量諧波造成變壓器局部嚴重過熱；繼電保護發生誤動作等。
● 治理方案
根據以往測量經驗進行諧波分析與估算，諧波主要由UPS和一些非線性直流電源產生，該項目有1#、2#兩個配電站，1#配電站有2臺800kVA的變壓器，2#配電站有2臺1000KVA的變壓器，分別采用集中治理方案，在每臺變壓器下加裝ANAPF系列有源電力濾波器，由于安裝空間有限，選擇我司壁掛式有源電力濾波器進行嵌入式安裝，1#配電站中#1和#2變壓器下安裝型號均為ANAPF75-380/BBL，2#配電站中#1和#2變壓器下安裝均為2臺型號為ANAPF60-380/BBL的有源電力濾波器并機使用，保障了整個供電系統的穩定性。
● 治理效果
治理前電流波形發生畸變，三相電流畸變率分別為10.8%、11.1%、12.5%；在加裝ANAPF系列有源電力濾波器后電流波形趨向正弦波，各次諧波得到有效抑制，電流畸變率明顯降低，三相電流畸變率降至4.0%、4.1%、4.4%。

治理前

治理后

● 安裝現場

5.1.3 ANAPF有源濾波器在工業領域的應用
● 項目背景
合肥日立建機是日立建機集團在中國最大的生產基地，其主要負載是變頻器、電焊機和中頻爐等，這類負載屬于中污染設備，使用時電流變化很快，無功需求大，傳統無功柜跟不上負載變化速度，導致功率因數很低，造成無功罰款；同時又會產生大量諧波流入電網中，諧波電流在線路上流動會產生壓降，使得電壓也畸變嚴重，致使一些精度高的生產設備不能正常運行，影響公司的生產，導致產品質量下降，給客戶帶來嚴重的經濟損失。
● 治理方案
該項目共有6臺變壓器，均采用集中治理方案，在變壓器的出線側加裝ANAPF系列有源電力濾波器，型號為：ANPF200-380/BGL，既可補償諧波又可補償部分動態無功。同時，建議在變頻器的進線端加裝輸入電抗器，用來濾除部分變頻器諧波，以達到更好的治理效果。

● 治理效果
治理前，電流波形失真十分嚴重，三相電流畸變率分別為21.3%、25.0%、28.0%，主要以5次、7次、11次等符合6n±1次特性的諧波為主，功率因數約0.83左右，會造成無功罰款；加裝ANAPF系列有源電力濾波器后，電流波形已經趨向正弦波，三相電流畸變率分別為2.6%、2.6%、2.6%，主要頻次諧波得到有效抑制，功率因數也都到很明顯的提高。此次諧波治理，電網質量得到明顯改善，有效地保護了生產線上設備的正常運行。

治理前

治理后

● 安裝現場

5.1.4 ANAPF有源電力濾波器在港口碼頭的應用
項目背景
江陰港港口的主要諧波源是門機和一些辦公設備，門機在運行時需要大量無功，且電流沖擊大，波動很快，產生大量的諧波電流，功率因數很低，造成無功罰款；辦公設備會產生3次諧波，導致三相電流不平衡，傳統的純容無功補償裝置已經不能解決這些電能質量問題，甚至還會對無功柜產生危害，使得電容壽命降低，更換頻繁。
● 治理方案
因現場非線性負載（經檢測，主要為起重機回路）多，且具有地域分散，沖擊電流大的特點，易采用集中治理方式，在每個變電站進行諧波治理。采用無功功率補償和諧波治理綜合方案可兼顧無功補償和諧波治理功能，該方案利用現有無功補償控制柜，減少用戶改造投入成本，將ANAPF系列有源電力濾波裝置并聯到配電系統中，一方面可有效抑制諧波放大，保護電容器，而裝置的檢修與日常維護只需從電網中切除，不影響現場的正常運營。
● 治理效果
由圖4-7和圖4-8可以看出，治理前，電流波形失真十分嚴重，呈現典型的M型，三相電流畸變率分別為18.3%、25.1%、32.5%，主要以5次、7次諧波為主；加裝ANAPF系列有源電力濾波器后，電流波形已經趨向正弦波，三相電流畸變率分別為2.6%、2.6%、2.6%，主要頻次諧波得到有效抑制，電網質量得到明顯改善，有效地保護了其他電氣設備。

治理前

治理后

● 安裝現場

5.1.5 ANAPF有源電力濾波器在商業中心的應用
● 項目背景
無錫恒隆廣場屬于大型商業建筑，主要負載是中央空調、電梯和照明設備等，由于變頻器高效的節能性，使用大量變頻器驅動這些設備，但同時會產生大量3次、5次、7次等諧波電流。諧波電流在線路上流動產生壓降，使得電壓也跟著畸變，電壓畸變率超過國標限值，供電質量相當糟糕，影響其他用電設備的正常使用，現場會出現燈具閃爍的現象。
● 治理方案
無錫恒隆廣場該配電系統中共有2臺2000KVA的變壓器，均采用集中治理方案，在變壓器的出線側加裝400A的ANAPF系列有源電力濾波器，使用2臺200A并機實現，型號為：ANPF200-380/BGL。
● 治理效果
治理前電流波形發生畸變，出現多出鋸齒狀；治理后電流波形明顯得到改善，趨向標準正弦波，電能質量達到很大提高，給用電帶來保障。

治理前

治理后

● 安裝現場

5.1.6 ANAPF有源濾波器在其它行業的應用

軌道交通
城市軌道交通存在大量熒光燈、UPS電源、變頻器及軟啟動裝置，均會產生大量諧波，使得電力系統正弦波畸變，電能質量降低。諧波進行綜合治理，給交通安全、順暢帶來保障。
類似行業案例：、山東日照機場、南海三沙市機場、吉林站西廣場交通樞紐等。

醫院
醫院行業主要是核磁共振機、CT機等設備會產生大量諧波，大量先進醫療設備對供電電源的諧波質量要求非常高，如果不進行治理，很可能造成檢測數據誤差大，設備之間干擾不能正常工作，造成嚴重的醫療事故。諧波治理后，降低了用電隱患。
類似行業案例：陜西榆林第一人民醫院、上海第二康復醫院、滁州市第二人民醫院、安徽六安第六人民醫院等。

冶金
冶金行業中大量使用了電弧爐、加熱爐、軋機等，這些負載不僅容量大，而且大部分為感性負荷，在不使用無功補償裝置的情況下，功率因數極低，且產生大量畸變的諧波，嚴重危害電力系統的安全運行和電氣設備安全經濟地運行。
類似行業案例：江蘇省鑌鑫特鋼材材料有限公司、宇東能源化工基地等。

體育館、演播廳
體育館、演播中心這類場所，主要就是大量舞臺燈光、LED屏幕、高桿燈等設備產生諧波。使得電能質量變差，及時進行諧波治理可保障設備本身的使用效果，給用電帶來保障。
類似行業案例：蘇州澹臺湖會議中心、廣州文化宮、武漢市教育電視臺演播廳、岳陽市奧體中心及游泳館等。

5.2 ANSVG混合動態消諧補償裝置典型案例
上海某商務中心屬于新建項目，配電系統有大量諧波源，變頻器、軟啟動器、空調等，危害供電系統穩定性；且無功變化快，需要快速補償。考慮到諧波的影響，圖紙中就已經設計了諧波治理和無功補償裝置。我司根據配電系統圖分別計算無功和諧波補償容量，配備了4臺ANSVG-S-A產品，快速補償了無功和諧波，提高了系統的穩定性，消除了因諧波帶來的安全隱患。

5.3 ANSVC低壓無功功率補償裝置典型案例
ANSVC低壓無功功率補償裝置使用在無功需求大，負載幅值和頻率波動較小的場所。金屬冶煉行業負載主要為各類加熱爐，適合ANSVC低壓無功功率補償裝置的運用。
山西某大型金屬加工企業主要以熔煉碳鋼、特種鋼為主要業務。廠內使用了較大規模的中頻感應加熱爐。經過現場測量，配置ANSVC-600-380/B的無功補償裝置，其補償效果如下：

治理前

治理后

​作者簡介：華梅超，女，本科，江蘇安科瑞電器制造有限公司，主要研究方向為智能建筑供配電監控系統。