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有源电力滤波器

  1ANAPF 的基本原理和结构

  有源电力滤波器(APFActive power filter)是一种用于动态治理谐波、补偿无功、平衡三相的新型电力电子设备,它能够快速跟踪补偿不同大小和频率的谐波,之所以称为有源,是相对于无源LC滤波器只能被动吸收固定频率与大小的谐波而言的,APF通过采样负载电流信号并进行各次谐波和无功的分离,主动输出相同大小、频率和相位的电流,快速响应抵消负载中的相应电流,实现了动态跟踪谐波补偿,而且可以既补谐波又补无功和平衡三相。

  ANAPF 是安科瑞研发的一种用于动态抑制谐波、补偿无功、平衡三相系统的新型电力电子装置,它能对大小变化的谐波 电流以及变化的无功进行补偿,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。

  ANAPF 的基本原理如图 3-1 所示:检测补偿对象的电压和电流,经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指 令信号,该信号经补偿电流发生电路放大,得出补偿电流,补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵 消,最终得到期望的电源电流

有源电力滤波器工作原理

3-1 ANAPF 基本原理

  1.1ANAPF 参照标准

  GB/T14549-1993 《电能质量:公用电网谐波》

  GB17625.1-2012 《电磁兼容 限值 谐波电流发射限值》

  GB/T15576-1995 《低压成套无功功率补偿装置》

  JB/T11067-2011 《低压有源电力滤波装置》

  GB/T12325-2008 《电能质量:供电电压偏差》

  GB/T15543-2008 《电能质量:三相电压不平衡度》

  GB/T15945-2008 《电能质量:电力系统频率偏差》

  GB/T12326-2008 《电能质量:电压波动和闪变》

  GB/T18481-2001 《电能质量:暂时过电压和瞬态过电压》

  1.2ANAPF 系统的构成

  图 3-2 ANAPF 的系统原理图。图中电流源是电力系统交流电压,非线性负载为谐波源,工作时产生谐波 和无功电流。ANAPF 主要由负载电流检测、指令电流计算、桥臂电流输出控制、驱动电路以及主电路组成。通 过检测负载电流中的谐波电流成分来得出实际补偿需要的指令电流。IGBT 驱动电路以及主电路为补偿电流发生 电路,它的主要作用是根据指令运算电路得出的谐波电流补偿信号,产生实际的补偿电流。主电路主要由电压型 PWM 变流器,以及与其相连的电感和直流侧支撑电容(DC-Link)组成。

  ANAPF 不仅可滤除谐波电流,还可适当补偿无功,平衡三相系统的电流。

有源电力滤波器

3-2 ANAPF 系统原理图

  1.3ANAPF 性能

  1.3.1技术参数

  ANAPF 技术参数如表 3-1 所示。

  表 3-1 ANAPF 技术参数

有源电力滤波器原理

  1.3.2保护功能

  a) 输出超限保护

  当谐波负载容量超出 ANAPF 补偿能力时,ANAPF 按最大能力输出(即限流输出),能避免由于负载容 量过大而引起 ANAPF 线路烧毁的情况;

  b) 过温度保护

  ANAPF 内部功率半导体部分温度超过 85±2℃时,ANAPF 会自动切断主回路,且显示屏 HMI 上产生相应的 故障记录;

  c) 直流母线过压保护

  直流母线电压超过设定值(930V±10 V)时,ANAPF 会自动关闭,且显示屏 HMI 上产生相应的故障记录; d) 输入电压欠压、过压保护

  当输入电压高于或低于额定电压的±10%时,ANAPF 会自动关闭,且显示屏 HMI 上产生相应的故障记录。

  1.4 ANAPF 的电路结构

  ANAPF 电路结构主要由主电路、逻辑控制电路、驱动电路和电流采样电路等组成。

  1.4.1 主电路

  ANAPF 主电路如图 3-3 所示。

有源电力滤波器技术参数

3-3 主电路图

  主电路由断路器(QF)、交流接触器(KM1KM2)、限流电阻(R)、输出电抗(L1L2)RCL 滤波支路、IGBT 变流模块、膜电容组成。

  主电路采用三相全桥电压型 PWM 变流器,变流器的作用主要是将电网的电压经 IGBT 功率模块整流后为储 能电容充电,使母线电压维持在某个稳定值,在这个过程中变流器主要工作在整流状态;当主电路产生补偿电流 时,变流器又工作在逆变状态。

  电容用来储存直流侧能量;输出电抗的作用:补偿电流通过电抗向系统注入或吸收电流。

  1.4.2 逻辑控制电路

  逻辑控制回路包括继电控制、电源系统和 PWM 脉冲输出三部分:

  l 继电控制系统主要由断路器、接触器、中间继电器、控制按钮、指示灯等组成;

  l 电源系统主要是给控制部分、辅助逻辑部分以及冷却系统供电,它由进线变压器、交流滤波器、开关电源 等组成;

  l PWM 脉冲输出部分是控制 IGBT 的通断,从而实现电流的跟踪控制。

  1.4.3 驱动电路

  驱动电路由电源部分、驱动部分和保护部分组成:

  l 电源部分为驱动模块的正常工作提供电源;

  l 驱动部分包括驱动模块和相关的外围电路;

  l 保护部分主要是检测 PWM 变流器的电流和温度信号,必要时停止 PWM 变流器。

  1.4.4 电流采样电路

  电流采样电路主要包括输出电流采样电路和负载电流采样电路(或电网电流采样电路);通过采样到的负载电 流(或电网电流)计算出其中的谐波电流,将这个谐波电流反相,就得到指令电流,通过指令电流和输出电流的 ANAPF 有源电力滤波器通过差值控制 PWM 脉冲输出,驱动 IGBT 功率模块输出反相的谐波电流,与电网中的谐波电流相抵消,从而达到滤 除谐波的目的。

  1.5 人机界面

  液晶显示屏的作用是检测、控制 ANAPF 的当前运行状态以及记录相关运行数据,便于用户实际操作。显示 内容如表 3-2 所示:

3-2 液晶屏显示功能表

有源电力滤波装置

  立柜式 ANAPF 操作面板按键有:急停按钮 EMERGENCY/STOP(红色)1 ;指示灯有:运行指示灯 (绿色)1 个、故障指示灯(红色)1 个。

  1.6 柜子外形尺寸

  1.6.1 立柜式 ANAPF

有源电力滤波器功能

  1.6.2 壁挂式 ANAPF

柜式有源电力滤波器

  1.6.3 抽屉式 ANAPF

壁挂式有源电力滤波器

  1.7 型号说明

抽屉式有源电力滤波器

  1.8并网接线

  (1)典型的推荐接线方式

  如图 4-1、图 4-2 所示,电流互感器(CT)可以置于负载侧或者网侧,一般情况下,推荐安装在负载侧, 即 CT 安装在 ANAPF 主线与负载之间。

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4-1 ANAPF 电流互感器负载侧接法的配线示意

有源电力滤波器接线

4-2 ANAPF 电流互感器电网侧接法的配线示意图

  (2)负载侧含有并联电容柜或无源滤波装置的 CT 接线在很多应用场合,已经安装并联电容柜或无源滤波装置,在此情况下,要确保用户 CT 检测的电流不含有 电容或无源滤波装置的电流。

  当主电路并接在无功柜后端,负载前端时,互感器(负载侧)接线如图 4-3 所示;

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4-3 主电路并在无功柜后端(负载侧)

  当主电路并接在无功柜前端,互感器(负载侧)接线如图 4-4 所示,此时需要两组 CT,且它们的变比需要 一致,并特别注意两组的穿线方向。

有源电力滤波器价格

4-4 主电路并在无功柜前端(负载侧)

  当主电路并接在无功柜后端,负载前端时,互感器(电网侧)接线如图 4-5 所示;

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4-5 主电路并在无功柜后端(电网侧)

  当主电路并接在无功柜前端时,互感器(电网侧)接线如图 4-3 所示,同样此时需要两组 CT,且它们的 变比需要一致,并特别注意两组的穿线方向。

有源电力滤波器报价

4-6 主电路并在无功柜前端(电网侧)

  (3)并机接线

  ANAPF 有源电力滤波器允许多台并机运行来增加补偿容量。并机时只需一组 CT,具体接线如图 4-7 所示 (2 台并机为例),将 CT 二次侧输出通过每台 ANAPF 的电流互感器输入端子串联起来。每台 ANAPF 的主线都 并联在电网上。

有源电力滤波器

4-7 两台并机运行接线图

  1.9互感器的选择

  互感器用来检测负载电流的大小,是 ANAPF 输出补偿信号的基础,所以互感器的选择和安装非常重要。选 择互感器时,首先需要知道实际被测负载电流的最大值,在留有一定裕量的基础上,选择相应量程的互感器,另 外,互感器外形尺寸、安装方式、测量精度、测量频带等参数都是选择互感器的依据。

  操作说明

  2ANAPF 的操作主要分为自检、启动、补偿、待机、停机等操作,以上功能的操作步骤必须严格按照本说明 书中的相应步骤进行操作。

  2.1 操作时序

5-1 ANAPF 操作时序表

有源滤波器

  2.2 启动前的准备工作

  2.2.1 安装检查

  a.检查 ANAPF 机柜是否安装平稳;

  b.检查 ANAPF 的安装电缆及电流互感器的电流采样线是否牢固;

  c.检查机柜及电流互感器的接地线是否正确、牢固;

  2.2.2 相序检查

  输入电压必须是正相序(A → B → C →A )连接,错相会造成 ANAPF 不能正常运行! 检查相 序办法:检查主电路接线,确保 ANAPF 的相序与电网相序一致。

  2.2.3 互感器检查

  互感器的接线错误是导致 ANAPF 不能正常运行的主要原因之一! 对照 5.3.2 节中正确的主电路接线图检查互 感器接线,互感器接线的相序和主电路相序一致,互感器的 P1 面始终指向电网侧,P2 面始终指向负载侧。

  2.3 操作步骤

  启动 ANAPF 运行前要特别注意的几点:

  l 确保 ANAPF 的塑壳断路器处于闭合状态;

  l 确保主电路接线正确;

  l 确保负载侧电流采样互感器接线正确;

  l 确保急停按钮恢复(抽屉式/壁挂式 ANAPF 除外)

  2.3.1 自检

  点击显示屏上【自检】按钮,待确定对话框弹出后,点击【确定】,ANAPF 进入自检状态,如图 5-1 所示。

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5-1 自检确定界面

  自检完成后,系统当前状态显示:停机(正常)”,如图 5-2 所示。

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5-2 停机(正常)界面

  2.3.2 启动

  启动过程需要经历预充电、升压、待机等三个过程,这三个过程是在点击启动按钮后由系统自动完成。点击 显示屏上【启动】按钮,待确定对话框弹出后,点击【确定】,如图 5-3 所示。

有源电力滤波柜

5-3 启动确定界面

  预充电状态是一个整流过程,在此过程中 ANAPF 的直流电压从 0V 上升至 560V 左右。 升压状态是指 ANAPF 母排上的直流电压由原来的 560V 上升到预定值的过程,升压完成后,此时母线电压状 态显示为:电压正常。同时,ANAPF 状态显示为待机状态,如图 5-4 所示:

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5-4 待机界面

  2.3.3 补偿

  点击显示屏上【补偿】按钮,待确定对话框弹出后,点击【确定】,ANAPF 就进入运行补偿状态,如图 5-5 所示。

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5-5 补偿界面

  2.3.4 待机 点击显示屏上【待机】按钮,待确定对话框弹出后,点击【确定】,ANAPF 进入待机状态,如图 5-4 所示。

  2.3.5 停机

  点击显示屏上【停机】按钮,待确定对话框弹出后,点击【确定】,ANAPF 退出待机/补偿状态,待 直流母线电压状态为电压偏低,同时,ANAPF 状态显示停机(正常)”,则 ANAPF 进入停机状态,如图 5-2 所 示。

  2.3.6 故障状态查询

  无论 ANAPF 是在停机过程中还是在运行过程中,一旦发生故障,在状态一栏都会显示:停机(故障)”, 如图 5-6 所示。

有源滤波器功能

  当 ANAPF 发生故障时,可点击【功能】按钮进入主界面,再点击【故障记录】按钮查看故障并参考表 7-1 相 应故障进行排查,如图 5-8 所示。

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5-7 主界面

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5-8 故障查询界面

  3、主要应用场合

  1.变频设备的应用场合 随着技术的进步,变频设备大量应用于各类场合,变频设备会产生大量的谐波,因此,这类场合是有源滤波器主要的目标市场之一。

  2.不稳定负荷的应用场合 不稳定负荷不是有源滤波器的主要市场,但它是电力系统一个重要的方面,因为不稳定的负荷虽然所占比例不大,但是它们对电力系统产生的影响却远远大于其它负荷所造成的影响,因此对于该类应用场合也应作为有源滤波器的主要市场方向之一。

  3.钢铁厂 钢铁厂的电弧炉、轧钢机等是主要的谐波发生设备,且主要是冲击性负荷,对钢铁厂附近的其它负荷有很大影响。同时,谐波问题对钢铁厂无功补偿的影响很大,所以应以无功补偿和谐波治理同时处理作为目标。

  4.有色冶金 有色冶金的负荷除电弧炉性质的负荷外,还由于采用直流湿法冶金而产生大量的直流成分。

  5.港口机械 港机是大型的提升设备,一般都采用很大的变频器,因此是港口机械主要的谐波发生源,因此对于该类应用场合也应作为有源滤波器的市场方向之一。

  6.电气化铁路 电气化铁路一般使用直流电机拖动,因此是一个市政方面的主要谐波源。根据现有上海、北京等地电气化铁路的运行情况,大多数系统都安装了滤波器。预计本产品可以达到电气铁路滤波器国产化的作用。  7.高精度自动化生产线 高精度自动化生产线本身不产生谐波,但是对于电能质量有很高的要求,因此需要在高精度自动化生产线的供电侧安装有源滤波器,以降低谐波对生产线的影响。

  8.办公大楼、大型商业区等节能灯和空调集中场所 办公大楼、大型商业区等节能灯和空调集中场所的谐波情况也非常严重,治理方法宜采用集中治理方法,以节省成本。

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