2023年ANAPF系列有源滤波装置APF有源电力滤波器在某化工厂应用.docx

天道酬勤 ANAPF系列有源滤波装置(APF有源电力滤波器)在某化工厂应用 　 ANAPF 系列谐波智能滤波装置在某化工厂的应用安科瑞 师晴晴 江苏安科瑞电器制造 江苏江阴 214405前言 随着电力电子变流装置的应用日益广泛，电能得到了更加充分的利用。但非线性电力装置设备的广泛应用产生了大量畸变的电流谐波，畸变电流在电网中的流动导致了谐波电压；谐波污染越来越多地威胁到 电力系统平安、稳定、经济运行，给同一网络的线性负载和其它用户带来了极大影响。谐波已与电磁干扰、 功率因数降低并列为电力系统的三大公害。所以了解谐波产生的原理、研究消除供配电系统中的高次谐波 问题对改善供电质量和确保电力系统平安经济运行有着非常积极的意义。谐波测量是谐波问题中的一个重 要分支，对抑制谐波、解决谐波产生的问题有着重要的指导作用。因此对谐波的测量和分析是电力系统分 析和控制中的一项重要工作，是继电保护、故障测量等工作开展的重要前提。1ANAPF 系列有源电力滤波装置以并联方式接入电网，通过实时检测负载的谐波和无功分量，采用 PWM 变流技术，从变流器中产生一 个和当前谐波分量和无功分量对应的反向分量并实时注入电力系统，从而实现谐波治理和无功补偿。APF 有源电力滤波装置控制器主要由：DSP〔数字信号处理器〕、FPGA 逻辑器件、AD 信号采样电路、DI/DO输入输出控制电路、PWM 波形控制电路、RS485通讯电路等组成，主要用来完成电压、电流等信号的采集和 处理、指令电流的计算、开关电路的生成、PWM 信号的输出、系统对外通讯与系统保护等功能。控制系统 是有源滤波器的核心，它决定了有源电力滤波器系统的主要性能和指标。有源电力滤波装置具有改善供电质量、提高功率因素和设备利用率、节约能源降低损耗等多种功能， 从而获得明显的经济效益，投资回收年限一般为1～2年。本文以某化工厂为例，就低压谐波滤波装置的技 术经济性能作简单的介绍。2用户用电情况简况某化工厂2023年负荷配电变压器容量5.2MVA，有1.6MVA 配电变压器两台，2.0MVA 配电变压器一台， 配电变压器高压侧电压10kV，低压侧为0.4kV，产生谐波的设备主要是整流柜，整流设备容量为1.344MVA。集中接于1号配变的〔1.6MVA〕0.4kV 侧，如简图1所示。整流设备产生的主要谐波电流有5次、7次、11次、13次电流，其实测值见表1。1号配变原来装有0.4kV 侧的无功补偿电容器近600kvar，运行两年来已先后损坏更换约60%，由于无功 缺乏，按力率调整电费每年多交10多万元〔2023年统计〕。为消除谐波的不良影响，降低生产损耗，延长设备寿命，提高生产效率和产品质量，同时也为满足无 功补偿的要求，某化工厂用低压谐波滤波器装置代替了原来的补偿电容器组。谐波次数571113电流〔A〕483312176184表11号配电变压器总线测试值3 ANAPF 有源电力滤波装置3.1 ANAPF 有源电力滤波装置技术参数接线方式三相三线或三相四线接入电压3×380V ±10%接入频率50Hz ±2%动态补偿响应时间动态响应＜4ms，全响应时间＜20ms；开关频率10kHz功能设置只补偿谐波、只补偿无功、既补偿谐波又补偿无功；手动、自动切换。谐波补偿次数2-21次保护类型直流过压IGBT 过流 装置温度保护过载保护自动限流在设定值，不发生过载冷却方式智能风冷噪音＜ 65db(处于柜内并运作于额定状态)工作环境温度-10℃～+45℃工作环境湿度＜85%RH 不凝结安装场合室内安装海拔高度≤1000m〔更高海拔需降容使用〕进出线方式下进下出防护等级IP21智能通信接口RS485/MODBUS-RTU远程监控可选外形尺寸(mm)30A50A75A100A(W×D×H)600×500×1500600×500×1500600×500×1800800×600×2200三相四线三相三线重量(kg)30A、50A75A、100A30A、50A75A、100A2803602402903.2 无功补偿与电力滤波兼顾同一般低压电容补偿设备相比，ANAPF 有源谐波滤波装置除具有无功补偿作用外，还具有滤波能力，使用户注入系统的谐波电流大大降低，表2～3是某化工厂在两组不同用电条件下的实测数据分析。 　从表2可以看出，装设谐波滤波装置前，原有电容补偿支路和负荷及配电变压器之间构成并联谐振回路使 电容及配电变压器的谐波电流明显放大，其谐振点在13次附近。表3反映了投入谐波滤波装置后使用户的各项电能指标得到明显改善；无供需量减少50%，功率因素从0.734提高到0.917,电压及电流畸变均减少了一半。ANAPF 有源滤波装置投入使用后，吸收整流设备产生的大局部高次谐波电流，大大减少对电网污染。1号变压器0.4kV 侧投入谐波滤波装置后，注入系统的谐波电流值5次从301A 降至108A，7次从132A 降至36A， 11次从48A 降至24A，13次从36A 降至12A；对5、7、11、13次谐波的吸收效率分别是64%、72%、50%、66%。表2 原有电容补偿设备对各次谐波电流的影响〔0.4kV 侧〕In/I1(%)工况3571113原有补偿电容投入后4.633.816.99.218.4原有补偿电容退出后4.626.110.73.01.5表3 谐波滤波装置对电能质量的改善三相有三相无电压总畸电流总畸母线电母线电功率三相视在工 况功功率功功率变率变率压〔V〕流〔KA〕因素功率〔MVA〕〔MW〕〔Mvar〕〔THDy〕〔THDI〕谐波滤波装置投入前389.42.30.7341.571.151.0675.3%14.57%谐波滤波装置投入后397.31.8340.9171.261.150.532.55%7.3%3.3 ANAPF 有源电力滤波装置主要技术特点使用方便，易于操作和维护。DSP+FPGA 全数字控制方式，具有极快的响应时间；先进的主电路拓扑和 控制算法，精度更高、运行更稳定；模块化设计，便于生产调试；便利的并联设计，方便扩容；具有完善 的桥臂过流、保护功能；3.4 谐波抑制及治理的容量设计3.4.1谐波电流估算 谐波是由非线性设备产生的，而每种设备的实际工作状态都不同。因此实际谐波电流需采用专门设备进行测量，考虑到设备的技术及经济性，设计谐波治理装置的额定谐波补偿电流应略大于系统谐波电流。 　由于谐波电流本身的测量与计算比拟复杂，况且在设计时往往很难采集到足够的电气设备使用中的谐波数 据，可以根据以下公式以对谐波电流进行估算。其中 K1为负荷率：即负荷占变压器额定容量的比例，通常取0.7-0.8； K2谐波系数，根据系统场合不同而不同；ST 为变压器额定容量，单位 kVA； US 为低压系统电压，一般取0.4。3.4.2 谐波补偿装置容量选型 补偿电流选择原那么：根据估算得到谐波电流值。如采用无源谐波抑制，可根据无功容量每千乏〔kVar〕折算成电流后按0.2-0.3的系数折算成谐波抑 制电流，如100 kVar 消谐式无功补偿电流为144A，按系数0.2折算即抑制28.8A 的谐波电流。如采用有源滤波装置，可根据滤波方案选择框图中的估算值进行设计选型。 　例：某公司配电变压器容量为150kVA，变压器变比为10/0.4kV，K1取值为0.8，K2取值为25%，试求选用电流等级为多少的有源滤波器即可满足抑制谐波的需要。 　根据电流谐波公式为：考虑到要有一定有裕量，选用50A 的有源电力滤波器应选用容量为35kVA 的有源滤波器即可满足抑制谐波的需求。3.5 ANAPF 有源电力滤波装置价格及主要元件清单型号：ANAPF50-400/B参考价格：7.5万元/台主要产品明细：序号名称型号数量1APF 电气柜600X500X180012变流器APFCOV-CVT5013控制器APFMC-C5014电抗器APF-RE.(S)DG-5015有源电流互感器LT108-S736滤波器DL-1TH127断路器NSE100N406318接触器LC1D65 M7C19微型断路器NDM1-63C32110中间继电器MY4NAC211R 型变压器R320-0.38/0.22112谐波检测仪ACR350EGH113电线16mm2假设干14电线4mm2假设干4滤波补偿装置经济效能 功率因素提高：装置投入后功率因数提高至0.9以上，力率调整费变罚为奖，即过去因无功缺乏每 月需交力率调整费近万元，装设补偿滤波装置后功率因数提高，每月奖励力率调整费500多元。增容降低损：由于装设滤波补偿后，能进行有效的就地无功补偿，1号配变相当于增加310kVA，同时，损耗大大降低，2023年3月至11月，某化工厂节约电费开支20.5万元，产品用电单耗由514Kw.h/t，降为475.5 Kw.h/t，降幅为7.5%。 提高产品合格率：滤波补偿装置投入后，谐波减少，电压稳定，电能质量明显改善，因而提高产 品质量，一级品率由97.1%提高到98.29&，2023年增加一级品型材近100t。 延长设备寿命：滤波补偿装置投入后，负荷电流和谐波电压、谐波电流的减少使设备的发热损耗 降低，振动减少，整流元件损坏率降低、设备绝缘老化减缓，故障率下降，因而提高了平安运行水平。 　设备寿命的延长，单电容而言，过去该厂损坏约200kvar 电容器，滤波补偿装置投运近2年来，装置本 身各元件正常运行无故障。5 结语 综合所述，谐波滤波装置兼顾了补偿和滤波功能，谐波滤波装置投运后，不仅滤去了5、7、11、13次谐波，各次谐波含量均符合电能质量·公用电网谐波允许的谐波电流值的要求。而且还补偿了无功，使功 率因数到达了0.9以上，杜绝了电费罚款现象。由于滤除了谐波，减少了对供电系统的污染，保证装置运行 正常。 　谐波滤波装置具有极强的滤波能力，是消除谐波污染和危害的根本措施，所以应大力推广使用。【参考文献】[1]王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功率补偿[M].机械工业出版社，1998. [2]颜晓庆，王兆安.并联混合型电力有源滤波器的数字模型与稳定性分析[J].电力电子技术，1998， (4):24～28.[3]赵智大.高电压技术[M].北京：中国电力出版社，2001. [4]史承逵.电网电容器组的谐波谐振和谐波放大的研究.安徽电力职工大学学报[J].2001(7) [5]王建元，纪延超.一种自动无功功率补偿模糊控制策略的研究[J].中国电力，2002,〔2〕：41-43. [6]安科瑞电气股份产品手册.2023.01.版