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劉細(xì)鳳
安科瑞電氣股份有限公司
1 引言
近年來,電力電子技術(shù)不斷地創(chuàng)新、發(fā)展,電力電子技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于人們的生活、學(xué)習(xí)、工作中,常用的充電裝置、計(jì)算機(jī)、UPS等都是電力電子技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。這些設(shè)備的發(fā)明和使用給社會(huì)帶來極大的便利,但隨著這些設(shè)備的大量應(yīng)用,電能質(zhì)量問題也十分突出。諧波作為目前危害電能質(zhì)量的要因素,受到了供用電雙方的高度重視。社會(huì)上已經(jīng)有許多電能質(zhì)量解決方案,并已經(jīng)形成個(gè)規(guī)模龐大的產(chǎn)業(yè),安科瑞電氣就是其中的先進(jìn)者。
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(shí)會(huì)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(shè)備和負(fù)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(guān)系造成的波形畸變。當(dāng)電力系統(tǒng)向含有非線性元器件的設(shè)備供電時(shí),這些設(shè)備不光變換、吸收系統(tǒng)的電能,還會(huì)把部分基波轉(zhuǎn)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(guān)。
2.2 諧波的危害
在輸配電網(wǎng)絡(luò)中,諧波會(huì)降低變壓器容量、減小線纜載流能力,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成突然電力中斷,造成重大社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失;在生產(chǎn)企業(yè)中,諧波會(huì)干擾通訊信號(hào),還會(huì)引起元器件誤動(dòng)作,降低設(shè)備穩(wěn)定性導(dǎo)致殘次品率增加,還會(huì)加速設(shè)備老化縮短使用壽命,嚴(yán)重時(shí)可能損壞設(shè)備甚至引起火災(zāi)。
2.3 產(chǎn)生諧波的設(shè)備
產(chǎn)生諧波的設(shè)備般是非線性設(shè)備,主要分為以下幾類:
1. 具有鐵磁飽和特性的鐵芯設(shè)備,如變壓器、電抗器等;
2. 以具有強(qiáng)烈非線性特性的電弧為工作介質(zhì)的設(shè)備,如氣體放電燈、交流弧焊機(jī)、煉鋼電弧爐等;
3. 以電力電子元件為基礎(chǔ)的設(shè)備,如開關(guān)電源、變流裝置、調(diào)壓裝置等。
些常見的產(chǎn)生諧波的負(fù)載及其諧波量可參見表1。
表1 常見諧波負(fù)載的諧波含量
負(fù)載類型 | 典型諧波含量(%) | 負(fù)載類型 | 典型諧波含量(%) |
變頻器 | 33~50 | 中頻感應(yīng)加熱電源 | 30~35 |
電梯 | 15~30 | 六脈沖整流器 | 28~38 |
LED燈 | 15~20 | 十二脈沖整流器 | 10~12 |
節(jié)能燈 | 15~30 | 電焊機(jī) | 25~58 |
電子鎮(zhèn)流器 | 15~18 | 變頻空調(diào) | 6~34 |
開關(guān)電源 | 20~30 | UPS | 10~25 |
2.4 諧波治理方案
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(shè)備或系統(tǒng)出發(fā),提高他們的抗諧波干擾能力;主動(dòng)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(dòng)治理,即外加濾波裝置阻止諧波注入電網(wǎng)。被動(dòng)治理是目前采用zui廣泛的諧波治理方案。
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,他們各有缺點(diǎn)。無源濾波裝置結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)復(fù)雜,造價(jià)較高,但是補(bǔ)償效果好,后期維護(hù)方便,維護(hù)成本低。所以安裝有源濾波裝置是目前被廣泛應(yīng)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(bǔ)償裝置的種,采用現(xiàn)代電力電子技術(shù),基于高速全數(shù)字控制方式的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)制成的新型電力諧波治理設(shè)備。它由指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路兩個(gè)主要部分組成。與傳統(tǒng)無源濾波器(相當(dāng)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(duì)比,有源濾波裝置通過IGBT逆變模塊實(shí)現(xiàn)了各次諧波的動(dòng)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(shí)時(shí)檢測負(fù)載電流,并通過內(nèi)部DSP計(jì)算,提取并計(jì)算出負(fù)載電流的諧波成分,然后通過PWM信號(hào)發(fā)送給內(nèi)部IGBT,控制逆變器產(chǎn)生個(gè)和負(fù)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(duì)應(yīng)諧波電流,達(dá)到濾波目的。工作原理圖及補(bǔ)償示意如圖1所示。
圖1 ANAPF工作原理及對(duì)應(yīng)波形示意
3.2 ANAPF板載式有源濾波裝置結(jié)構(gòu)介紹及勢分析
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(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)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(dāng)提高)
額定電壓:AC380V
接線方式:三相三線或三相四線
進(jìn)線方式:上進(jìn)上出
額定頻率:50Hz
模塊殼體顏色:RAL7035
防護(hù)等級(jí):IP20
質(zhì)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(dāng)提高)
額定電壓:AC380V
接線方式:三相三線或三相四線
進(jìn)線方式:后進(jìn)后出
額定頻率:50Hz
模塊殼體顏色:RAL9004
防護(hù)等級(jí):IP20
質(zhì)量:50KG
圖3 抽屜板載式外觀示意
其中壁掛式結(jié)構(gòu)適用于負(fù)荷容量較小或場地緊湊的場合,般為單個(gè)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)使用;抽屜式結(jié)構(gòu)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(shí)際補(bǔ)償容量需求增減柜體內(nèi)模塊數(shù)量,適用于大負(fù)荷容量的場合。目前我司常規(guī)產(chǎn)品zui大為6個(gè)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(duì)于傳統(tǒng)整柜式有以下幾項(xiàng)點(diǎn):
(1)每個(gè)模塊容量為50A(可在適當(dāng)范圍內(nèi)浮動(dòng)),相同的柜體格局下有更多容量選擇,并可根據(jù)客戶實(shí)際需求增加模塊數(shù)量至6個(gè)以上(需加寬柜體尺寸,效果可參照?qǐng)D5);
(2)可根據(jù)負(fù)載使用變化隨時(shí)增、減APF設(shè)備的容量(加、減模塊數(shù)量即可,并對(duì)人機(jī)界面作相應(yīng)參數(shù)設(shè)置);
(3)每個(gè)模塊單獨(dú)安裝散熱單元,并可在柜體上加裝散熱風(fēng)扇,散熱效果良好,故障率低;
(4)多個(gè)模塊之間雖有通訊連接,但各臺(tái)的故障并不會(huì)相互影響其它模塊繼續(xù)工作(補(bǔ)償容量會(huì)相應(yīng)減小);
(5)后期維護(hù)方便,可實(shí)現(xiàn)故障模塊單獨(dú)維修、更換;維護(hù)期間ANAPF有源濾波裝置可持續(xù)工作。
(6)結(jié)構(gòu)精巧,設(shè)計(jì)靈活,可作為部件(模塊)單獨(dú)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(shí)投入使用,確保客戶經(jīng)濟(jì)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(bǔ)償效果
下面是某負(fù)載的產(chǎn)品應(yīng)用效果圖,其諧波含量在26%左右,通過電能質(zhì)量分析儀PW3198的分析可以幫助我們很直觀的看到補(bǔ)償效果。
補(bǔ)償前網(wǎng)側(cè)諧波畸變率 補(bǔ)償前網(wǎng)側(cè)諧波畸變率
補(bǔ)償后諧波電流含量僅為4%,低于標(biāo)對(duì)0.38KV電網(wǎng)的要求5%,以C相為例,對(duì)應(yīng)的各次諧波含量清單如下:
補(bǔ)償前C相各次諧波含量 補(bǔ)償后C相各次諧波含量
從波形來看效果可以更直觀的看到補(bǔ)償效果:補(bǔ)償前電流波形為M形,補(bǔ)償后已變?yōu)檎也?,效果良好?
補(bǔ)償前電壓電流波形 補(bǔ)償前電壓電流波形
3.4 ANAPF板載式有源濾波裝置的型號(hào)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(bǔ)償電流的大小可安排專業(yè)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(jì)算方法見公式(1)。
.......................................... 公式(1)
其中 為變壓器負(fù)荷率,即負(fù)荷占變壓器額定容量的比例,通常取0.6~0.8;
為電流總諧波畸變率,各行業(yè)略有不同,具體數(shù)值參見上文表1;
為變壓器額定容量,單位KVA;
為低壓系統(tǒng)電壓,般取0.38~0.4。
4 結(jié)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(chǔ)上,進(jìn)步縮小了體積并減輕重量;由于其采用了高集成化模塊設(shè)計(jì),后期維護(hù)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(bǔ)償無功:有效地治理諧波,可改善電能質(zhì)量使設(shè)備誤動(dòng)作率大大降低,從而提高電氣設(shè)備利用率和產(chǎn)品合格率,既保證了電網(wǎng)運(yùn)行,又能降低用戶的電力損耗;而有效地補(bǔ)償無功,使功率因數(shù)高達(dá)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(jì)收益。由此可見,選用ANAPF板載式產(chǎn)品,對(duì)電網(wǎng)設(shè)施和用戶設(shè)備都有極大的益處,可以說是實(shí)現(xiàn)了供用電雙方的共贏。
【參考資料】
作者簡介:劉細(xì)鳳,女,本科。任職單位:現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司