如何正确区别无源和有源电力滤波器 安科瑞 王志彬 2019.03 有源电力滤波器装置：集成运放和 R、C 组成，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。集成运放的 开环电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作 用。但集成运放带宽有限，所以目前的有源滤波电路的工作频率难以做得很高。 无源电力滤波器装置：这种电路主要有无源元件 R、L 和 C 组成。 无源电力滤波器装置 该装置由电容器、电抗器，有时还包括电阻器等无源元件组成，以对某次谐波或其以上次谐波形成低 阻抗通路，以达到抑制高次谐波的作用;由于 SVC 的调节范围要由感性区扩大到容性区，所以滤波器 与动态控制的电抗器一起并联，这样既满足无功补偿、改善功率因数，又能消除高次谐波的影响。 有源电力滤波器装置 虽然无源滤波器具有投资少、效率高、结构简单及维护方便等优点，在现阶段广泛用于配电网中，但 由于滤波器特性受系统参数影响大，只能消除特定的几次谐波，而对某些次谐波会产生放大作用，甚 至谐振现象等因素， 随着电力电子技术的发展， 人们将滤波研究方向逐步转向有源电力滤波器(Active PowerFliter，缩写为 APF)。 APF 即利用可控的功率半导体器件向电网注入与谐波源电流幅值相等、 相位相反的电流， 使电源的总 谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。它与无源滤波器相比，有以下三个特点： a.不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变，补偿无功，有一机多能的特点，在性价比上较为合理; b.有源电力滤波器特性不受系统阻抗等的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险; c.具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波，即具有高度可控性和快速响应性等特点。 国际上广泛使用的滤波器种类有：各阶次单调谐滤波器、双调谐滤波器、二阶宽颇带与三阶宽频带高 通滤波器等。 (1)高通(宽频带)滤波器， 一般用于某次及以上次的谐波抑制。 当在电弧炉等非线性负荷系统中采用时， 对 5 次以上起滤波作用时，通过参数调整，可形成该滤波器回路对 5 次及以上次谐波的低阻抗通路。 (2)单调谐滤波器：一阶单调谐滤波器的优点是滤波效果好，结构简单;缺点是电能损耗比较大，但随 着品质因数的提高而减少，同时又随谐波次数的减少而增加，而电炉正好是低次谐波，主要是 2～7 次，因此，基波损耗较大。二阶单调谐滤波器当品质因数在 50 以下时，基波损耗可减少 20～50%， 属节能型，滤波效果等效。三阶单调谐滤波器是损耗最小的滤波器，但组成复杂些，投资也高些，用 于电弧炉系统中，2 次滤波器选用三阶滤波器为好，其它次选用二阶单调谐滤波器。 安科瑞 ANAPF 有源电力滤波器 1、概述 1.1 谐波的产生 电力系统中理想的电压、电流波形都是频率为 50Hz 的正弦波，但是非线性电力设备 （大功率可 控硅、变频器、UPS、开关电源、中频炉等）的广泛应用产生了大量畸变的谐波电流，谐波电流耦合 在线路上产生谐波电压。 对非正弦的畸变电流作傅立叶级数分解， 其中频率与工频相同的分量为基波， 频率是基波频率整数倍的分量为谐波。谐波是电能质量的重要指标。 1.2 谐波的危害 ● 谐波使公用电网中的元件产生附加的损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率。大量三次谐波 流过中线会使线路过热，甚至引起火灾。 ● 谐波会影响电气设备的正常工作，使电机产生机械振动和噪声等；使变压器局部严重过热；使电 容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以致损坏。 ● 引起电网谐振，使得谐波电流放大几倍甚至数十倍，会对系统，特别是对电容器和与之串联的电 抗器形成很大的威胁，经常使电容器和电抗器烧毁。 ● 谐波会导致继电保护，特别是微机综合保护器与自动装置误动作，造成不必要的供电中断和生产 损失。谐波还会使电气测量仪表计量不准确，产生计量误差，给用电管理部门或电力用户带来经济损 失。 ● 临近的谐波源或较高次谐波会对通信及信息处理设备产生干扰，轻则产生噪声、降低通信质量、 计算机无法正常工作，重则导致信息丢失，使工控系统崩溃。 1.3 有源电力滤波器产品效益 ● 使谐波指标满足国家标准，避免供电部门罚款或中断供电； ● 降低变压器损耗； ● 减少谐波污染，降低谐波对自动控制装置、电能计量装置、继电保护装置的干扰，保证供配电系 统安全稳定运行； ● 避免谐波过电压和谐波过电流对电气设备的危害，延长设备使用寿命； ● 节能降耗，提高功率因数，节约电费，避免罚款。 1.4 执行标准 GB/T14549-1993 《电能质量：公用电网谐波》 GB/T15543-2008 《电能质量：三相电压不平衡度》 GB/T12325-2008 《电能质量：供电电压偏差》 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》 GB/T15945-2008 《电能质量：电力系统频率偏差》 GB17625.1-2012 《电磁兼容 限值 谐波电流发射限值》 GB/T15576-2008 《低压成套无功功率补偿装置》 2、产品介绍 2.1 工作原理 ANAPF 系列有源电力滤波器并联在含谐波负载的低压配电系统中， 能够对动态变化的谐波电流进 行快速实时的跟踪和补偿。其原理为：ANAPF 系列有源电力滤波器通过 CT 采集系统谐波电流，经 控制器快速计算并提取各次谐波电流的含量，产生谐波电流指令，通过功率执行器件产生与谐波电流 幅值相等方向相反的补偿电流，并注入电力系统中，从而抵消非线性负载所产生的谐波电流。 图 2-1 ANAPF 有源电力滤波器原理图 2.2 产品特点 ● 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； ● 一机多能，既可补谐波，又可兼补无功，可对 2～31 次谐波进行全补偿或指定特定次谐波进行补 偿； ● 具有完善的桥臂过流保护、直流过压保护、装置过温保护功能； ● 模块化设计，体积小，安装便利，方便扩容； ● 采用 7 英寸大屏幕彩色触摸屏以实现参数设置和控制，使用方便，易于操作和维护； ● 输出端加装滤波装置，降低高频纹波对电力系统的影响； ● 多机并联，达到较高的电流输出等级； ● 拥有自主专利技术。 2.3 主要技术参数 表 2-1 ANAPF 有源电力滤波器技术参数 2.4 产品 3、产品应用 3.1 容量计算方法 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较复杂，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，可以根据下列公式估算谐波电流进行选型。 3.1.1 根据负载额定电流和行业类型选型 3.1.2 根据变压器容量和行业类型选型 3.1.3 根据快速选型表查表选型 查表步骤： 步骤 1：确定变压器容量和变压器负载率（一般在 0.6~0.8）； 步骤 2：根据变压器负载率确定表 2、表 3 或表 4； 步骤 3：确定电流总谐波畸变率（THDi） （表 1 中 THDi 值为参考值，仅在估算谐波电流时使用） ； 步骤 4：根据变压器容量及 THDi 参考值确定相应的谐波电流值； 步骤 5：考虑到一定的裕量，选择相应容量的 ANAPF 有源电力滤波器。 注：表 1～表 4 参见附录 1。 3.2 选型示例 上海某工厂办公大楼变压器容量为 250KVA，变压器负载率为 0.8，主要负载为节能灯、变频空调 和电梯等，属于办公楼宇。 变压器容量为 250KVA； 变压器负载率为 0.8； 负载类型属于办公楼宇，根据表 1 估算 THDi 为 30%； 查表 4 可得估算谐波电流值为 83A； 如果根据公式（2）计算，结果是一样的； 考虑到一定的裕量，选择 100A 的 ANAPF 有源电力滤波器。 3.3 治理方式分类与说明 电能质量监测与治理系统针对不同的场合可选择不同的治理方案，一般有集中治理、局部治理和 就地治理三种技术方案。 （一）集中治理 集中治理上图示例 本案例是在变电所低压电容柜中设置无功补偿，同时在配电前端设置有源电力滤波器，采用集中 治理的方式抑制谐波。 集中治理适用于单台设备谐波含量小，但数量庞大、布局分散的场合，比如办公大楼(个人电脑、 节能灯、变频空调、电梯等)，虽然单台设备的电流小，谐波含量低，但整栋大楼的总电流大，总谐 波电流也大。 （二）局部治理 局部治理上图示例 本案例是在变电所低压电容柜中设置无功补偿，同时在局部谐波源前端设置有源电力滤波器，采 用局部治理的方式抑制谐波。 局部治理适用于谐波源集中在某一条或几条馈出支路的配电系统，比如医院的精密仪器、UPS 电 源等，虽然单台设备的电流小，谐波含量低，但为防止其他设备产生的谐波对其干扰，采用局部谐波 治理。 （三） 就地治理上图示例 本案例是在变电所低压电容柜中设置无功补偿，同时在主要谐波源的前端设置有源电力滤波器， 采用就地治理方式的抑制谐波。 就地治理适用于谐波源比较明确且单台设备谐波含量较大的配电系统，比如大型商业区的景观照 明、影剧院的可控硅调光设备、工业区的变频器调速设备等，单台设备电流大、谐波含量高、谐波电 流大，为防止谐波电流影响其他用电设备，采用就地治理。 4 应用案例 4.1 ANAPF 在数据机房的应用 ▲ 项目背景： 常熟智慧城市是一个市民卡信息中心，其中包括大型数据机房，对电能质量要求非常高；为了提 高供电可靠度，采用大量的 UPS 作为设备电源，机房内还包含空调设备、照明设备等。此类电力电 子设备皆属于非线性负载，在使用过程中会产生大量谐波并注入系统中，主要以 5 次、7 次为主；如 果不进行谐波治理，对电网造成严重的污染，也影响机房中其他敏感设备，比如导致通信数据错误， 甚至瘫痪、中断，降低了配电系统的安全性、可靠性。 ▲ 治理方案： 根据以往测量经验进行谐波分析与估算，谐波主要由 UPS 和一些非线性直流电源产生，供电系统 由 2 台 800kVA 变压器及其一台 800kW 发电机组成， 采用集中治理方案， 在每台变压器下加装 300A 有源电力滤波器，由两台 150A 并机实现，型号为 ANAPF150-380/BGL，来自动跟踪补偿负载产生 的谐波电流，保证整个系统安全可靠运行。 ▲ 治理效果： 图 4-1 治理之前 A、B、C、N 相电流波形和电流频谱 由图可以看出，治理前，N 线 次等谐波频次含量较大；治理后，N 线电 流明显降低、各次谐波电流得到有效抑制，提高了供电系统的稳定性，消除了谐波对通信系统影响的 危害，收到了良好的运行效果。 ▲ 安装现场： 图 4-2 安装现场 4.2 ANAPF 在办公楼宇的应用 ▲ 项目背景： 珠海横琴口岸项目是临时边检大楼的新建项目，为边检部门电气设备提供可靠电力支持，对电能 质量要求较高；用电设备主要是大功率 UPS、LED 显示屏、空调、照明和报检大厅动力设备等，会 产生大量谐波，其谐波主要包括 3、5、7、9 次；不进行合理治理，将对其他电气设备产生危害，如： 大量的 3 次谐波造成中线过热甚至发生火灾； 大量谐波造成变压器局部严重过热； 继电保护发生误动 作等。 ▲ 治理方案： 根据以往测量经验进行谐波分析与估算，谐波主要由 UPS 和一些非线性直流电源产生，该项目有 1#、2#两个配电站，1#配电站有 2 台 800kVA 的变压器，2#配电站有 2 台 1000KVA 的变压器，分 别采用集中治理方案，在每台变压器下加装 ANAPF 系列有源电力滤波器，由于安装空间有限，选择 我司壁挂式有源电力滤波器进行嵌入式安装，1#配电站中#1 和#2 变压器下安装型号均为 ANAPF75-380/BBL，2#配电站中#1 和#2 变压器下安装均为 2 台型号为 ANAPF60-380/BBL 的有 源电力滤波器并机使用，保障了整个供电系统的稳定性。 ▲ 治理效果： 图 4-4 治理之后电流波形和各次谐波电流畸变率 治理前电流波形发生畸变，三相电流畸变率分别为 10.8%、11.1%、12.5%；在加装 ANAPF 系 列有源电力滤波器后电流波形趋向正弦波，各次谐波得到有效抑制，电流畸变率明显降低，三相电流 畸变率降至 4.0%、4.1%、4.4%。 ▲ 安装现场： 4.3 ANAPF 在工业领域的应用 ▲ 项目背景： 合肥日立建机是日立建机集团在中国最大的生产基地，其主要负载是变频器、电焊机和中频炉等， 这类负载属于中污染设备，使用时电流变化很快，无功需求大，传统无功柜跟不上负载变化速度，导 致功率因数很低，造成无功罚款；同时又会产生大量谐波流入电网中，谐波电流在线路上流动会产生 压降，使得电压也畸变严重，致使一些精度高的生产设备不能正常运行，影响公司的生产，导致产品 质量下降，给客户带来严重的经济损失。 ▲ 治理方案： 该项目共有 6 台变压器，均采用集中治理方案，在变压器的出线侧加装 ANAPF 系列有源电力滤 波器，型号为：ANPF200-380/BGL，既可补偿谐波又可补偿部分动态无功。同时，建议在变频器的 进线端加装输入电抗器，用来滤除部分变频器谐波，以达到更好的治理效果。 ▲ 治理效果： 由图 4-5 和图 4-6 可以看出，治理前，电流波形失真十分严重，三相电流畸变率分别为 21.3%、 25.0%、28.0%，主要以 5 次、7 次、11 次等符合 6n±1 次特性的谐波为主，功率因数约 0.83 左右， 会造成无功罚款；加装 ANAPF 系列有源电力滤波器后，电流波形已经趋向正弦波，三相电流畸变率 分别为 2.6%、2.6%、2.6%，主要频次谐波得到有效抑制，功率因数也都到很明显的提高。此次谐 波治理，电网质量得到明显改善，有效地保护了生产线上设备的正常运行。 ▲ 安装现场： 4.4 ANAPF 在港口码头的应用 ▲ 项目背景： 江阴港港口的主要谐波源是门机、行车和一些办公设备，门机在运行时需要大量无功，且电流冲 击大，波动很快，产生大量的谐波电流，功率因数很低，造成无功罚款；传统的纯容无功补偿装置已 经不能解决这些电能质量问题，不及时治理，甚至会对无功柜产生危害，使得电容寿命降低，更换频 繁。 ▲ 治理方案： 因现场非线性负载（经检测，主要为起重机回路）多，且具有地域分散，冲击电流大的特点，易 采用集中治理方式，在每个变电站进行谐波治理。采用无功功率补偿和谐波治理综合方案可兼顾无功 补偿和谐波治理功能，该方案利用现有无功补偿控制柜，减少用户改造投入成本，将 ANAPF 系列有 源电力滤波装置并联到配电系统中，一方面可有效抑制谐波放大，保护电容器，而装置的检修与日常 维护只需从电网中切除，不影响现场的正常运营。 ▲ 治理效果： 由图 4-7 和图 4-8 可以看出，治理前，电流波形失真十分严重，呈现典型的 M 型，三相电流畸变 率分别为 18.3%、25.1%、32.5%，主要以 5 次、7 次谐波为主；加装 ANAPF 系列有源电力滤波器 后，电流波形已经趋向正弦波，三相电流畸变率分别为 2.6%、2.6%、2.6%，主要频次谐波得到有 效抑制，电网质量得到明显改善，有效地保护了其他电气设备。 ▲ 安装现场： 4.5 ANAPF 在商业中心的应用 ▲ 项目背景： 无锡恒隆广场属于大型商业建筑，主要负载是中央空调、电梯和照明设备等，由于变频器高效的 节能性，使用大量变频器驱动这些设备，但同时会产生大量 3 次、5 次、7 次等谐波电流。谐波电流 在线路上流动产生压降，使得电压也跟着畸变，电压畸变率超过国标限值，供电质量相当糟糕，影响 其他用电设备的正常使用，现场会出现灯具闪烁的现象。 ▲ 治理方案： 无锡恒隆广场该配电系统中共有 2 台 2000KVA 的变压器，均采用集中治理方案，在变压器的出 线A 的 ANAPF 系列有源电力滤波器，使用 2 台 200A 并机实现，型号为： ANPF200-380/BGL。 ▲ 治理效果： 图 4-9 治理前电流波形 图 4-10 治理后电流波形 从图 4-9 和图 4-10 可看出，治理前电流波形发生畸变，出现多出锯齿状；治理后电流波形明显 得到改善，趋向标准正弦波，电能质量达到很大提高，给用电带来保障。 ▲ 现场安装： 4.6 ANAPF 在其它行业的应用 轨道交通 城市轨道交通存在大量荧光灯、UPS 电源、变频器及软启动装置，均会产生大量谐波，使得电力 系统正弦波畸变，电能质量降低。谐波进行综合治理，给交通安全、顺畅带来保障。 类似行业案例：、山东日照机场、南海三沙市机场、吉林站西广场交通枢纽等。 医院 医院行业主要是核磁共振机、CT 机等设备会产生大量谐波，大量先进医疗设备对供电电源的谐波 质量要求非常高，如果不进行治理，很可能造成检测数据误差大，设备之间干扰不能正常工作，造成 严重的医疗事故。谐波治理后，降低了用电隐患。 类似行业案例：陕西榆林第一人民医院、上海第二康复医院、滁州市第二人民医院、安徽六安第 六人民医院等 冶金 冶金行业中大量使用了电弧炉、加热炉、轧机等，这些负载不仅容量大，而且大部分为感性负荷， 在不使用无功补偿装置的情况下，功率因数极低，且产生大量畸变的谐波，严重危害电力系统的安全 运行和电气设备安全经济地运行。 类似行业案例：江苏省镔鑫特钢材材料有限公司、宇东能源化工基地等。 体育馆、演播厅 体育馆、演播中心这类场所，主要就是大量舞台灯光、LED 屏幕、高杆灯等设备产生谐波。使得 电能质量变差，及时进行谐波治理可保障设备本身的使用效果，给用电带来保障。 类似行业案例：苏州澹台湖会议中心、广州文化宫、武汉市教育电视台演播厅、岳阳市奥体中心 及游泳馆等。
