一阶有源低通滤波器

    更新时间:2024-07-22 浏览数:1769
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    一阶有源低通滤波器cabjchhj

    板载式ANAPF有源滤波器产品介绍  安科瑞鲍静君

    1 引言

        近年来,电力电子技术不断地创新、发展,电力电子技术已被广泛应用于人们的生活、学习、工作中,常用的充电装置、计算机、UPS等都是电力电子技术发展的产物。这些设备的发明和使用给社会带来极大的便利,但随着这些设备的大量应用,电能质量问题也十分突出。谐波作为目前危害电能质量的首要因素,受到了供用电双方的高度重视。社会上已经有许多电能质量解决方案,并已经形成一个规模庞大的产业,安科瑞电气就是其中的领先者。

    2 谐波的产生和治理

        谐波是什么?谐波通俗的来说就是指电流中所含有的频率为基波整数倍的电量,我们常说的N次谐波,它们的频率就是基波的N倍;从广义上来说,任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波,这也就是为什么有时会有“间谐波”(非整数倍工频频率)的说法。

    2.1 谐波的产生

        在只含线性元件(电阻等)的线路中,流过的电流与施加的电压成正比,电流波形为正弦波。而谐波产生的根本原因就是由于电力系统中某些设备和负荷的非线性特性,即所加的电压与产生的电流不成正比关系造成的波形畸变。当电力系统向含有非线性元器件的设备供电时,这些设备不光变换、吸收系统的电能,还会把部分基波转换成谐波,倒送入系统,污染电网。生活中常有的照明灯光、电视画面明暗闪烁等情况,都和谐波有关。

    2.2 谐波的危害

        在输配电网络中,谐波会降低变压器容量、减小线缆载流能力,严重时会造成突然电力中断,造成重大社会经济损失;在生产企业中,谐波会干扰通讯信号,还会引起元器件误动作,降低设备稳定性导致残次品率增加,还会加速设备老化缩短使用寿命,严重时可能损坏设备甚至引起火灾。

    2.3 产生谐波的设备

    产生谐波的设备一般是非线性设备,主要分为以下几类:

        (1) 具有铁磁饱和特性的铁芯设备,如变压器、电抗器等;

        (2) 以具有强烈非线性特性的电弧为工作介质的设备,如气体放电灯、交流弧焊机、炼钢电弧炉等;

        (3) 以电力电子元件为基础的设备,如开关电源、变流装置、调压装置等。

    一些常见的产生谐波的负载及其谐波量可参见表1。

    表1常见谐波负载的谐波含量

    2.4 谐波治理方案

        目前谐波治理的措施主要有3种:受端治理,即从受到谐波影响的设备或系统出发,提高他们的抗谐波干扰能力;主动治理,即从谐波源本身出发,使谐波源不产生或减少谐波;被动治理,即外加滤波装置阻止谐波注入电网。被动治理是目前采用*广泛的谐波治理方案。

        外加的滤波装置有两种,分别是无源滤波装置和有源滤波装置,他们各有优缺点。无源滤波装置结构简单,安装方便,初期投入小,但是只能滤除固定次数的谐波且易与电网发生谐振;有源滤波装置结构复杂,造价较高,但是补偿效果好,后期维护方便,维护成本低。所以安装有源滤波装置是目前被广泛应用的谐波治理方式。 

    3 板载式有源滤波装置产品介绍

        ANAPF板载式有源滤波装置是我公司研发的电能补偿装置的一种,采用现代电力电子技术,基于高速全数字控制方式的数字信号处理技术制成的新型电力谐波治理专用设备。它由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个主要部分组成。与传统无源滤波器(相当于给谐波电流提供了接近于0的极低阻抗通道,以免谐波电流注入系统)相对比,有源滤波装置通过IGBT逆变模块实现了各次谐波的动态滤除。

    3.1 ANAPF板载式有源滤波装置工作原理

        ANAPF板载式有源滤波装置可以通过外部电流互感器,实时检测负载电流,并通过内部DSP计算,提取并计算出负载电流的谐波成分,然后通过PWM信号发送给内部IGBT,控制逆变器产生一个和负载谐波电流大小相等,方向相反的谐波电流注入到电网中抵消对应谐波电流,达到滤波目的。工作原理图及补偿示意如图1所示。 

     

    图1 ANAPF工作原理及对应波形示意

    3.2 ANAPF板载式有源滤波装置结构介绍及优势分析

        ANAPF板载式有源滤波装置相较于公司前期的立柜式产品来说,体积更小、重量更轻、方便安装、更美观,这对产品的结构安排和内部集成度有了更高的要求。我司生产的ANAPF有源滤波装置分为两种安装方式 ,其主要参数如下:

    壁挂式板载模块外观如图2所示:

    抽屉式板载模块外观如图3所示:

        其中壁挂式结构适用于负荷容量较小或场地紧凑的场合,一般推荐为单台独立运行时使用;抽屉式结构多采用多模块并联安装在抽屉柜体中的安装方式,可根据实际补偿容量需求增减柜体内模块数量,适用于大负荷容量的场合。目前我司常规产品*大为6个模块组合,并且正在向更多模块数,更大容量化方面研究与发展。其抽屉柜安装效果图如图4所示。

        该方式相对于传统整柜式有以下几项优点:

        (1)每个模块容量为50A(可在适当范围内浮动),相同的柜体格局下有更多容量选择,并可根据客户实际需求增加模块数量至6个以上(需加宽柜体尺寸,效果可参照图5);

        (2)可根据负载使用变化随时增、减APF设备的容量(加、减模块数量即可,并对人机界面作相应参数设置);

        (3)每个模块单独安装散热单元,并可在柜体上加装散热风扇,散热效果良好,故障率低;

        (4)多个模块之间虽有通讯连接,但各台的故障并不会相互影响其它模块继续工作(补偿容量会相应减小);

        (5)后期维护方便,可实现故障模块单独维修、更换;维护期间ANAPF有源滤波装置可持续工作。

        (6)结构精巧,设计灵活,可作为零部件(模块)单独购买,嵌入三方柜体;柜型外观、尺寸的改变基本不影响内部安装和整体使用效果。

        (7)生产周期短,即使是非常规要求产品亦能保证及时投入使用,确保客户经济利益。

     

    图4 模块化组合式安装示意图             图5 两列模块组装效果示意图       

    3.3 ANAPF板载式有源滤波装置的补偿效果

        下面是某负载的产品应用效果图,其谐波含量在26%左右,通过电能质量分析仪PW3198的分析可以帮助我们很直观的看到补偿效果。

     

    补偿前网侧谐波畸变率                 补偿前网侧谐波畸变率

        补偿后谐波电流含量仅为4%,低于国标对0.38KV电网的要求5%,以C相为例,对应的各次谐波含量清单如下:

      

    补偿前C相各次谐波含量                补偿后C相各次谐波含量

        从波形来看效果可以更直观的看到补偿效果:补偿前电流波形为M形,补偿后已变为正弦波,效果良好。  

    补偿前电压电流波形                  补偿前电压电流波形

    3.4 ANAPF板载式有源滤波装置的型号选择

        该产品为并联型有源电力滤波器,其命名方式为:

     

        其中谐波补偿电流的大小可安排售前工程师协助测量或根据变压器容量和行业类型自行估算后选择,计算方法见公式(1)。

    4 结束语

        ANAPF板载式有源滤波装置在原有立柜、抽屉、壁挂式产品基础上,进一步缩小了体积并减轻重量;由于其采用了高集成化模块设计,后期维护变得更加轻松、便利,而且治理效果也更显着。其不仅能治理谐波,也能补偿无功:有效地治理谐波,可改善电能质量使设备误动作率大大降低,从而提高电气设备利用率和产品合格率,既保证了电网安全运行,又能降低用户的电力损耗;而有效地补偿无功,使功率因数高达0.98以上,则避免了用户因功率因数不足而被罚款,也为用户带来了可观的经济收益。由此可见,选用ANAPF板载式产品,对电网设施和用户设备都有极大的益处,可以说是实现了供用电双方的共赢。

     

    【参考资料】

    安科瑞电能质量监测与治理选型手册。2015.08版

    安科瑞电气股份有限公司产品手册.2013.01.版

    安科瑞有源电力滤波器在通信行业中的应用  安科瑞鲍静君

    摘要:随着通信行业的迅猛发展,大量使用UPS、开关电源及变频设备等非线性负载,在使用过程中会产生大量的谐波电流,给配电系统带来严重的污染,不仅会影响配电系统安全运行,还会引起其他设备的不稳定,为此,安科瑞有源电力滤波器为通信行业电能治理,为电力系统保驾护航。

    1、通信行业谐波源分析

    (1)UPS不间断电源

        目前移动通信机房大量使用的UPS多为三相全控桥6脉冲可控硅整流方式,单套容量大,其谐波电流畸变率大都在25%~35%之间,主要谐波为5、7、11、13次谐波。

    (2)开关电源

        开关电源是移动通信机房应用*多的设备,其特点是单元容量比较小,输入端采用整流电路,致使电流波形产生畸变,其谐波电流畸变率大都在30%~60%之间,不同品牌的开关电源谐波含量差别比较大。

    (3)计算机设备

        电路中的开关器件及感性负载工作于高频开关状态而产生脉冲,计算机设备产生谐波以3次、5次和7次为主。

    2、通信行业的电能质量问题及危害

        移动通信设备对电能质量要求极高,移动通信机房作为移动公司的核心区域,必须保证配电系统和用电设备安全可靠运行,一旦发生电气事故造成停电或设备故障造成停机,造成的经济损失和社会负面影响很难估量。

        非线性设备在使用过程中会产生大量的谐波,导致电压、电流波形发生畸变,严重影响机房供电安全,诸如电缆发热、备用柴油发电机组无法正常投切、IT设备寿命降低、控制设备工作异常、保护开关误动作、无功补偿装置不能正常投切等。

    3. 通信行业谐波治理解决方案

        针对于以上通信行业谐波污染情况,经测试及分析,建议加装有源电力滤波器,经过实际应用效果证实其性能,避免由谐波给数据机房带来的严重影响,保证供电系统稳定性、安全性。

    3.1  ANAPF有源电力滤波器在数据机房的应用

    3.1.1 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。

    3.1.2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,型号为 ANAPF300-380/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。

    3.1.3治理效果

    图3-1治理前电流波形和各次谐波柱状图

     

    图3-2治理后电流波形和各次谐波柱状图

        由上图可以看出,治理前,N线电流较大,3次、5次、7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。

    3.1.4安装现场

    3.2安科瑞有源电力滤波器介绍

    3.2.1  基本原理

        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3-3 ANAPF有源电力滤波器原理图

     

    3.2.2主要技术参数

    3.2.3 产品特点

    ●  DSP+FPGA全数字控制方式,具有极快的响应时间,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2~51次谐波进行全补偿或*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,可满足不同工况的需求;

    ● 受电网阻抗的影响不大,没有与电网阻抗发生谐振隐患;

    ●  输出端加装滤波装置,降低高频纹波对电力系统的影响;

    ●  拥有自主专利技术。

    4、结论

        本文分析了通信行业中谐波存在源、谐波特性以及危害,介绍了ANAPF低压有源滤波器的特点以及技术参数,并通过某城市数据机房的应用案例,对比分析了有源滤波器投入前后的谐波治理,可以满足通信行业需求,为其电力系统保驾护航,提升电能质量,改善用电环境,提高设备的使用寿命和性能。

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