许昌JDSU益平坦滤波器GFF

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。
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30%~60%之间，不同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，移动通信机房作为移动公司的核心区域，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，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，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，提升电能质量，改善用电环境，提高设备的使用寿命和性能。

有源滤波与无源滤波的区别
目前，谐波治理方式主要有两种：有源滤波方式、无源滤波方式。
无源滤波器
采用电力滤波装置就近吸收谐波源所产生的谐波电流，是谐波污染的措施。通常采用由电力电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的无源滤波装置进行滤波。
无源滤波器由电容电抗和电阻组成，根据电容电阻固有的阻抗特性，对某一特定频率的谐波呈低阻抗，为负载谐波电流提供较低的阻抗通道，与电网阻抗形成分流的关系，使大部分该频率的谐波流入滤波器，而不流入电网。
无源滤波器具有投资少、、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，因此无源滤波器仍然是目前广泛采用的谐波及无功补偿的手段。不过，由于无源滤波器是通过在系统中为谐波提供一条并联的低阻通路，以起到滤波作用，其滤波特性由系统和滤波器的阻抗比所决定，因而存在以下缺点:
1)滤波器一旦制成，性能参数难以变动，滤波特性受系统参数的影响较大。当系统参数改变，则滤波装置有可能失效甚至会引起谐振。因此当电网谐波阻抗降低时，滤波效果将随之降低;当电网参数不变而谐波电流增加时，可能使滤波器过载。另一方面即使电网参数和谐波电流都不变，但由于温度变化，滤波器部件老化和其它因素都会影响滤波器性能而降低效率。此外滤波器的电抗电容值通常也会有容差即偏离其标准值±10%而增加了失谐度，也会降低滤波效率;
2)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。当电网短路容量大(即电源阻抗小)时，则要求滤波器阻抗还要更小，即要求滤波器是调谐(锐调谐)，但由于部件性能的容差和变动使滤波器的设计有很大的困难;
3)谐波电流时，滤波器负担随之加重，可能造成滤波器过载;
4)材料消耗多，体积大。
无源电力滤波器组成简单，成本也较低。但由于无源电力滤波器容受系统阻抗影响，很难达到预期要求。而且由于无源元件本身的特性，会与电网阻抗一起作用引起谐振，谐振将引起某次谐波放大数倍，这对于供电系统来说是非常危险的。电网阻抗一般较为稳定，但难免会波动，这样不但会影响滤波效果，而且可能引起谐振。另一方面，由于滤波支路表现出电容特性(对于滤波支路，容抗远远大于感抗)，所以在电压作用下，会产生的无功电流，这样就存在一个问题，在使用无源电力滤波器同时还会进行无功补偿，如果系统原有的无功含量不大(小于电容可以提供的无功)，那么就会出现无功功率过补，功率因数可能因此下降，而且会提升电网电压，这对某些设备也是不安全的。
有源滤波器
由于无源滤波器具有以上缺点，随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。与无源滤波器相比，有源电力滤波器具有高度可控性和快速响应性，不仅能补偿各次谐波，还可闪变、补偿无功，有一机多能的特点，其具体特点如下：
滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险;
具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。
尽管有源电力滤波器有着无源滤波器所不具备的技术优势，但目前要想在电力系统中完全取代无源滤波器还不太现实。这是因为与无源滤波器相比较，有源电力滤波器的成本较高，这一点是限制其推广使用的关键。
通过检测被补偿对象的电流瞬时值，经指令电流运算电路得出谐波补偿电流的指令信号，控制变流器产生所需要的补偿电流。补偿电流与负载电流中要补偿的谐波成份及无功电流相抵消，终获得期望的电源电流。
电网侧的谐波电流可以写为： 只要控制有源电力滤波器的输出电流，使其满足，即可使电网侧的谐波电流。

APF滤波模块技术要求
(1)模块开关频率：10-20kHz;自身损耗：≤2%，效率98%;(需要提供第三方检验机构出具的带有CMA,CAL,ilac-MRA,CNAS等认证的型式试验报告。)
(2)全响应时间≤7ms;(需要提供第三方检验机构出具的带有CMA,CAL,ilac-MRA,CNAS等认证的型式试验报告。)
(3)总谐波补偿率：≥90%(需要提供第三方检验机构出具的带有CMA,CAL,ilac-MRA,CNAS等认证的型式试验报告。)
(4)有源电力滤波器采用模块化设计，支持多机并联扩容，并联容量不受限制，如果一台因故障退出运行，其他有源滤波器仍能正常工作实现滤波功能;
(5) 有源电力滤波器要求采用英飞凌、富士、塞米控等国际、技术成熟的IGBT模组，性能稳定、质量可靠;如为纯进口产品，请提供进口产品相关;
(6)采用“光纤环网”技术，同步性好、响应时间快、补偿率高;
(7)取得国家检验机构颁发的带有CMA,CAL,ilac-MRA,CNAS等认证的型式试验报和欧洲机构颁发的CE。
(8)有源滤波器需原厂生产，提供实用新型的知识产品，不接受贴牌产品，厂家有自己研发中心和生产工厂及生产线，可供考察，如有偏差，取消投标。有源滤波器生产商需提供至少有不少于100万的业绩合同两个，提供200万以上合同至少一个。
(9)控制算法：同时支持快速傅里叶(FFT)和瞬时无功两种算法。闭环谐振控制算法，针对性强，控制精度高;
(10)有源电力滤波器同时支持谐波补偿、无功补偿及三相不平衡补偿三种功能;
(11)滤波器在滤波的同时须避免过补偿，即有源滤波器可以做到只滤波而不产生无功功率，完全避免过补偿，也可以通过设定目标功率因数，将滤波后剩余的能量用于无功补偿。当系统负载的谐波量大于滤波器补偿能力时，滤波器仍应根据本体容量输出额定电流，继续滤波，不发生超载或导致设备损坏而退出运行。
(12)有源滤波器自身的高频载波不能回馈到电网，对其它系统和设备没有干扰。
(13)有源电力滤波器具有稳定性保护功能，当系统处于不稳定状态时，设备能自动与系统脱开;有源电力滤波器具备快速、完全的故障自检功能，同时自动采取相对应的操作;具备完整的保护功能，包括电网过欠压、电网错缺相、IGBT异常、频率异常、装置过流、装置过温、直流母线过欠压、过载自动限流等保护，确保装置安全无故障运行。

地方规定摘录
《上海轨道交通无功补偿及谐波支路意见》
2007年4月上海申通地铁集团有限公司发布的《上海轨道交通无功补偿及谐波支路意见》中明确指出，设计方案中“取消传统的无功补偿设计方案”，“新建线路的设计中应统一采用：串接电抗器的无功补偿装置(失谐无功补偿装置)与有源滤波器并联使用的设计方案”。
有源滤波器工作原理
基本原理：从补偿对象中检测出谐波电流的频谱和幅值，由补偿装置产生一个与该谐波电流等幅、反相的补偿电流， 以抵消原系统中谐波源所产生的谐波，从而使电网电流只含有基波分量。其核心部分是谐波电流发生器与数字控制系统，其工作靠数字信号处理(DSP)技术控制快速绝缘双极晶体管(IGBT)来完成。
步：测量谐波源侧谐波电流
第二步：向电网注入反相等幅谐波电流
第三步：谐波电流被抵消，电源只提供基波电流
有源电力滤波器技术特点
专为适应高可靠性，高利用率供电系统要求设计的模块组合式有源滤波装置：
标准模块化结构，灵活的扩容配置(同一柜内，只需增加控制模块和功率模块即可扩展至300A;支持多台装置并联运行，且不限于等容量扩容);
高可靠性：属于全数字有源滤波器，冗余设计，一个模块发生故障，只是容量降低，不会影响其它模块的正常工作;
工作模式：具有全滤波、全无功补偿、滤波+无功补偿等三种工作模式;
功率因数调节能力：具备容性无功吸收和容性无功补偿两种功能;
7寸全触摸液晶显示屏：便于观察所有的参数及波形。