金华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。

谐波的危害
1、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。
2、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。
3、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。
4、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。
5、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、计算机无常工作，重则导致信息丢失，使工控系统崩溃。
有源电力滤波器产品效益
1、使谐波指标满足国家标准，避免供电部门罚款或中断供电;
2、降低变压器损耗;
3、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，供配电系统安全稳定运行;
4、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;
5、节能降耗，提高功率因数，节约电费，避免罚款。

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。

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
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治理谐波。
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
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治理谐波。
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
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治理谐波。
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。
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。
APF有源电力滤波器产品设计理念
1、模块的安装，设计模块的托盘、挂耳
2、滤波器采用强迫智能风冷，采用立风道
3、柜体应注意维护通道，应注意柜前后留有足够的空间，即满足风冷要求，也可以便于维护
4、滤波器安装位置首要选择先滤波再补偿的原则，同时滤波器的采样应避开电容器组的电流
5、并柜、母排、断路器及其他元器件设计与开关柜相同
6、开关柜的尺寸、种类等