安科瑞 华梅超 

江苏安科瑞电器制造有限公司

1 谐波及其治理
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；使变压器局部过热；使电容器、电缆等设备过热，加快老化以致损坏。
◆引起电网谐振，这种谐振会使谐波电流放大几倍甚至数十倍，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执行标准

1.4典型谐波源及谐波治理行业
随着科技的进步和发展，越来越多的非线性电力电子负载被运用在企业当中，在带来节能和能量变换等积极作用的同时，也产生了谐波等电能质量问题。典型谐波源和需要进行谐波治理的典型行业如下表所示：

1.5有源滤波与无源滤波的比较
传统的LC无源滤波器只适用于谐波次数固定不变、谐波幅值固定不变、滤波要求低的场合，而谐波或无功动态变化、电气安全要求高、谐波滤除要求高的场合需要采用APF有源滤波器。

1.6谐波治理的效益
◆ 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。

2 ANAPF有源电力滤波器
2.1工作原理
ANAPF系列有源电力滤波器并联在电网侧和谐波负载之间，能对谐波源产生的动态变化的谐波电流进行迅速跟踪和补偿。其原理为：ANAPF系列有源电力滤波器通过CT采集电流谐波，经DSP快速计算，对谐波进行快速傅立叶分解（FFT），确定各次的谐波分量情况，以最快的速度发出电流命令，通过功率执行器件产生与谐波源谐波电流幅值相等方向相反的补偿谐波电流，并注入电力系统，从而抵消非线性负载所产生的谐波电流。 

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。
2.2技术指标

2.4型号说明

2.5结构与尺寸
◆立柜式

◆壁挂式
 

◆抽屉式

2.6上图示例
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。
◆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。
◆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。
◆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。

3 ANSVG-S-A混合动态消谐补偿装置
3.1概述
根据行业的发展情况以及市场的需求，ANSVG-S-A系列混合动态消谐补偿装置应用最新科技，以SVC的经济性和APF滤波的强效型等特点为基础，将两者技术相结合，突破传统无功补偿技术，在有效降低成本的同时，达到最佳谐波治理与无功补偿效果。
ANSVG-S-A系列混合动态消谐补偿装置主要用于补偿电网中的无功电流，谐波电流以及不平衡电流等，以此达到提高用电效率、节能以及改善电能质量的目标。
3.2 工作原理
ANSVG系列混合动态消谐补偿装置并联在整个供电系统中，通过互感器采集信号，根据电网中负载功率因数及谐波含量的变化控制内部的无功补偿模块与有源滤波模块对系统进行无功补偿及有源滤波。其原理为：ANSVG低压无功功率补偿装置通过CT采集电流、电压信号，通过控制器计算，计算出无功补偿与有源滤波的最佳方案，对系统进行有效的电能质量管理。如下图所示：

3.3 执行标准

3.4产品特点
◆ 控制方式灵活，采用先进的主电路拓扑和控制算法，响应速度快、补偿精度高，运行稳定；
◆ 一机多能，即可补偿谐波，又可兼补无功，高性价比； 
◆ 模块化设计；
◆ 采用可靠的电容电抗器组合，防止出现谐振，完善的自身保护功能。
◆ 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。

3.5型号说明

3.6技术指标

3.7 上图示例

4 ANSVC动态无功补偿及滤波装置
4.1概述
动态无功补偿及滤波装置适用于频率50Hz，电压0.4kV电网的无功功率自动补偿。它集无功补偿、滤波、电网监测于一体，不但可以通过投切电容器组来补偿电网中的无功损耗，提高功率因数，降低线损，从而提高电网的负载能力和供电质量，而且还能够实时监测电网的三相电压、电流、功率因数等电量参数。
4.2 无功补偿的重要性
一般来说，使用无功补偿装置来提高功率因数的意义体现在两个方面：一是可以减少输电线路上的功率损失；二是可以充分发挥电力设备（如电机、变压器等）的潜力。因为用电电器总是在一定电压和一定有功功率下工作，如果功率因数较低，就要用较大的电流来保障用电器正常工作，输电电流变大，导致线路损耗增加。此外，任何电力设备工作时总是工作在一定的额定电压与额定电流内，超过额定电压值，会威胁设备的绝缘性能；工作电流超过额定值，会使内部温升过高，从而降低了设备的使用寿命。对于一些发电设备而言，功率因数的提高能大大增加效率，例如：一台发电机容量为1500kW，当电力系统的功率因数由0.6上升至0.8时，就可以使实际发电能力提高到3000kW。
4.3 无功补偿的效益
◆ 功率因数过低会受到电力部门的处罚甚至会中断企业用电高压供电的工业用户和高压供电带有负荷调压装置的电力用户，功率因数为0.90以上。其他100kVA （ kW ）及以上电力用户和大、中型电力排灌站，功率因数为0.85以上。凡功率因数达不到上述规定的用户，电力部门会对其加收额外的电费，即：力率电费（罚款）。
◆ 电力系统缺乏无功功率时就会造成生产效率降低，生产成本变高当功率因数较低时，设备的电压变化大，无功损耗也大，设备老化加速，容易造成设备使用寿命缩短，影响设备运行。
◆ 降低变压器及电气网络设备的线损线路传送的视在功率不变，功率因数低将直接增加变压器和传输线路的损耗，直接增加电力费用支出。
4.4 执行标准
◆ GB/T 7251.1-2013  
◆ GB/T 14549-1993   
◆ GB/T 15543-2008   
◆ GB/T 18481-2001   
◆ GB/T 15576-2008    《低压成套开关设备和控制设备第1部分》
《电能质量：公用电网谐波》
《电能质量：三相电压允许不平衡度 》
《电能质量：暂时过电压和瞬态过电压》 
《低压无功功率静态补偿装置总技术条件》

4.5 工作原理
ANSVC低压无功功率补偿装置并联在整个供电系统中，能根据电网中负载功率因数的变化控制电力电容器投切进行补偿。其原理为：ANSVC低压无功功率补偿装置通过CT采集电流、电压信号，通过无功补偿控制器计算，计算出投切电容器的最佳方案，通过无触点开关控制各组电力电容器投切。如下图所示：

4.6 型号说明

4.7 技术参数

4.8 产品特点
◆ 装置柜体采用框架拼装式结构，表面喷塑或钝化处理，外观整洁美观、耐老化、抗腐蚀、高寿命。
◆ 结构设计紧凑合理，模块化设计，布线整齐大方，维护方便。
◆ 装置柜体可独立安装或与其它柜体拼柜安装。
◆ 多种补偿形式：三相共补、三相分补、共补+分补三种形式。根据电网的实际情况，兼顾补偿效果和成本，合理选用补偿形式。充分解决补偿无功和三相不平衡之间以及三相分补和成本之间的矛盾。    
◆ 使用串联电抗器保护电容器，可根据用户现场具体电网背景定制方案。
◆ 控制器具有多回路循环或编码投切运行方式，能有效地避免分组投切时个别电容投切过于频繁的问题，实现最优控制。
◆ 具有数据采集功能和标准的通信接口，可实现远程实时监测和计算机联网管理。
◆ 采用无触点开关进行投切电容，过零投入，既没有投切涌流又有良好的散热     机制，更不会产生谐波注入，可靠性高。
◆ 具备电力参数监测、采集和统计功能。

4.9 结构与尺寸

4.10 应用领域分析
在交流电力系统中，绝大多数负载都是感性负载。其产生的感性无功回流到电力系统中，导致系统功率因数降低，系统的压降增大电能损耗增大等问题。常见负载功率因数如下表：

由上表可以看出，感性负载十分常见。为了尽可能减少损失，供电部门会要求电力用户必须尽可能减少无功消耗。而电力电容器对于感性负载有相反的影响，所以输入适当的容性无功功率，不仅可以提高功率因数，提升系统电压，而且能有效地减少系统电能损耗。所以，目前绝大多数用户都在使用电容器进行无功补偿。
ANSVC低压无功功率补偿装置广泛应用于电力、汽车、冶金、铁道、石油、港口、轻工、机械制造、化工、造纸、纺织、煤炭、造船、通讯、建材、机场、大型场馆、高层建筑等场所配电系统中，特别适用于电焊机、气锤、注塑机、密炼机、中频炉、轧机、起重机、电梯、行车等特别需要无功补偿的场合。

4.11 上图示例

5.典型案例
5.1 ANAPF有源滤波器典型案例
5.1.1 ANAPF有源滤波器在数据机房的应用项目名称：常熟智慧城市发展中心
项目背景
常熟智慧城市是一个市民卡信息中心，属于新建项目，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，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，对其他设备的影响很大，比如导致通信数据错误，甚至中断。
●  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
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。

治理前

治理后

● 安装现场

5.1.2 ANAPF有源滤波器在办公楼宇的应用
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。用电设备主要包括大量的LED显示及照明、精密空调、UPS电源、报检大厅动力设备等。这些均属于非线性负载，会产生大量谐波，其谐波主要包括3、5、7、9次，若不进行合理治理，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
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%。

治理前

治理后

● 安装现场

5.1.3 ANAPF有源滤波器在工业领域的应用
● 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
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。

治理前

治理后

● 安装现场

5.1.4 ANAPF有源电力滤波器在港口码头的应用
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；办公设备会产生3次谐波，导致三相电流不平衡，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，甚至还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。

治理前

治理后

● 安装现场

5.1.5 ANAPF有源电力滤波器在商业中心的应用
● 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，在变压器的出线侧加装400A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
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。

治理前

治理后

● 安装现场

5.1.6 ANAPF有源滤波器在其它行业的应用

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。

5.2 ANSVG混合动态消谐补偿装置典型案例
上海某商务中心属于新建项目，配电系统有大量谐波源，变频器、软启动器、空调等，危害供电系统稳定性；且无功变化快，需要快速补偿。考虑到谐波的影响，图纸中就已经设计了谐波治理和无功补偿装置。我司根据配电系统图分别计算无功和谐波补偿容量，配备了4台ANSVG-S-A产品，快速补偿了无功和谐波，提高了系统的稳定性，消除了因谐波带来的安全隐患。

5.3 ANSVC低压无功功率补偿装置典型案例
ANSVC低压无功功率补偿装置使用在无功需求大，负载幅值和频率波动较小的场所。金属冶炼行业负载主要为各类加热炉，适合ANSVC低压无功功率补偿装置的运用。
山西某大型金属加工企业主要以熔炼碳钢、特种钢为主要业务。厂内使用了较大规模的中频感应加热炉。经过现场测量，配置ANSVC-600-380/B的无功补偿装置，其补偿效果如下：

治理前

治理后

​作者简介：华梅超，女，本科，江苏安科瑞电器制造有限公司，主要研究方向为智能建筑供配电监控系统。