APF有源电力滤波器

低压有源滤波器在医院建筑中的应用
1 引言
现代化医疗机构为提高医疗服务水平，不断引入新型、复杂的各种医疗设备如核磁共振、CT机、X光机、血透机等，同时各种节能照明设备、变频空调、电梯设备等大量投入使用。这些设备均为非线性设备，在运行过程中会产生大量的高次谐波，对配电系统和医疗设备造成一定的干扰。同时这些的医疗设备都具有的计算机部件和大量的高灵敏微电子器件，对供电电源的电能质量要求很高，对电压波动和电力谐波非常敏感，严重的电力谐波问题会导致医疗设备的损坏甚至导致医疗事故的发生。
2 医院建筑供电系统谐波源、谐波特性及谐波危害分析
2.1 谐波的来源
电梯设备
中央空调系统
消防水泵
照明设备
手术室、层流室系统
ICU、分娩室、新生儿监护室、血透中心等
制剂、样本、血液保存与冷冻设施
自动化设施
医疗诊断设备主要诊断设备，如螺旋CT机、彩色多普勒、核磁共振仪、腹腔镜、脑电图机、色谱仪、各种功能检测仪器等
主要**设备，如呼吸机、高压氧仓、各类监护仪、激光治疗仪等
2.3 谐波危害分析
2.3.1 谐波对配电系统的危害
使电力元件附加损耗加大，易引发火灾;影响电气设备的正常运行;引起电网谐振;使继电保护误动作，电气测量误差过大;使工控系统崩溃。
2.3.2 谐波对医疗设备的危害
导致依赖微处理器技术的设备的同步失调和数据错误;直接危害设备内部电子线路安全，导致击穿或放电;影响精密医疗设备的使用性能和精度。
3 电网谐波标准要求
目前采用的电能质量(谐波)评定标准，主要为中国标准《电能质量：公用电网谐波》(GB/T14549-1993)，标准中对电网中电流电压的畸变率有明确规定，也是作为谐波评价、治理的重要依据。
4 ANAPF低压有源滤波器在医院建筑中的应用案例
4.1 有源滤波器应用简介
某大型**医院新建的门诊住院综合楼共有4台2000kVA和1台1600kVA的变压器以及1台800kW的柴油发电机，根据该医院各变压器非线性负荷设备的负载率大小和相应的谐波畸变率以及各非线性设备的同时使用率来计算谐波电流的大小，配置了5台不同容量规格的ANAPF有源滤波器。
下面以1#ANAPF有源滤波器投入运行前、后配电系统电能质量测试情况的对比分析为例来具体描述，其中1#变压器负载主要为灯光照明、电梯、潜污泵、计算机中心等。
4.1.1 有源滤波器投运前后的数据
(1)有源滤波器投入前电流波形畸变比较严重，三相电流谐波含量分别为19.7%、27.8%、26.6%，三相电流分别为45A、40A、64A，中性线电流为37A。
(2)有源滤波器投入后电流波形畸变情况明显改善，三相电流谐波含量明显降低，分别为2.9%，2.8%，3.4%，三相电流分别为47A、48A、47A，中性线电流为5A。
(3)电流波形明显改善，使用滤波器后电流波形近似呈正弦波形态，谐波治理的工作达到了预期的目标和效果。
4.2 有源滤波器在医院建筑中应用的意义
保护医疗用电设备安全，净化电源，保护功率因数补偿设备，防止保护装置的误动作，降低电能损耗，扩大变压器和发电机供电容量。
5 结论
本文分析了医院建筑的谐波源、谐波特性和危害，并通过某大型医院低压配电系统中有源滤波器的应用案例，对比分析了有源滤波器投入前后的情况，说明了有源滤波器的谐波治理技术是改善供电电能质量的有效手段之一，可将产生的谐波控制在小范围内，达到科学合理用电，抑制电网污染，提高电能质量，保证医疗设备安全的作用。
「参考文献】
1、GB/T 14549-1993 《电能质量：公用电网谐波》
2、安科瑞电气股份有限公司产品手册.2013.01.版

谐波抑制与有源滤波装置的应用
1 前言
在电力系统中，正常的电压和电流波形应当是频率为50Hz的正弦波，但是实际的波形总有不同程度的畸变，这就是谐波所致。随着电力技术的飞速发展，谐波所造成的危害也日趋严重，谐波污染已成为阻碍电力技术发展的重大障碍之一 [ 1 ]。
电力系统中谐波的产生大致有三种来源：( 1)来源于发电机。发电机由于三相绕组在制作上很难做到对称，铁心也很难做到均匀一致，以及其他一些原因，发电机多少也会产生一些谐波，但一般来说很少; (2)来源于输配电系统。输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器含有铁心，铁心具有磁饱和性，铁心饱和后是非线性的，变压器铁心常工作在磁通密度较高的区段，磁化曲线更陡，更易产生谐波。据统计由电力变压器产生的谐波中，其中的3次谐波电流可达额定电流的15%;( 3)来源于各种电气设备。主要包括一些电力电子整流设备，变频装置，电弧炉、电石炉，气体放电类电光源等等。据统计，由整流装置产生的谐波占电力系统所有谐波的近40%，这是大的谐波源。
本文根据谐波产生的特点，总结了抑制谐波的措施，分析无源滤波装置和有源滤波装置在谐波治理中的应用。分析了目前有源滤波器的主要研究方向及有源滤波器设计的一种新思路。
2　谐波治理
2.1　谐波治理的标准
谐波的危害和影响引起了**高度重视，为了保证电网和用电设备的安全、稳定、经济运行，目前许多、国际组织以及一些大电力公司都制定了相应的谐波标准。
GB/T14549-1993 《电能质量：公用电网谐波》[ 2 - 3]
GB/T15543-2008 《电能质量：三相电压允许不平衡度》
各谐波标准宗旨大同小异，都是基于以下三个目的：
(1)将电力系统电流和电压波形的畸变控制到系统及其所接设备能够允许的水平。
(2)以符合用户需要的电压波形向用户供电。
(3)不干扰其他系统(如通讯系统)的正常工作。
2.2　谐波治理的措施
针对谐波产生的特点谐波治理的措施主要有以下3种形式：(1)主动治理，即从谐波源出发，使谐波源不产生谐波或降低谐波源产生的谐波; (2)受端治理。即从受到谐波影响的设备或系统出发，提高它们的抗谐波干扰能力; (3)被动治理，即外加滤波装置，阻止谐波源产生的谐波注入电网，或者阻止电力系统的谐波流入负载端。
目前应用较广的是采用被动治理的措施，外加滤波装置。目前主要方式为无源滤波器和有源滤波器，以阻止谐波源产生的谐波注入电网，或者阻止电力系统的谐波流入负载端。
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，甚至谐振现象等技术缺陷，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滤波器。
相比无源滤波器，有源滤波器具有以下优点：
(1)滤波性能不受系统阻抗的影响。
(2)不会与系统阻抗发生串联或并联谐振，系统结构的变化不会影响治理效果。
(3)原理上比PPF更为优越，用一台装置就能完成各次谐波的治理。
(4)可实现动态治理，能够*响应谐波的频率和大小发生的变化。
(5)由于装置本身能完成输出限制，因此即使谐波含量增大也不会过载。
(6)具备多种补偿功能，可以对无功功率和负序进行补偿。
(7)谐波补偿特性不受电网频率变化的影响。
(8)可以对多个谐波源进行集中治理。
安科瑞公司ANAPF系列有源电力滤波装置作为一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，其应用可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点(传统的只能固定补偿)，实现了动态跟踪补偿，而且可以既补谐波又补无功，是谐波治理和无功补偿的选择，是确保电网稳定运行的有力**。
3　ANAPF系列有源电力滤波装置
作为改善供电质量的一项关键技术，目前有源电力滤波器在日本、美国、德国等发达工业已广泛用于国民经济的各个生产部门，并且谐波补偿的次数逐步提高，单机装置的容量也逐步提高，其应用领域正从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统供电质量的方向发展。
3.1　ANAPF有源电力滤波装置的工作原理
ANAPF系列有源电力滤波装置，以并联的方式接入电网，通过实时检测负载的谐波和无功分量，采用PWM变流技术，从变流器中产生一个和当前谐波分量和无功分量对应的反向分量并实时注入电力系统，从而实现谐波治理和无功补偿。
3.3　ANAPF有源电力滤波装置的功能模块
控制器模块APFMC-C100
主要由：DSP(数字信号处理器)、FPGA逻辑器件、AD信号采样电路、DI/DO输入输出控制电路、PWM波形控制电路、RS485通讯电路等组成，主要用来完成电压、电流等信号的采集和处理、指令电流的计算、开关电路的生成、PWM信号的输出、系统对外通讯与系统保护等功能。控制系统是有源滤波器的核心，它决定了有源电力滤波器系统的主要性能和指标。
变流器模块APFCOV
其核心是储能电容和IGBT模块。变流器的作用主要是将电网的电压经IGBT功率模块整流后为储能电容充电，使母线电压维持在某个稳定的值，在这个过程中变流器主要工作在整流状态，当主电路产生补偿电流时，变流器又工作在逆变状态。考虑到产品是在电网中长时间运行的，因此直流支撑电容采用薄膜电容，功率模块采用德国原装产品，以确保整机质量。变流器的选择根据补偿电流的大小而有所不同。
电抗器模块APF-RE.DG、APF-RE.SDG
APF电抗器起滤波作用，滤除APF发出的电网不需要的谐波。电抗器可分为单相和三相，电流从15A到200A等多种规格。
人机操作界面APF-HMI
APF柜在工作时，系统可以监测其网侧电流、APF桥臂电流以及负载侧电流，用户可以通过HMI来对APF的运行模式进行设置，对于运行中出现的问题，可以产生对应的事件记录。HMI就是我司针对电力系统，工矿企业，公用设施,智能大厦的电力监控需求而设计的一种智能仪表，它采用高亮度TFT-LCD彩屏显示界面，通过面板按键来实现参数设置和控制，集成全部电力参数的测量、全面的电能计量和考核管理、多种电力质量参数的分析。
配套的电流采样互感器AKH-0.66-K
3.4　技术优势
DSP+FPGA全数字控制方式，具有较快的响应时间;
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;
模块化设计，便于生产调试;
便利的并联设计，方便扩容;
具有完善的桥臂过流、保护功能;
使用方便，易于操作和维护。
4　ANAPF有源电力滤波装置的应用
有源电力滤波器可广泛应用于工业、商业和机关团体的配电网中，如：电力系统、电解电镀企业、水处理设备、石化企业、大型商场及办公大楼、精密电子企业、机场/港口的供电系统、医疗机构等。根据应用对象不同，ANAPF系列有源电力滤波装置的应用将起到**供电可靠性、降低干扰、提高产品质量、增长设备寿命减少设备损坏等作用。
4.1　主要应用范围及场合
1)机场：主控室、计算机房、广播系统、EIB灯光调光系统等。
2)医院：ICU(重症监护室)、MRI(磁共振成像)、手术室、医学成像室、放疗科等。
3)剧场、体育馆：解决由于谐波造成的EIB调光设备及其它控制设备的损坏。
4)学校：精密实验室、机房、网络中心等。
5)研究所：精密仪器、机房、高精密设备集中区域等。
6)大型商场：解决由于节能灯大量应用造成的谐波问题。
7)银行：计算机中心、营业部计算机、安防系统等。
8)税务、工商：大型计算机中心等。
9)电信机房：移动基站
10)工厂：生产线的PLC、计算机控制设备、高精度机床、PCS系统、计量/称重系统等。
11)电视台：图像设备、调光设备、计算机等。

有源滤波装置在机场的应用
1、 引言
随着城市交通水平的提高，飞机作为一种便捷的交通方式给人们日常交通生活带来了多样化的选择，随之机场也在逐年扩建。但在机场的低压配电系统中，存在着大量的谐波源，如机场助航灯、直流电机、电炉、轧机、电焊机等，这些谐波源具有电流畸变大、谐波频谱范围广、无功需求变化快等特点。这类负载产生的谐波，危及配电系统的正常运行，甚至引发严重的电气事故。其中以机场助航灯光系统为例，助航灯光负载设备不断增加，机场灯光站大量使用可控硅调光设备，导致产生大量的谐波电流，对电能质量造成污染，同时附加电流和额外的热效应对各类电气设备和电缆线路安全也造成一定危害。因此，对机场助航灯光站电力谐波问题进行分析与治理较为重要。
2、 机场谐波的产生及危害
电力系统谐波产生的根本原因是一些具有非线性伏安特性的输配电和用电设备。当电流流经非线性负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成了非正弦波电流，从而产生谐波。谐波污染越来越多地威胁到电力系统安全、稳定、经济运行，给同一网络的线性负载和其它用户带来了较大影响。
助航灯光站中的主要设备是控制助航灯光开/关和调节灯光亮度的调光器，采用可控硅斩波来调节输出电压，以达到输出电流保持在规定值的目的，输入的正弦波形经过可控硅斩波后变成非线性波形。调光器在调相变控恒流过程中产生了大量的谐波，对整个助航灯光系统造成污染，导致供电效率较低。
助航灯光系统，在市电供电的运行时灯光系统运行平稳正常;但在柴油发电机供电时，系统出现明显的电流电压波动，当发电机供电时，由于柴油发电机无法提供全负荷运行所需的有功电能，因此调光器无法进行高光级下的电流控制和调节，严重情况下甚至可能会出现设备跳闸的现象，延误飞机的正常运行。
3、 谐波评估标准
为了限制谐波污染，**公用电网的安全运行，IEEE 和IEC 从不同角度出发推出了相应的谐波标准，我国早于1993 年7 月31 日颁布了GB/T14549-1993《电能质量——公用电网谐波》标准，并于1994 年3 月1 日实施。制定标准的基本原则是限制谐波源注入电网的谐波电流及其在电网中产生的谐波电压，防止其对电网中供电设备的干扰，保证电网的安全经济运行;把电网中的电压总谐波畸变率及各次谐波含有率控制在允许的范围内，保证供电质量，使接入电网中用户的各种用电器具免受谐波的危害，保持正常工作。
4、 谐波治理方案选择
根据对机场助航灯光系统谐波参数的分析和谐波治理标准，我们对机场谐波抑制方案进行了选择。
目前电力系统谐波治理主要存在两大主流方式：无源滤波技术和有源滤波技术。机场灯光站采用的大功率电力半导体调光设备，会产生大量高次谐波(主要是3 倍次谐波以外的所有奇次谐波)，而无源滤波器对每次谐波都要单独设计单谐振滤波器，设计参数要跟系统阻抗有关(计算系统阻抗很繁琐，并且系统逐年扩建，系统阻抗也会变化);无源滤波不能对谐波完全消除，反而存在着放大谐振的危险;电容的老化也会使原来设计谐振点偏移而达不到滤除目标谐波的目的;无源滤波系统适合负荷单一、稳定的场合。
与无源滤波器相比，有源滤波系统具有高度可控性和快速响应性(≤1ms)，能补偿各次谐波，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;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。其基本原理是从谐波源(被补偿对象)负载回路中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而相位相反的补偿电流波形，用以抵消谐波源负载所产生的谐波电流，从而使电网侧电流只含有基波分量。
ANAPF有源滤波装置专门针对此类工况特点的低压配电系统而设计，该装置滤波效率高、实时跟踪、响应速度快特点，可滤除负载谐波，抑制系统振荡，提高电网的稳定性，同时取得明显的节能降耗和供电设备增容的效果。
5、ANAPF低压有源滤波器在医院建筑中的应用案例
某机场供电系统的基本状况如下：供电容量较大，供电电压以110/10/0.4KV 等级为主，机场设备较多且分散，用电量大，部分为设备，负荷有一定冲击性，供配电系统三相基本平衡，低压部分进行了集中无功补偿。
以1#助航灯光站为例进行谐波分析，1#助航灯光站包括2台500KVA变压器和一台150kVA柴油发电机备。主要用电设备为机场助航灯光设备。
5.1 ANAPF有源滤波装置的工作原理
ANAPF系列有源电力滤波装置，以并联方式接入电网，通过实时检测负载的谐波和无功分量，采用PWM变流技术，从变流器中产生一个和当前谐波分量和无功分量对应的反向分量并实时注入电力系统，从而实现谐波治理和无功补偿。
5.2 ANAPF有源滤波装置投入前后对比
(1)有源滤波器投入前功率、电流波形畸变严重，谐波治理后波形趋于正弦波，谐波治理的工作达到了预期的目标和效果;
(2)有源滤波器投入后功率因数波形畸变情况明显改善，谐波治理前分别为-0.805，-1.000，-1.000，治理后分别为0.925,0.394,0.347。
从附图的对比中可以看出：同种负载条件下，投入使用ANAPF有源滤波器后，电能质量改善的同时，又节省了电能;功率因数的大幅度提高，提升了变压器、发电机的供电容量，从而解决了系统发电机带全负荷运行时控制设备失调的问题。
5.3安装要求
ANAPF一般为标准柜式结构，安装时应避免倒置或平放，外形尺寸由所选谐波补偿电流值决定，平面布置形式一般由谐波电流补偿点位置决定。1)离墙安装：正常情况下建议与低压开关柜并列离墙布置，正面操作，双面维护，背面维护通道不小于800mm。
2)靠墙安装：ANAPF也可靠墙布置，正面操作，正面维护。
3)电气设计人员在考虑系统接线及平面布置时应注意将ANAPF的补偿接入点尽量靠近补偿对象，并处于采样CT的上游，或在末端预留空间供设计安装，CT采样处下游不能包含容性负荷。
4)ANAPF所有正常情况下不带电的金属外壳均应根据设计要求的接地制式(TN-S、TN-C-S、TT等)严格做好相应的保护接零或保护接地。
6、 结论
本文通过介绍机场助航灯光系统谐波源的产生及危害，对比有源滤波装置和无源滤波装置的方案，采用ANAPF有源滤波装置对机场供电系统的电能治理，达到了相应的谐波标准，系统内电能质量得到很大地提高，减少了变压器和线路的损耗，提升了变压器、发电机的供电容量，从而解决了系统发电机带全负荷运行时控制设备失调的问题。大大提高了机场运行的安全性和经济性。
「参考文献】
[1] 上海安科瑞电气股份有限公司产品手册.2013.01.版
[2] 民用机场助航灯光供电系统的电力谐波分析. 冯兴学