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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较大的便利，但随着这些设备的大量应用，电能质量问题也十分**。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良好者。
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较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**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的较低阻抗通道，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。目前我司常规产品较大为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*，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较大的益处，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
ANAPF有源滤波器模块化安装优势 安科瑞鲍静君
摘 要：本文介绍了ANAPF有源滤波器模块化设计的特点，并结合实际应用介绍了抽屉式APF模块在柜体内的安装指引，以及壁挂式APF模块挂墙安装的方式，体现了模块化设计在安装、售后维护、扩容等方面的优势，同时为用户节约了成本。
关键词：有源滤波器 抽屉式 壁挂式 模块化特点 安装优势
引 言：ANAPF有源滤波器是一种常用的用于谐波治理的产品，目前市场上大部分都是柜体式的产品，柜体式设计方案存在生产效率低，安装及售后服务不方便、无法扩容、成本高等缺陷，有时严重影响客户交期，为此 模块式设计方案可以解决上述问题。
1.ANAPF有源滤波器的工作原理
ANAPF有源电力滤波器(以下简称APF)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。
（上图为ANAPF有源电力滤波器原理图）
2.APF模块的介绍
APF模块化设计根据安装方式分为两种：抽屉式模块和壁挂式模块
2.1抽屉式模块：
2.2壁挂式模块：
单个模块较大容量达100A，可单独安装使用，壁挂式模块适用于负荷容量较小或场地紧凑的场合，可直接挂在墙上，也可根据实际容量、柜体尺寸要求，采用合适的模块数量挂在柜体中，通过并机满足客户谐波容量需求。抽屉式也可采用多个100A模块并联安装在柜体中形成大电流补偿装置，根据实际补偿容量需求增减柜体内模块数量，较于壁挂式模块安装更方便、适用于大负荷容量的场合。
3.APF模块化设计特点
3.1模块化设计、积木扩展式并联结构，安装便利、方便扩容、可作为零部件单独使用。
模块化有源滤波器为积木扩展式并联结构，主电路中的每个电气元件都小型化和标准化，整个拓扑封装在一个模块内，APF模块与柜体采用钣金固定，用户扩容时把APF装进预留空间的APF柜体内，插上光纤即可
3.2维护便捷，支撑在线维护
任何一个电气元件损坏只会影响当前模块运行，APF柜内其他模块正常运行，不会导致整套APF瘫痪。维护时只需把故障APF模块从柜体中移出，更换上新的APF模块即可。
3.3可靠性高、温度均匀
逆变单元中的IGBT、LCL滤波器中的滤波电感和阻尼都微型化、功率小，发热元件平均分配到每个滤波模块中，热量均匀，电气元件不易发生因为温度过高而失效，同时每个模块中都配有散热风机。
3.4控制器线路板与APF模块及APF模块之间采用光纤传输数据
控制器与功率单元之间采用光纤连接，整个数据传输都为光信号，不会受到电磁干扰。在信号衰弱方面，光纤传输衰减远远小于传统排线传输
3.5实时跟随、动态补偿
采用基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测技术，实时监测谐波电流，通过瞬时电流跟踪控制，实现谐波电流动态补偿，自动跟踪电网谐波变化，具有高度可控性和快速响应性。
3.6补偿方式灵活
一机多能，不仅能治理谐波，而且能补偿无功、提高功率因数。既可对单个谐波源独立补偿，也可对多个谐波源集中补偿。
4.APF模块化安装的介绍
APF有源滤波器电流规格分别为：50A、100A、150A、200A、250A、300A. 按单个模块较大容量50A。例：100A为2个模块组成，依次类推300A为6个模块组成。
4.1标准APF柜体结构示意（柜体可根据客户要求定制）
柜体型材：C型材
柜体尺寸：宽*深*高800*1000*2200 防护等级：IP30
柜体颜色:RAL7035
标准眉头（图示：A）:高60mm，红底白字，前后眉头，眉头**部与柜**齐平
图示B和F分别为母线区前后门，有封板式和柜门式两种，图示为柜门式，高度有180、200、220可供选择，也可根据客户要求定制。
C为柜底挡板区，高度有100、120两种尺寸，也可根据客户要求定制。
D为母线区，高度有200、250两种尺寸，也可根据客户要求定制。
E为地排区，标准高度为150㎜，其他高度会影响柜体备货和模块安装数量。
图示柜体前后门为标准前后门，小门宽度200㎜，大门宽度600㎜。柜子前后门上需多开散热孔，便于通风散热。
4.2 抽屉式模块在柜内的安装
目前常规的APF柜内空间有限，抽屉式模块较多安装6个，组合容量为300A的有源滤波器。但是，我们正在向更多模块数，更大容量化的方向进行研究与发展。
4.2.1抽屉式模块外形及安装孔尺寸
模块实物正视
模块实物背视
模块安装孔尺寸
4.2.2抽屉式模块安装说明
6个模块，容量为300A的APF模块安装示意图
● 柜内模块支撑支架由上往下左右两边支撑支架序号分别是1、2、3、4、5.支架置于柜内侧横梁上，每个支架上有对应序号数量的小孔，仅仅作为支架的区别用，不做安装使用。柜内4个模块及以下模块固定位置从支撑支架3开始安装，即APF1模块置于支架3上，APF2模块置于支架4上，若4个模块，以此类推，APF4模块置于柜内底支撑梁上。5个模块时APF1模块在支撑支架2上。如下图（一）所示。
● 每个APF模块根据上述安装固定位置要求，放置于柜内相应位置，模块前面板上的安装孔刚好对应柜内安装支架上的安装孔，然后用M6的螺钉紧固，如下图：
图（一）
● 每个模块配一个微型断路器（现以天水213品牌微型断路器为例），起保护、分合作用，便于以后检修。微断的安装位置与板载模块位置相对应，置于柜左侧小门里的35㎜的导轨上。
4.2.3抽屉式模块接线说明
APF板载模块原理图
4.2.3.1一次电缆接线
图（二） 图（三） 图（四）
如图（二）、(三)所示，模块上A、B、C、N四相线分别接于微型断路器下桩头上，然后A、B、C、N四相线从微型断路器上桩头分别接在柜内A、B、C、N四根汇流排上，客户进线分别引至这四根汇流排上，见图（四）。完成一次电缆连接。
4.2.3.2光纤连接
如图（五）两图所示：APF1模块上R1不接、T1接于APF2模块上R1，APF2模块上T1接于APF3模块上R1，依此类推，柜内最后一个模块上的T1不接。
图（五）
4.2.3.3互感器信号线缆连接
图（六）外接互感器原理图
如图（六）所示，CT1~CT3为外接互感器，APF1模块上Ia*、Ib*、Ic*引至柜内1、2、3片试验端子上，分别对应接外接互感器A、B、C相S1,APF1模块上Ia、Ib、Ic分别接APF2模块上Ia*、Ib*、Ic*，APF2模块上Ia、Ib、Ic分别接APF3模块上Ia*、Ib*、Ic*，以此类推，柜内较下端一个模块上的Ia、Ib、Ic环绕一起分别接至4、5、6片试验端子上，分别对应外接互感器A、B、C相S2端，如图（七）所示。
图（七）端子
4.3 壁挂式模块挂墙安装的说明
4.3.1壁挂式模块实物外形
壁挂式模块实物正视
4.3.2壁挂式模块安装说明
我司提供安装支架，如图（八）（九）所示，安装支架用M10的膨胀螺栓固定在墙上，模块后侧挂墙安装孔对应安装在安装支架上。便于接线及模块散热要求。
4.3.3壁挂式模块接线说明
例100A的有源滤波器，可以用两个容量50A模块并排安装。
4.3.3.1一次电缆接线
图（十一）
用16㎜2线缆分别从两模块上端A、B、C、N引至4级塑壳断路器桩头上或3较加N排。
4.3.3.2光纤接线
如上图（十一）所示，APF1模块上R1不接、T1接于APF2模块上R1，APF2模块T1不接。
4.3.3.3互感器信号线缆接线
如图所示，CT1~CT3为外接互感器，APF1模块上Ia*、Ib*、Ic*分别对应接外接互感器A、B、C相S1,APF2模块上Ia、Ib、Ic环绕一起分别对应外接互感器A、B、C相S2端。
4.3.4 例：APF100A壁挂式模块的安装示意图
5.APF容量计算方法
谐波是由非线性设备产生的，而每种设备的实际工作状态都不同。因此实际谐波电流需采用专门设备进行测量，考虑到设备的技术及经济性，设计谐波治理装置的额定谐波补偿电流应略大于系统谐波电流。由于谐波电流本身的测量与计算比较复杂，况且在设计时往往很难采集到足够的电气设备使用中的谐波数据，可以根据下列公式估算谐波电流进行选型。
5.1 根据负载额定电流和行业类型选型
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。
常见谐波负载的谐波含量
6.结束语：
模块化设计有源滤波器结构轻巧、安装方便，为用户节约了投资成本，缩短了生产工期；制造趋于标准化，减少生产环节的规格变化，更适宜大批量、标准化生产，产品品质更有**。多模块并联有源滤波器补偿方式比较灵活，采用不同数量补偿模块并联后，可以用于不同容量及要求的谐波抑制场合，因此在解决各种不同的工业及商业应用场合方面具有可靠性和更高的灵活性。为低压配电网的谐波治理工程提供了的补偿装置，具有良好的应用价值和应用前景。
【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