NYAPF有源电力滤波柜在大剧院的应用

项目名称：昌都市卡若区重庆·三江原生态文化城大剧院建设项目

项目地址：昌都市卡若区野堆村

项目介绍：卡若区重庆•三江原生态文化城易地扶贫搬迁安置区附属工程已由昌都市卡若区发展和改革委员会以昌卡若发改基建【2018】231号文件批准建设，招标人为卡若区人民政府，建设资金来自银行贷款，项目出资比例为100%。

卡若区重庆·三江原生态文化城易地扶贫搬迁安置区附属工程，含电气设备用房113.61平方米、消防水池及泵房360.19平方米、垃圾点32平方米和附属工程。

重庆三江原生态文化城大剧院共有1021个座位，可以达到国家中等剧院的规模，能够满足后期大部分演出的需要。目前，大剧院的室内装修和建设已基本完工。

用电容量为3000KVA,由一主一备两路10KV电源进线引自本项目高压配电室，设置2台变压器，容量分别为1000KVA 3台。

设计要求：

1、功率因数补偿：低压采用低压电力电容器、电抗器、复合开关、无功补偿控制器组成无功补偿装置，为防止系统内高次谐波过大，电抗率按7%设置。补偿后低压侧功率因数不得小于0.95。考虑到演艺的LED灯和LED大屏幕的用电要求高、谐波大，在每台变压器出线侧各加装1台有源电力滤波柜NYAPF/4L-400V-300AG和NYAPF/4L-400V-150AG来保证用电质量。

谐波治理基础知识

一、什么是谐波

在电力系统中谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶(M．Fourier)分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率，幅度与相角。谐波可以区分为偶次与奇次、分量谐波；第3、5、7次编号的为奇次谐波，而2、4、6、8等为偶次谐波，如基波为50Hz时，2次谐波为l00Hz，3次谐波则是150Hz。一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中， 由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。对于三相整流负载， 出现的谐波电流是6n±1次谐波，例如3、5、7、11、13、17、19等次谐波。分量谐波，频率为基波非整数倍的分量称为间谐波（interharmonics），有时候也将低于基波的间谐波称为次谐波（sub-harmonics),次谐波可看成直流与工频之间的间谐波。

二、谐波的产生

1、发电源质量不高产生谐波

发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，电源多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。

2、输配电系统产生谐波

输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可达额定电流0.5%。

3、用电设备产生的谐波，其中用电设备产生的谐波最多

晶闸管整流设备。由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。我们知道，晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波的30%；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥6脉整流器，变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流；如果是12脉冲整流器，也还有11次及以上奇次谐波电流。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%，这是最大的谐波源。

变频装置。变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中，由于采用了相位控制，谐波成份很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，这类装置的功率一般较大，随着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多。

电弧炉、电石炉。由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的三角形连接线圈而注入电网。其中主要是2次、7次谐波，平均可达基波的8% 、20%，最大可达45%。

气体放电类电光源。荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。分析与测量这类电光源的伏安特性，可知其非线性十分严重，有的还含有负的伏安特性，它们会给电网造成奇次谐波电流。

家用电器。电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等，因具有调压整流装置，会产生较深的奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备中，因不平衡电流的变化也能使波形改变。这些家用电器虽然功率较小，但数量巨大，也是谐波的主要来源之一。

三、谐波的危害

理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，也对周围的能耐电力电子设备广泛应用以前，人们对谐波及其危害就进行过一些研究，并有一定认识，但那时谐波污染还没有引起足够的重视。近三四十年来，各种电力电子装置的迅速使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面。

1、谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。

2、谐波影响各种电气设备的正常工作。 谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。

3、谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述（1）和2的危害大大增加，甚至引起严重事故。

4、谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。

5、谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致住处丢失，使通信系统无法正常工作。

6、无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率增加，从而使发电机、变压器及其他电气设备容量和导线容量增加。同时，电力用户的起动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大。

7、无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备及线路的损耗增加，这是显而易见的。

8、使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。

四、谐波的监测

我国为加强对谐波的监测，管理及治理，于1994年正式颁布了GB/T14549-93国家标准《电能质量--公用电网谐波》。为了配合国家电力公司《电网电能质量技术监督管理规定》和国家《公用电网谐波标准》的执行，欧迪森电气有限公司研发并生产了NYH-612电能质量监测装置。该装置可测量三相电压、三相电流的谐波、序分量、电压变动和闪变、电压偏差、功率因数、有功、无功、频率、暂态电压等参数，谐波可测量63次，仪器实时监测定时记录，记录结果可以存盘并打印，为用户提供丰富、完整的实测记录资料。产品广泛应用于变电站、风电场、钢铁企业及电气化铁路，产品通过相关认证，完全能够满足电网运行要求，实现对电网安全保驾护航。

谐波分析是信号处理的一种基本手段。在电力系统的谐波分析中，主要采用各种谐波分析仪分析电网电压、电流信号的谐波，该类仪表的谐波分析次数一般在40次以下。

对于变频器而言，其谐波分布与电网不同，电网谐波主要为低次谐波，而变频器的谐波主要为集中在载波频率整数倍附近的高次谐波，一般的谐波分析设备只能分析50次以下的谐波，不能测量变频器输出的高次谐波。对于PWM波，当载波频率固定时，谐波的频率范围相对固定，而所需分析的谐波次数，与基波频率密切相关，基波频率越低，需要分析的谐波次数越高。一般宜采用宽频带的，运算能力较强、存储容量较大的变频功率分析仪，根据需要，其谐波分析的次数可达数百甚至数千次。例如，当载波频率为2kHz，基波频率为50Hz时，其40次左右的谐波含量最大；当基波频率为50Hz时，其400次左右的谐波含量最大，需要分析的谐波次数一般至少应达到2000次。

五、谐波的治理

根据电能质量监测装置测量出来的实时数据为基础进行有效的治理，1、优化电气设计。电力谐波的产生往往与电气设计不合理有着极大的关系，因而要从根本上解决电力谐波问题首先优化电气设计，避免电力谐波的发生。2、采用无源滤波装置和有源滤波器进行治理。

无源滤波装置

无源滤波的主要结构是用电抗器与电容器串联起来，组成LC 串联回路，并联于系统中，LC回路的谐振频率设定在需要滤除的谐波频率上，例如5次、7次、11次谐振点上，达到滤除这3次谐波的目的。其成本低，但滤波效果不太好，如果谐振频率设定得不好，会与系统产生谐振。市场上流通较多的采取的滤波方法就是这一种，主要是因为低成本，用户容易接受。虽滤波的效果较差，只要满足国家对谐波的限制标准和电力部门对无功的要求就行了。由于其低成本，市场的需求也就大，一般而言，低压0.4KV系统大多数采用无源滤波方式，高压10KV几乎都是采用这种方式对谐波进行治理。由于我国的中小企业大多数是私有的，业主对谐波的危害认识不足，一般不愿意拿出大量的经费来治理谐波，而有的企业由于谐波的含量太大，常规的无功补偿不能凑效，供电部门对无功的要求又是十分严格的，达不到就要罚款。因此，业主不得不要求滤波。因而，其市场的前景可观，经济效益也就可观了。

六、有源滤波器的功能

有源滤波器装置（有源电力滤波器）是在无源滤波的基础上发展起来的，它的滤波效果好，在其额定的无功功率范围内，滤波效果是百分之百的。它主要是由电力电子元件组成电路，使之产生一个和系统的谐波同频率、同幅度，但相位相反的谐波电流与系统中的谐波电流抵消。但由于受到电力电子元件耐压，额定电流的发展限制，成本极高，其制作也较之无源滤波装置复杂得多，成本也就高得多了。其主要的应用范围是计算机控制系统的供电系统，尤其是写字楼的供电系统，工厂的计算机控制供电系统。对单台的装置而言，其利润是可观的，但用户一般不愿意用有源滤波，对于谐波的含量，不必滤得太干净，只要不危害其他用电器（用电设备）也就可以了。

  有源电力滤波器（APF：Active Power Filter）是一种用于动态抑制谐波的电力电子装置，其能够对不同大小和频率的谐波进行快速跟踪补偿。

七、技术参数

NYAPF有源滤波器有模块式和整柜式，模块式容量30A到150A，整柜式容量30A到750A（900A）；产品可满足多次谐波需求治理场合。安装方式有壁挂式、模块式（客户自己组装）、正柜式（整柜式）。

电气特征	额定电压	400V（-40% ～ +20%）
	工作频率	45Hz ～ 65Hz
	电气接线	三相三线/三相四线
	滤波范围	2～5161次谐波（可以选择性滤波，各次谐波补偿可分别设定）
	滤波能力	THDi＜5%
	无功补偿功能	内置谐波补偿、无功补偿、三相不平衡等多种补偿功能，用户可自行设定选择补偿功能
	有功功率损耗	＜3% 额定模块功率下
	全响应时间	＜10ms
控制特征	开关频率	20kHz40kHz
	控制算法	FFT算法、智能FFT算法、瞬时无功算法
	控制器	数字式双DSP(双DSP+CPLD)
	通讯功能	采用电总协议、Modbus协议、TCP/IP，通讯接口RS485、网口
	控制连接	光纤，或电气连接
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