有源滤波器(FT-APF)

为什么需要无功电能管理:

无功电能管理原理:

◇ 在交流电路中,电源向负载提供两种功率,它们是有功功率和无功功率。

◇有功功率是保证用电设备正常运行的电功率,这部分电能会转化为其它形式的能量,如机械能、内能等。

◇有功功率的符号是P,单位为瓦、千瓦、兆瓦(W、kW、MW)。无功功率较为抽象,它用于电路内电场与磁场的交换,在电气设备中建立和维持磁场。无功功率不会对外做功,而只是转变成为其它形式的能量。凡是电磁线圈要建立磁场,就要消耗无功功率。无功功率的符号是Q,单位为乏、千乏(Var、kVar)。

◇无功功率并不是无用的功率,电动机需要建立和维持旋转磁场,使转子转动,从而带动机械运动,电动机的转子磁场就是靠从电源取得的无功功率建立的。变压器也同样需要无功功率,才能使变压器的一次绕组产生磁场,在二次绕组感应出电动势。因此没有无功功率电机不会转动、变压器也不能变压。

◇在正常情况下用电负荷不但要从电源取得有功率,同时也需要取得无功功率。如果电网中的无功供应不足,用电设备就没有足够的无功功率来建立电磁场,这些设备就不能在额定状态下工作,设备端电压会下降并影响正常运行。

◇传统的校正方案是通过连接电容器,因电容器能够补偿被负载所消耗的无功能量。基于技术进步,现在也可以使用静止无功发生器(SVG)来产生容性或感性电流,补偿负载所需无功能量。使用直接结果就是提高功率因数、降低视在功率,输电网减少了功率损耗,使传输能力变强。

 

无功电能管理带来的效益

◇电网中的无功传输,具有重要的技术和经济意义。在一个电路中,除了有功能量,还需要提供无功能量。在传输相同有功功率的情况下,更高的无功功率意味着更高的视在功率和电流,因此在接近负荷的地点产生无功能源用以避免不必要的电流传输,即为“功率因数校正”。


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综合起来,无功电能管理能带来如下收益:

◇避免无功电能的损失,使视在功率降低

◇减少线路及变压器损耗

◇增加可用功率

◇缩小导体横截面积

◇减少设备压降,避免过载


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少其出力程度, 影响其长期可靠运行;

◇ 降低了电动机的输出功率,使其绕组温度升高,危机其安全运行;

◇ 可能进一步造成三相电压不平衡,致使电压高的一相上挂载的用电设备烧坏,而电压低的一相上挂载的用电设备无法正常使用。

 

传统三相不平衡调节方式及其特点:

安装电子换相开关:

◇根据系统三相不平衡情况,通过电子开关,将单相负荷切换到合适的相。需要按照ABC 三相,把所有的单相或两相负荷分成若干组,每组用一个电子开关进行换相控制。从一定程度上缓解了三相不平衡,但当每组内负荷发生动态变化或分组不够精确时,系统始终会存在三相不平衡。另外,在换相过程中,还存在电压闪变和跌落。

 

投切相间和分相电容:

◇根据wangs 定理(王氏定理),投切分相电容器,调节每相无功电流,投切相间电容器,转移相间有功电流。三相不平衡的具体调节效果,取决于相间电容器和分相电容器的分组数量和容量级差。在实际使用过程中,由于电容容量的离散性,系统仍然在一定程度上存在着不平衡, 并且当负荷快速变化时,电容往返投切频繁,会加速其老化。另外,在一些应用场合,无法同时兼顾无功补偿和三相不平衡电流调节。

 

使用静止无功补偿装置:

◇最普遍使用的静止无功补偿装置(SVC),一般为固定电容器(FC)+ 晶闸管控制电抗器(TCR)。 根据Steinmetz 理论和瞬时无功算法,计算系统三相补偿导纳,控制TCR 的每一相触发角,调整分相和相间的无功功率无功补偿容量的确定:

◇为了确定无功补偿的需量,要使用数学计算的方法。

◇由矢量图分析和三角函数可得到Qc=P×(tanφ-tanφ’),其中φ 为功率因数角,cosφ 即为功率因数(PowerFactor)。在已知负荷功率P、原始功率因数cosφ 和目标功率因数cosφ’时,就可以计算出需要补偿的无功功率值。

 

无功补偿方式的确定:

◇集中补偿:在母线上安置补偿装置对所有负载进行补偿;

◇分组补偿:在部门总开关下安置补偿装置对部分负载进行补偿;

◇就地补偿:在用电设备的末端开关下安置补偿装置进行针对性补

偿。

 

无功补偿控制模式的确定:

◇固定补偿:补偿的无功功率量为定值,针对较平稳的无功需求;

◇自动补偿:补偿原件是按容量分组的电容器或连续可调的SVG 设备,针对负荷动态变化的无功需求(功率因数判据)决定补偿量的大小。

 

三相不平衡调节的重要性:

三相不平衡的危害性:

◇ 在低压配网系统中,一般采取三相四线制,用电终端多为单相负荷或单相和三相负荷用,并且负荷大小不同、用电时间不固定。电网中广泛存在着三相电流不平衡,并且不平衡状况具有无规律性,它对配电和用电设备的主要危害如下:

◇ 额外增加了线路的功率损耗,造成用户不必要的电费支出;

◇ 增加了配电变压器的铜损,减实现三相不平衡电流的平滑调节。在实际使用过程中,TCR 本身会产生一些低次谐波电流,当FC 的滤波参数设计不合适时,还会造成谐波放大。

 

三相不平衡调节的重要性:

工作原理:

◇ 采用类似于有源滤波器的主电路拓扑结构,并对并网组件参数进行系列优化设计,使之更适合于系统基波电流的不平衡控制。它实时采集系统的三相电流波形,并提取出基波电流的正序、负序和零序波形,综合系统的无功补偿和三相不平衡需求,即时合成相应指令波形送给IGBT 逆变器,输出可抵消系统三相不平衡的电流。

 

工作优点:

◇ 可实现三相不平衡的平滑调整;

◇ 可兼顾无功补偿和三相不平衡调节;

◇ 响应速度快,无电压闪变和波动;

◇ 无谐波电流污染。


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 传统补偿下的电流波形

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传统补偿下的电压波形

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三相不平衡调节装置作用下的电流

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三相不平衡调节装置作用下的电压

 

谐波治理的必要性:

电网的谐波污染:

什么是谐波?什么是间谐波?

◇谐波是指电压或电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量,一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解,其余大于基波频率的电流产生的电量。那么非整数倍的电压和电流大家称之为间谐波,其频率是在各次谐波之间的,如130Hz(2 次100Hz 到3 次150Hz 之间)。

 

谐波产生的原因?

◇谐波由于正弦电压加压于非线性负载,基波电流发生畸变产生谐波。主要非线性负载有UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器、电梯、空调、节能照明等。

 

谐波的危害

◇ 大量3 次倍谐波将导致中性线过电流、过热甚至引发火灾;

◇ 降低配电设备(如变压器、电缆)的有效承载能力;

◇ 使电缆过热、绝缘老化。谐波次数越高,谐波热损耗(I2Rt) 越高。10A 的5 次谐波电流所产生的热量为10A 的基波电流热量的5 倍;

◇引起断路器误动作,使测量设备产生误差;

◇ 对通信、微电子设备产生干扰;

◇ 造成功率因数补偿电容器的过电流、过电压,加速元件老化;

◇ 集肤效应;

◇ 电网谐振;

◇ 间谐波会导致发电机轴由于压力而发生断裂。

 

有源滤波功能原理

◇ APF、SVG 装置通过外部电流互感器实时采集电流信号,通过内部检测电路分离出其中的谐波部分,通过IGBT 逆变出与系统中的谐波大小相等相位相反的补偿电流,实现滤除谐波的功能(闭环控制)。

◇有源滤波是一种对谐波进行动态抑制的滤波装置,可以很好的跟踪需补偿的谐波成分,不需要对特定的谐波次数进行设计补偿,具有应用的普遍性。

 

与传统的LC 无源滤波器相比,APF 具备以

下明显的优点:

◇ 动态的实时补偿,滤波效果好;

◇ APF 根据谐波频率的改变而控制自身输出,不用根据特定的负载设计,且APF 不易与电网阻抗发生串联谐振;

◇ APF 中的原件额定容量要比LC 电路中的电感电容小很多。在补偿过程中,APF 不会过载输出;

◇ 除了可以滤除绝大部分谐波外,APF 装置还可以补偿无功电流,从而实现全补偿;

◇ 相对于三角形接法的LC 电路,分相检测和输出的APF 装置更适用于谐波及无功不平衡的场合。

 

优化电能质量带来的直接效益

在降低了谐波电流、补偿无功功率和三相不平衡后,能得

到以下收益:

 

◇使谐波对其他负载的影响降到最低,优化设备工况;

◇减少电缆损耗及发热,提高供电可靠性;

◇降低变压器的损耗,增加了变压器的有效容量,增加相应的带载能力,减少扩容所需的投资;

◇提高变压器的安全运行系数,起到节能降耗的目的。

 

谐波补偿需量的确定方法

◇ 谐波电流补偿容量的选择,涉及到很多的因素,需要经过实地测算或初步设计估算,精确预估需要仿真建模,其过程非常复杂。优化改造项目的设计过程中,用以下方式得到负载的各次谐波电流分量值,再根据谐波电流的具体情况确定有源滤波器的容量大小。下表所示的特定负载谐波电流情况,计算得到谐波电流有效值约60A,考虑到留有一定裕度,可选择额定容量为75A 规格的有源滤波设备。


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新建项目因无法准确测量出谐波情况,可以通过

下式估算:

IH=0.15×K1×K2×St

其中:IH——母线侧谐波电流

St——变压器容量

K1——变压器负荷率(可取75%)

K2——补偿系数

对于一般写字楼、商业楼,K2 可取0.3 ~ 0.6;

计算机、节能灯、变频设备相对集中的办公楼、体育场馆、剧院、传媒建筑、一般工厂可取0.6 ~ 1.3;数据中心、通信基站、电弧炉、大规模UPS/EPS、变频器、焊接、电镀、电解、整流等工厂可取1.3 ~ 1.8。

 

应用领域及特点:

◇灵活而功能强大的工业级APF系列产品是具有标准19英寸外型、功能强大的工业级PQM,其极高的系统可用性能够满足用户高性能的应用需求。

 

适合水平和垂直安装,适用各种环境使用,有利于各类矫正任务完成

◇直观的电能数据对比分析

◇良好的三相电流不平衡动态调节

◇实时动态无功功率补偿调节

◇工业级的产品性能,超强滤波补偿能力

◇智能电能质量管理

 

产品原理

◇ APF 系列产品通过外部互感器CT 实时采集负载电流信号,通过内部检测电路分离出其中的无功功率与谐波电流大小,并自适应输出ZVPWM 信号给IGBT,通过IGBT 逆变出同负载大小相等相位相反电流,实时实现动态无功补偿和谐波滤除。APF 系列产品的输出补偿电流是根据系统的无功需求与谐波量动态变化的,因此不会出现过补偿,柔性的无功补偿不会产生涌流冲击。APF 系列产品可自动限制在100% 额定容量输出,内部过载保护功能充分保证了设备不会过载运行。


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产品型号

APF

性能电压


工作电压

220V/400V/690V/1100V(±20%)

工作频率

50Hz/60Hz±10%

额定电量

25A/30A/35A/50A/60A/75A/80A/100A/120A(更大容量可通过并联扩展并由统一控制装置进行协调控制)

滤波功能

·

滤波范围

2-50

整机效率

≧98%

滤波技能

< 5%THDI(额定容量)

补偿功能

·

无功补偿范围

-0.98~+1(可调)

无功补偿能力

>99%(额定容量)

不平衡功能

·

不平衡调节范围

分相功率因数0.95~1(容量范围内)

不平衡调节能力

不平衡度≦3%(容量范围内)

响应时间

< 1ms

全响应时间

< 10ms

开关频率

20kHz

过载保护

·

显示操作


5英寸触摸屏

·

8英寸触摸屏

显示内容

电流参数/专家参数/主接线图/事件记录/波行曲线等

显示语言

中文/英文等

操作方式

面板触摸/手自动开关

通讯方式


硬件接口

RS485/Ethenet

通信协议

ModbusCDT

环境条件


环境温度

-25~45

储存温度

-40-70

相对温度

最大95%,无凝露

海拔高度

1500米以下

备注:◎代表有此项功能,·代表为可选功能,更多规格请联系太阳企业



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型号命名规则

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安装接线

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应用方案

补偿方式

 

1.综合补偿

综合补偿适用于混合型配电系统,非线性负载数量庞大、分散、并且单台非线性负载谐波含量小,可在电网的接入端安装太阳Kscap有源电力滤波器,对配电系统的所有谐波进行综合治理。

 

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2.部分补偿

部分补偿适用于非线性负载集中在某几条支路的配电系统,可在这几条支路的上端安装太阳Kscap有源电力滤波器,确保谐波不流入电网污染其他负载。

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3.局部补偿

局部补偿适用于非线性负载集中且单台谐波含量较大的配电系统,在此负载的前端安装太阳Kscap有源电力滤波器可达到理想治理效果。

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