采用APF进行谐波治理和无功补偿的工程应用

姚锦卫1，张国兴2，张颖1

（1.河北省科技工程学校，保定071000；2.鼎阳智电慧服科技股份有限公司，保定071051）

摘要：大部分工矿企业的用电情况复杂，大量非线性负荷使供电系统中高次谐波含量增加，引起电网电压畸变，常规无功补偿设备无法有效应对。针对上述现象，本文提出了一种由三电平拓扑电路组成的有源电力滤波器（APF）模块设备，安装在变压器二次侧0.4kV母线上，对电源系统进行谐波治理和无功补偿。该模块运行速度快、功率损耗低、体积小、重量轻，较适宜于现场的安装改造。工程实践证明该模块能够有效解决供电系统谐波污染和无功补偿问题。

关键词：无功补偿；电能质量；谐波污染；谐波治理；有源电力滤波器中图分类号：TM76

文献标志码：A

文章编号：1003-30（2018）06-0140-05

DOI：10.3969/j.issn.1003-30.2018.06.022

EngineeringApplicationofHarmonicControlandReactivePowerCompensation

UsingAPF

YAOJinwei1，ZHANGGuoxing2，ZHANGYing1

（1.HebeiScienceandTechnologyEngineeringSchool，Baoding071000，China；

2.DinyoungElectronicTechnologyServiceCo.，Ltd，Baoding071051，China）

Abstract:Thesituationsofelectricityconsumptioninmostindustrialandminingenterprisesarecomplex，resultingintheincreaseofhigh-orderharmoniccontentsduetoalargenumberofnon-linearloadsandfurthercausingthevoltagedistortionofpowergrid.However，theseproblemscannotbeeffectivelysolvedusingtheconventionalreactivepower

compensationdevices.Inthispaper，anactivepowerfilter（APF）modulardeviceconsistingofathree-leveltopologycircuitisproposed，whichcanbeinstalledonthesecondarysideof0.4kVbusofthetransformertoperformharmoniccontrolandreactivepowercompensationforthepowersystem.Itisfoundthatthismoduleismoresuitableforon-sitein⁃stallationandtransformationowingtoitsfastspeed，lowpowerloss，smallsize，andlightweight.Apracticalengineer⁃ingapplicationshowedthattheproposedmodulecaneffectivelysolvetheproblemsofharmonicpollutionandreac⁃tivepowercompensation.

Keywords:reactivepowercompensation；powerquality；harmonicpollution；harmoniccontrol；activepowerfilter（APF）

随着电力电子技术的发展和晶闸管、绝缘栅双极晶体管IGBT（insulated-gatebipolartransistor）等相关电力电子器件的广泛应用，非线性负荷在用电设备中所占的比例显著提升并呈逐年扩大的趋势。非线性负荷作为谐波源，从电网吸收非正弦电流，引起电网电压畸变，严重影响各种电气设备如变压器、电动机、无功补偿装置、继电保护装置、计量仪表、通讯设备等的正常工作，危害系统的安全运行。

统局部并联谐振或串联谐振，使谐波电流放大几倍甚至数十倍，造成过电流，使电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使测量仪表计量不准确。谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰[1]。

谐波产生的危害日益严重，迫使供电公司对一些用电量大的单位进行严格管制，其产生谐波电流的大小，以此来消除谐波污染带来的电能质量问题。同时，国家也出台了相关的标准和规范对谐波的控制和治理进行督导。

对于一些以变频器、开关电源、电弧炉等驱动和用电设备为主的工矿企业，其电源系统容易出现谐波含量高、功率因数低等状况。在产生大量功率

1谐波的危害及产生原因

谐波的危害表现在：谐波使电能传输和利用的

效率降低，使电气设备过热，并使绝缘老化、缩短使用寿命，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系

收稿日期：2017-04-01；修回日期：2018-02-23

第30卷姚锦卫等：采用APF进行谐波治理和无功补偿的工程应用

·141·

损耗的同时，对用电设备和运维人员的安全造成严重威胁。

造成谐波含量超标的原因主要有：①电力电子设备主要包括整流器、变频器、开关电源、静态换流器、晶闸管系统及其他SCR控制系统的使用[1]。②冲击性负荷如电弧炉、轧钢机、提升机等设备及气体电光源设备的广泛应用。

随着电力电子装置的日益增多，这部分谐波源产生的谐波所占的比重越来越大，目前它已成为电力系统中谐波的主要来源。

2治理方案对比

目前针对电力系统谐波含量高和功率因数低

的问题，主要有两种治理方案：一是采用无源滤波器，通常为电抗器+电容器调谐滤波通道；二是加装有源电力滤波器APF（activepowerfilter）。2.1

无源滤波器

无源滤波器由电感、电容和电阻元件组合而成，通过调谐来控制吸收谐波电流。这种装置造价较低，在目前的谐波治理领域应用较为广泛。该装置的主要缺点是易和系统产生并联谐振。因此在设计时，需要充分考虑电容器容量、母线短路容量以及串联电抗器电抗率之间的关系，避免因设计不合理造成滤波支路的谐振引起系统过电压和过电流。

采用传统的无源滤波方案，存在的主要问题有：（1）电容和电抗器仅针对某次谐波滤波，系统工况变化后滤波效果明显下降；

（2）滤除谐波同时兼顾无功补偿，设计不善有可能造成系统发生谐振，导致系统崩溃，设备损坏。（3）谐波环境下的表现差，LC方案为电容和电抗串联，有阻抗、元器件对谐波形成回路，容易过载，谐波会加速电容器容值衰减，影响设备使用寿命；

（4）LC滤波回路与电压关系密切，LC的滤波和无功补偿量与电网电压的平方呈正比，当电网电压跌落时，滤波和无功补偿量下降较多。2.2

APF

随着大功率可关断电力电子器件IGBT控制技术的成熟，应用于跟随电网的波形快速变化进行谐波治理技术的产品APF逐渐成为电力滤波的主流产品。

路两个主要部分组成，APF由指令电流运算电路和补偿电流发生电

指令电流运算电路通过外部采集负载的电流和电压信号，并将模拟电流信号转

换为数字信号，tal分离，signal并以脉宽调制processor送入高速数字信号处理器）对信号进行处理，DSP（digi⁃

PWM（pulsewidth将谐波与基波modulation）信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲，IGBT驱动

等、极性相反的补偿电流注入电网，或IPM功率模块，生成与电网谐波电流幅值相对谐波电流进行补偿或抵消，主动消除电力谐波。

置可以用在非常严酷的环境场合，APF运行与系统阻抗特性无关。因此这类装

如系统中相对较弱的点所馈供的大型非线性负荷。另APF还可在滤除多次谐波的同时解决其他电能质量问题（例

如闪变和三相不平衡），同时，APF具有内部过载保护功能，当系统的谐波量大于滤波器容量时，滤波器可以自动在100%额定容量输出，所以不会发生过载现象。

按接入电网的方式不同，APF分为串联型、并联型、串-并联型3种结构，其中并联型APF投切灵

活，技术上比较成熟。并联型APF的工作原理为通

过产生与检测电流中的谐波和无功分量大小相等、相位互差180°的补偿电流注入电网，使网侧电流成为与电网电压同相的正弦波，从而达到净化电网的目的[2-3]。本案采用自主研制的DYAPF系列产品，将自换相桥式电路通过电抗器并联在0.4kV电网上，适当调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅

值，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路

吸收或者发出满足要求的谐波电流，实现有源滤波的目的。APF电气结构示意如图1所示，模块内部结构如图2所示。

电源侧互感器负载侧互感器

电源侧

负载侧

自换相桥式电路

图1APF电气结构Fig.1

ElectricalstructureofAPF

上层电子元器件

进风道出风口

下层热量层，IGBT/散热器，电感

图2APF内部结构Fig.2

InternalstructureofAPF

·142·

电力系统及其自动化学报

表2

1#变压器低压侧谐波电流

第6期

3谐波治理应用及治理效果案例

某工矿企业1#变压器型号为SCB10-1250/10/

Tab.2HarmoniccurrentofNo.1transformer

low-voltageside

谐波次数基波234A相B相C相95%概率95%概率95%概率最大值最大值最大值

最大值最大值最大值

1226.0924.41329.0992.41281.0963.610.03.27.63.210.43.668.024.868.035.6.431.24.01.63.21.24.01.2A0.4kV，变压器运行中升温过快、系统供电不稳定、无功补偿电容器经常性爆裂、加工设备的稳定性较差。经实地考察，变压器低压侧负载驱动装置以变频器、开关电源为主。低压供电设备为固定式开关柜，型号为GGD，低压补偿柜分主柜和副柜共2台，补偿容量分别为250kvar和125kvar。3.1

参数测试与分析

KN为详细了解该企业存在的电能质量问题，采用

器0.4-2000QkV出线端进行电能质量检测和分析，PQExplorer电能质量分析设备对1#测试依

变压据是GB17626.7GB/T149-93《电能质量公用电网谐波》、谐波的测量和测量仪器类别》-1998《供电系统及所连接设备谐波和间。主要检测内容为运行电压、电流、电压偏差、闪变、三相不平衡度、有功功率、无功功率、功率因数、频率谐波等。重点检测内容为谐波电流和谐波电压，测试点位置如图3所示。

0.4kV母线

测试点

0.4kV母线

10kV电缆进线

1#SCB10变压器

1250/10

-低压进线柜

无功补偿柜

馈线柜

图3变压器低压侧测试位置

Fig.3

Testpositionsoftransformerlow-voltageside

1所示，1#变压器低压侧谐波电压总畸变率THDu如表从测试数据看到，谐波电流如表21#所示。

变压器低压侧电压总畸变

率在补偿电容柜投入时为5.34%（高于国家标准

表1

1#变压器低压侧谐波电压

Tab.1

HarmonicvoltageofNo.1transformerlow-voltageside

%

谐波A相B相次数最大值95%概率95%概率C相95%概率230.25最大值最大值最大值最大值

最大值

40.790.010.060.280.260.020.250.01566.360.010.730.420.720.337

0.114.910.070.010.070.02…3.070.036.224.856.484.99…2.300.17…2.720.030.160.04…2.03…2.33…1.70…THD250.41u

6.960.085.340.386.720.065.240.306.780.055.2256286.0112.84.8217.61.2282.06.4218.81.6311.66.8238.02.0…7…78.0…94.8…70.8…86.4…59.2

…253.60.43.602.80于国家标准5%）；各次谐波中5次谐波电压含有率为4.91%（高

1#变压器低压侧谐波电流含有量如图4%）。

4所示。量1有含1200

000流800电600A波B相电流

谐4002000C相电流相电流

基波3579谐波次数

1113151719212325图4

A、B、C三相的谐波电流含有量

Fig.4

HarmoniccurrentcontentsofphasesA,B,andC

波电流为1#变压器低压侧924.4A时，分别达到5次、7次谐波电流较大，217.6A和78.0A在基

，此时电流负载率在26.3250%左右，电流谐波畸变率在厂区电源的背景谐波%，严重谐波超标。

（电压畸变）含量高，在产生大量损耗的同时威胁着系统的安全运行，需要对其进行治理。

通过上述分析比较，系统中的电能质量问题主要是谐波，而且系统中的谐波源全部位于0.4kV母线上。针对系统中谐波含量高、波形畸变严重的问题，本着谐波就地治理的原则，根据以往的成功案例及经验，APF采用在变压器二次侧0.4kV母线上安装3.2。

谐波治理及实施方案

经过反复的技术论证和性能比对，确定加装以三电平拓扑电路为基础的APF模块进行电能质量治理。技术参数对比及优缺点如下：

（1）APF采用三电平拓扑电路，三电平设计使得IGBT承受反向电压仅为两电平的1/2，所以IGBT运行速度更快、损耗更低且更加稳定安全。

（2）三电平设计使得逆变电路纹波电流特别

第30卷姚锦卫等：采用APF进行谐波治理和无功补偿的工程应用

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小，所以滤波器的滤波电感和电容也比两电平逆变电路小得多。这样使得APF的散热减小、效率更高、体积更小、重量更轻，更适合现场紧凑的安装环境，或者在已定的空间内，安装容量最大化[4-5]。

（3）APF模块在现场安装时作业量小，只需要简单做1~2次导线的连接，施工时间短，施工质量有保证。

（4）相同容量模块的APF单机之间的尺寸、结构、内部元器件排列均完全统一，安装工艺美观大方，而整柜式APF在安装生产时却需要根据现场实际情况经常变动滤波器尺寸、结构及内部元器件的排列方式。

（5）三电平设计使得滤波器产生的电磁干扰更小，减少对环境的电磁污染[6-8]。

（6）模块更有利于以后的检修维护以及容量的增减。

具体的施工方案是拆除原有的无功补偿柜副柜，安装APF模块和外部采集负载的电流互感器，构成有源滤波柜，如图5所示。

0.4kV母线

0.4kV母线

10kV电缆进线

SCB101#变压器

-1250/10低压进线柜无功补偿柜有源滤波柜

馈线柜

图5APF接线位置

Fig.5

WiringpositionsofAPF

下面对APF容量进行计算。已知1#变压器低压测试数据，使谐波电流畸变率降低到国标范围以内，计算如下需要配置的APF容量。1000根据测试数据A；电流总谐波畸变率（详见表THD3），基波电流为I1=

i=26.32%。

根据电流总谐波畸变率的计算公式∞THD(Ih)2i=I

H×100%h=2I1

=

∑I1

×100%（1）

得出变压器低压侧谐波电流含量IHIH=I1·THD为

i=1000×26.32%=263.2A

电流采样点为1#变压器低压侧馈线柜前三相电流信号（CT二次侧测量绕组）。主进线连接方式采用电缆连接，APF263.2。1#变压器低压侧出线柜母排并联到

际容量确定为A，预留部分裕量并参选型，变压器低压侧安装APF理论计算容量为300A。

APF的实3.3治理效果

加装APF后，对1#变压器低压侧0.4kV出线端

又重新进行了电能质量测试。加装APF后谐波电压如表3所示，谐波电流如表4所示。

表3

加装APF后1#变压器低压侧谐波电压Tab.3HarmonicvoltageofNo.1transformer

low-voltagesidewithAPF

%

谐波

A相次数最大值95%概率B相最大值95%概率C相95%概率230.03最大值最大值最大值

最大值

40.120.010.030.080.060.230.020.200.060.160.010.11562.007

0.051.4500.082.070.011.520.080…0.90…0.5000.080.011.960.061.450…0.93…0.48…0.91…0.47…THD250.83u

2.420.381.690.832.490.391.760.792.410.321.67表4治理后1#变压器低压侧谐波电流Tab.4

HarmoniccurrentofNo.1transformerlow-voltagesidewithAPF

谐波A相A次数最大值95最大值%概率B相最大值95最大值%概率C相最大值

95最大值%概率基波21162.33

4.0840.011.9908.41107.24.01.62.46.05.61.66.40.51.243.22.0

20.80.4

44.04.4

1.222.40.4

5.2.84.4

1.621.60.4

625.20.8…13.60…24.42.8…13.600…7…25.22.4…14.0…257.63.27.23.26.82.4加装APF后，1#变压器低压侧谐波电流含有量如图6所示。

量1000有含800流600电波400A谐200B相电流

0C相电流相电流

基波3579谐波次数

1113151719212325图6加装APF后A、B、C三相的谐波电流含有量Fig.6

HarmoniccurrentcontentsofphasesA,B,andCwithAPF

通过安装APF后，1#变压器低压侧电压总畸变

率在补偿电容柜投入时为1.69%，5次谐波电压含有率为1.52%；2～25次谐波电流均满足国家标准要求（其中5次谐波电流为44A，7次谐波电流为

·144·

电力系统及其自动化学报第6期

25.2A）。从测试数据来看，均满足国家标准要求。

4结语

采用APF对电源系统进行谐波治理和无功补偿，系统谐波滤除率达90%以上，设备自身不会放大系统谐波，且对50次以内谐波有较强的滤除作用，不会像无源滤波器随着电力电容容量衰减，LC电路谐振点会偏移，存在谐振风险；设备对于三相负载不平衡性能上也会有较大的改进，三相交流电通过直流侧连接，可以调配功率；设备能快速响应电压突变，抑制电网电压波动和闪变，稳定了电网的电压，从而有效提升了电压合格率[9-11]。采用APF能够有效降低电网线损，提高供电质量和用电效率，延长变压器、变频器等设备的使用寿命。因此，在非线性负荷系统中采用APF进行滤波补偿，不仅能节能降耗，产生巨大的经济效益，而且在保障系统安全运行方面也发挥了巨大的作用。另外采用模块化的APF，更有利于现场工程的安装改造。

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[J].现代电力（）：—————作者简介：

姚锦卫（1971—），女，硕士，高级讲师，研究方向为电力系统优化与控制和电源技术。Email：303488420@qq.com张国兴（1978—），男，本科，工程师，研究方向为高防护电力开关设备及其自动化。Email：2841928419@qq.com张

颖（1984—），女，硕士，讲师，研究方向为热能与动力工程。Email：237024115@qq.com