2017 十二月

PQSine有源谐波滤波器

为商厦提供洁净电能

随着摩天大楼及其它现代建筑中的电网日趋复杂,电路中不可避免的存在大量非线性负载。基于爱普科斯(EPCOS) PQSine S系列有源谐波滤波器的顶尖的有源电能调节解决方案,可帮助摩天大楼和大型商业建筑消除潜在的电质量问题

很多大型商业建筑物如摩天大楼中使用的电力系统数量众多,五花八门,其中包括变速驱动、UPS系统、计算机和服务器、照明和电视机等多种非线性负载。楼宇运营商面临一个重大挑战,即如何消除楼宇电力网络中会导致电能质量恶化的谐波污染。

TDK集团应用工程师和专业的电能质量经销合作伙伴联合攻关,在PQSine S系列有源谐波滤波器的基础上研发出一种顶尖的电能调节解决方案。

谐波污染的危害

非线性电流消耗会产生谐波,导致正弦波变形,从而进一步干扰其它负载。谐波频率通常为电源基波频率(即50Hz或60Hz)的整数倍。谐波的振幅各异,最大可扩展到数千Hz频率。谐波污染对电能质量有一系列负面影响,其中包括:

  • 降低电能质量导致其它负载失效;
  • 中性导线中3次、9次、15次和21次等谐波电流累积,进而导致电流超过允许限值;
  • 减少相不对称现象(尤其使用单相开关电源时),以免进一步助推谐波形成。

此外,谐波会严重影响敏感设备的功能,甚至导致其损坏,其中拥有服务器和PC机的IT网络就是其中一个典型例子。谐波会导致网络设备故障,进而导致数据损坏和重大间接损失。

摩天大楼临的电质量

鉴于摩天大楼的电网规模庞大,且搭载各种电力负载和系统,复杂程度超乎想象。而电能质量在确保实现最低的电力消耗和成本、避免过热、生产/过程停机和设备故障方面具有重要作用。主要电力负载及其特点:

  • 电梯100部以上的电梯所需的无功补偿是动态变化的,当其运行并向电网反馈再生电力时可在容性和感性间快速变化。同时THD-I也非常高,且变化极快。THD的主要组成为5次、7次、11次和13次谐波。
  • 室内及室外照明所有照明都采用LED和CFL节能灯,因为其节能效果明显,但会在150 Hz到2500 Hz的范围内产生明显的谐波失真。大屏幕LED数字广告牌(多达2000 m²点阵照明)的主要谐波电流是3次谐波电流,但会形成高达50次的谐波失真。
  • 空调
    变频器是导致谐波失真的重要因素之一,需要对其进行无功补偿。其导致的典型谐波为5次、7次、11次和13次,不过也存在17次、19次及以上阶数的谐波。
  • 风扇、水泵、冷冻机和消防设备
    系统中的许多6脉冲小型功率转换器会产生5次、7次及以上的谐波电流。
  • IT网络、UPS、安保系统和门禁系统服务器、客户机和其它网络设备中使用的开关电源会产生从3次到23次及以上阶数的谐波。而且,它们要求安全可靠的不间断供电。

完整的电能调节解决方案

摩天大楼的负荷曲线非常复杂,需要进行动态无功补偿和广谱谐波抑制,这种大型建筑物最理想是选择基于PQSine S系列有源谐波滤波器的完整电能调节解决方案。

第一步是详细分析建筑物施工阶段的电网。TDK集团的应用工程师及其专业电能质量经销合作伙伴在摩天大楼建设阶段需要携手仔细分析其电网。这种分析通常表明了建筑物电网中THD水平非常高,并且在所有馈电线上都存在瞬态谐波(见图1)。其中第3次、第5次、第7次、第11次和第13次谐波失真尤其高。

 

图1:供电系统的典型性能分析表明:在所有谐波频率上都存在明显的谐波失真,尤其是第3次、第5次、第7次、第11次和第13次。


根据分析结果和对电能质量、节能和可靠性要求,我们发现PQSine S系列有源谐波滤波器和功率优化器代表理性的解决方案(见图2)。PQSine S系列进一步扩展了爱普科斯 (EPCOS) 电能质量解决方案元件和系统产品线,后者覆盖了有源和无源谐波滤波器、失谐电容器组和中低压自动功率因数校正系统等各种解决方案。

PQSine S系列的卓越性能和可靠性

PQSine S设计用于带或不带中性线的3相电网,可探测和过滤高达50次(2500HZ/3000HZ)的谐波(见表)。

除了卓越的过滤能力外,PQSine S系列有源谐波滤波器还能实现3相负载平衡,并能补偿4线设备中的中性线电流。这些特性有助于避免谐振,确保高性能和可靠性。

采用PQSine的最佳有源谐波滤波解决方案具有如下主要特点:

  • 兼具谐波和无功补偿双功能
    PQSine S系列有源滤波器可有效补偿系统谐波,并同时为容性和感性负载提供快速无功补偿,
    使系统功率因数几乎接近1.0。​
  • 智能开关设计
    专用母线系统,可随时保证3个ACB电柜(2路进线和1路联络)中总有2个接入,
    确保性能和冗余。​
  • 超快响应速度
    PQSine S系列有源滤波器的响应时间<50µs,能快速响应高频和快速变化的负载。​
  • 模块化和可扩展性
    为方便在未来对系统进行扩展以适应不断变化的电能调节需求,每个安装好的PQSine
    模块的有源滤波柜都预留了2或3个空插槽。​

该解决方案中还采用一系列自我监控系统,实现了最佳的可靠性,其中以过载保护、过热停机、过压和欠压保护及风扇监控等系统最为重要。PQSine S系列采用了7英寸彩色TFT触控屏,可实现用户友好的数据输入和数据读取。此外,其还提供若干个Modbus (RTU)和TCP/IP(以太网)接口,可用于控制、编程和诊断。





图2:EPCOS PQSine S系列有源谐波滤波器可安装在落地式配电柜中(左图),右图为单独的模块


PQSine S系列有源谐波滤波器采用最新的前沿电力电子技术,并和污染源负载并联安装。有源滤波器会对线路电流及其相关谐波进行分析,产生补偿电流中和谐波电流,从而维持接近正弦的电流波形(见图3)。PQSine响应速度超快,能及时响应快速变化的负载,例如由电梯形成的负载,确保优越性能。通过使用实时决策数据,PQSine还能向电网提供补偿电流,抵消负载电流的非线性特性。

 

图3:EPCOS PQSine的功能原理。PQSine可确保消耗电流为正弦电流,有效减少谐波和相移。

针对严苛谐波环境的优化设计

为实现对谐波的最佳补偿,我们在最近的摩天大楼项目的11个楼层中安装了76台PQSine S系列滤波器。图4为系统的典型单线图。

 

图4:典型配电板单线图


为各种应用提供可靠的谐波电流补偿

在大楼完成电能调节解决方案后,TDK集团应用工程师和来自代理商的合作伙伴一起对电能质量进行了全面分析,尤其是谐波,以验证设备的实效性。

根据最近的摩天大楼项目现场收集的电能质量数据,PQSine S系列将系统THD-I降到了3%以下。测量期间,系统电流大约为160 ARMS。总体来说,PQSine方案成功实现了最高水平的电能质量。电流波形为正弦波形,THD-I水平非常低(图5),功率因数接近1.0。

 

图5:通过PQSine有源谐波滤波器和功率优化器,电流波形为正弦波形,THD-I水平非常低,功率因数接近1.0。


PQSine可有效抑制谐波,并提供动态无功补偿,能为大型商业大厦中的所有用户和负载提供最佳的电能质量。

PQSine有源谐波滤波器和功率优化器具有卓越的快速电流谐波、无功或中性电力补偿性能,非常适合以下应用的电网中:

  • 数据中心和IT服务设施,
  • 可再生能源发电,
  • 过程工业,
  • 敏感制造设施,
  • 办公大楼、购物中心和医院

爱普科斯 (EPCOS) PQSine S系列有源谐波滤波器的主要数据

额定电压 [V]380 (228 ... 456)480 (384 ... 552)690 (480 ... 790)
电源频率 [Hz]43 ... 62
滤波电流 [A]25, 35, 50, 60, 100, 15075, 9075, 90
中性线滤波能力额定滤波电流的3倍(使用4线设备时)
谐波电流补偿范围2次 … 50次或规定谐波的0 … 110%
谐波减少率 [%]> 95
目标功率因数-1 … +1可调
开关/控制频率 [kHz]20/20
响应时间 [µs]< 50
总体响应时间 [ms]< 5


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