有源滤波器在LED显示屏谐波治理中的应用
王长幸 江苏安科瑞电器制造有限公司
1、引言
在LED大屏上，多电源分布式开关电源得到了广泛应用，其产生的谐波分量对电网和电气设备造成的影响日益严重，如何抑制谐波分量成为一个备受关注的问题。
开关电源通常采用大功率半导体器件作为开关元件，按一定规律控制开关，调整占空比以调节输出电压的大小。开关电源一般由整流器和滤波电容组成，交流输入电压进入滤波器、整流器和滤波电容后变换为直流输出电压。现今，开关电源正在逐渐向高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化发展。
2、LED显示屏谐波产生原因
LED需要低压直流驱动，因此显示屏工程大量采用开关电源为显示模块提供驱动。为了降低低压直流电流在各种输送环节耗损，显示屏配电一般采用大量小功率开关电源模块，配置成分布式局部低压直流供电模式。这种实现方法在解决了低压传输损耗的同时，却带来了谐波污染和中线电流过大等问题。其原因有：
开关电源为典型的谐波源，其谐波含量非常高，其波形为断续的尖峰波。由于一般使用的开关电源容量较小（典型的案例为手提电脑的电源），并没有引起足够的重视。但如果大量的开关电源同时工作，其产生的谐波将不可忽视，如果不加以处理，可能对供电网造成污染，对同一网内的其他设备产生不可预知的危害。
常规三相近似平衡的负荷，其零线的正常电流一般小于相电流的30％。显示屏系统无论怎么配置负荷分布，由于显示画面的变化，终会带来瞬时三相不平衡。加之谐波电流的影响，其零线的电流可以达到相电流的280％。
3、LED显示屏谐波产生的危害
谐波过大会导致零线电流过大，零线电流过大是一个严重的火灾隐患，因为零线上没有过流保护装置，不像相线上有保险等装置，当电流过大时可以切断电流。而当零线上电流过大时，只能任其温度升高，加速电缆老化，甚至引起火灾。
谐波不仅表现为电流谐波，而且由于谐波电流对电网冲击使供电电压含有谐波，会使电压波形奇变严重，可能对电网上其他敏感设备造成不良影响，甚至使其工作异常，带来关联的法律责任问题，例如同楼中某公司的网络服务器因突然停电，造成损失。
4、ANAPF低压有源滤波器在LED显示屏中的应用
某广场大型户外LED显示屏，该显示屏供电系统有850个30OW的开关电源分布式并联运行，总功率共计250kw。开关电源是典型的谐波源，在工作时具有电流谐波畸变率高、谐波含量大、谐波频谱宽、设备为容性负载、功率因数低等用电特性。当大量的开关电源集中使用时会导致中线电流过高，功率因数低，电流谐波畸变率高等现象，从而影响了LED显示屏正常工作。
4.1谐波治理方案
基于该现场的特点，并联安装一台ANAPF型电力有源滤波器，设备参数如下：
接线方式
三相三线或三相四线
接入电压
3×380V±10%
接入频率
50Hz±2%
动态补偿响应时间
动态响应＜4ms，全响应时间＜20ms；
开关频率
10kHz
谐波补偿次数
2-21次
保护类型
直流过压IGBT过流装置温度保护
过载保护
自动限流在设定值，不发生过载
冷却方式
智能风冷
噪音
＜65db(处于柜内并运作于额定状态)
工作环境温度
-10℃～+45℃
工作环境湿度
＜85%RH不凝结
安装场合
室内安装
海拔高度
≤1000m（更高海拔需降容使用）
进出线方式
下进下出
防护等级
IP21
智能通信接口
RS485/MODBUS-RTU
远程监控
可选
重量(kg)
三相四线
三相三线
30A、50A
75A、100A
30A、50A
75A、100A
280
360
240
290
4.2ANAPF有源滤波装置谐波电流估算
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，可以根据下列公式以对谐波电流进行估算。
其中K1为负荷率：即负荷占变压器额定容量的比例，通常取0.7-0.8；
K2为谐波系数，根据系统场合不同而不同；
ST为变压器额定容量，单位kVA；
US为低压系统电压，一般取0.4。
根据估算值，现场选用一台100A的ANAPF有源滤波器进行谐波治理。
4.3ANAPF有源滤波器投入前后对比
4.3.1未安装ANAPF有源滤波器时LED屏控制开关柜进线侧电能质量数据
未安装有源滤波器时LED屏控制开关柜进线侧*大的总谐波电流含量98.4%，总谐波电压畸变率8.4%，零线总谐波畸变率1724.3%。其中3次谐波为*大谐波电流量，A相41.8A、B相41.7A、C相38A、零线电流122.2A，含谐波功率因数0.68，总谐波电压严重超出国标380V低压侧谐波电压畸变率THDu值≤5%的要求。较为严重的3次谐波电压超出国标380V低压侧谐波电压奇次畸变率THD≤4%的要求。
4.3.2安装有源滤波装置后LED屏控制开关柜进线侧电能质量数据
投入安装ANAPF有源滤波器后LED屏控制开关柜进线侧*大的总谐波电流含量降至51%，总谐波电压畸变率降至3.1%，零线总谐波畸变率94.1%。3次谐波电流量A相1.4A、B相1.1A、C相1.8A、零线电流9.8A，含谐波功率因数提高至0.81。总谐波电压畸变率THDu值降至3.3%。3次谐波电压降至低于国标要求380V低压侧谐波电压奇次畸变率THD≤4%的要求。
由上图对比可见，ANAPF有源滤波器保护了LED供电系统安全、稳定、经济运行，防止过电流速断保护的误动作，有利于电网和系统的安全稳定运行。
5、ANAPF低压有源滤波器的报价及主要元件清单
型号：ANAPF100-400/B
参考价格：12万元/台
主要产品明细：
序号
名称
型号
数量
1
APF电气柜
800X600X2200
1
2
变流器
APFCOV-CVT100
1
3
控制器
APFMC-C100
1
4
电抗器
APF-RE.(S)DG-100
1
5
有源电流互感器
LT208-S7
3
6
滤波器
DL-1TH1
2
7
断路器
CVS160FTM160D4P3D
1
8
接触器
LC1D150M7C
1
9
微型断路器
NDM1-63C32
1
10
中间继电器
MY4NAC
2
11
R型变压器
R320-0.38/0.22
1
12
谐波检测仪
ACR350EGH
1
13
电线
16mm2
若干
14
电线
4mm2
若干
6、结语
随着显示屏幕规模的变大，显示屏幕工程对电网造成的谐波污染已是一个不可轻视的问题。谐波带来的各种危害已经初步显现，由此引发的电网运行事故和法律关联责任都可能随时发生。本文通过分析LED显示屏中谐波特性和危害，并通过实际应用案例，分析了有源滤波器投入前后的情况，说明了有源滤波器的谐波治理技术是改善供电电能质量的有效手段之一，可将产生的谐波控制在*小范围内，达到科学合理用电，抑制电网污染，提高电能质量，保证设备安全运行的作用。
参考文献:
［1］王可亮，瞿世尊，陈健．开关电源的设计［J］.电子元器件运用，2004，6(3):17-19.
［2］三相四线有源滤波器在上海世博会国家电网馆LED显示屏谐波治理中的应用.
［3］上海安科瑞电气股份有限公司产品手册.2013.01.
技术支持：王长幸（1985-），女，江苏安科瑞电器制造有限公司 ,汉族，本科，工程师，主要研究方向为智能建筑供配电监控系统 邮箱：[email protected]； 0510-86179961 QQ:2880263323 网址：http://www.jyacrel.cn/ http://ipd.acrel.cn/
《ANAPF有源电力滤波装置设计与应用图集》（图集号：ACR13CDX701）由安科瑞电气股份有限公司主编，本图集结合ANAPF有源电力滤波装置产品的特点，依据电气设计规范，研究消除供配电系统中的高次谐波问题，达到改善供电质量和确保电力系统安全运行的目的。图集适用于新建、改建、扩建和技改项目中工业与民用及公共建筑内电气设备的谐波抑制及综合治理的设计与改造。凡需要图集的请提供贵单位名称、部门、地址、邮编、联系人、联系电话、邮箱等信息，传真:0510-86179835、邮件：[email protected]或QQ:2880263323至安科瑞王长幸工程师收，安科瑞电气免费赠送。
