_{有源濾波器}

有源電力濾波器（Active Power Filter，簡稱APF）是一種用于動態(tài)克制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能夠?qū)Υ笮『皖l率都變化的諧波以及變化的無功進行補償。

中文名

有源濾波器

外文名

APF（active power filter ）

作    用

用于動態(tài)克制諧波

類    型

電子裝置

優(yōu)    點

克服諧波克制和無功補償方法

影    響

實現(xiàn)了動態(tài)跟蹤補償

特    色

綠色化

目錄

1. 1 基本概念

2. 2 基本原理

3. 3 設(shè)計方法

4.  級聯(lián)法

5.  模擬法

之因此稱爲有源，顧名思義該裝置需要提供電源（用以補償主電路的諧波），其應(yīng)用可克服LC濾波器等傳統(tǒng)的諧波克制和無功補償方法的弱點（傳統(tǒng)的只能固定補償），實現(xiàn)了動態(tài)跟蹤補償，同時可以既補諧波又補無功；三相電路瞬時無功功率理論是APF發(fā)展的要緊基礎(chǔ)理論；APF有并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種，前者用的多；并聯(lián)有源濾波器主假如治理電流諧波，串聯(lián)有源濾波器主假如治理電壓諧波等引起的問題。有源濾波器同無源濾波器比較，治理結(jié)果好，要緊可以同時濾除多次及高次諧波，不會引起諧振，但是價位相對高！

有源濾波器

基本原理

有源電力濾波器，是采用現(xiàn)代電力電子技術(shù)和基于高速DSP器件的數(shù)字信號處理技術(shù)制成的新型電力諧波治理專用設(shè)備。它由指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路兩個要緊部分組成。指令電流運算電路實時監(jiān)視線路中的電流，並將模擬電流信號轉(zhuǎn)換爲數(shù)字信號，送入高速數(shù)字信號處理器（DSP）對信號進行處理，將諧波與基波分離，並以脈寬調(diào)制（PWM）信號形式向補償電流發(fā)生電路送出驅(qū)動脈沖，驅(qū)動IGBT或IPM功率模塊，生成與電網(wǎng)諧波電流幅值相等、極性相反的補償電流注入電網(wǎng)，對諧波電流進行補償或抵消，主動排除電力諧波。

技術(shù)優(yōu)勢　　綠色化

功效達97.2%，比功效為95%的有源濾波器年節(jié)約電能約6, 500kwh

功效更高的拓撲增強型控制算法

基于精確模型的熱設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

小型化

體積僅為同類主流品牌1/6,占用更少空間 ，

活適應(yīng)不同的工況安裝創(chuàng)新，壁掛式或機架式安裝使用更少的原材料,保護環(huán)境

智能化

補償指定次數(shù)諧波可調(diào)感性、容性無功補償補償系統(tǒng)不平穩(wěn)負載自動檢測、克制系統(tǒng)諧振全功能監(jiān)控系統(tǒng)

模塊化

N+1冗余，顯著提高系統(tǒng)可靠性流水線生產(chǎn) ， 更杰出質(zhì)量保證減少系統(tǒng)單故障點靈活并聯(lián)，習(xí)慣不同工況

功能特征

同時濾除2~50次諧波，或選擇2~50次內(nèi)任意次數(shù)諧波進行補償 響應(yīng)時間小于300μs

采用3DSP+CPLD全數(shù)字控制方法和國際知名品牌高速IGBT，閉環(huán)控制，精確濾除諧波

應(yīng)用四相線技術(shù)，排除中性線電流

自動排除諧振，不受電網(wǎng)阻抗和系統(tǒng)阻抗變化妨礙 具有補償諧波；同時補償諧波和無功；同時補償諧波，無功和負 載三相電流不平穩(wěn)三種工作模式

電子式過負荷保護

逆變器控制具備了機器快速的FPGA，功率數(shù)字信號處理功能

模塊化設(shè)計，易于擴展 多機并聯(lián)集中監(jiān)控功能 遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能

維護便宜，在適合要求的工作環(huán)境下工作，非機器故障無需維護

國產(chǎn)產(chǎn)品設(shè)計標準

國際標準

EN 50091-3, EN 61000-6-2, EN55011, EN 50178:1997, IEC 62040-3, IEC 50178:1997, AS 62040-3（VFI SS 111）, CISPR11

國家標準

GB/T14549-93《電能質(zhì)量：公用電網(wǎng)諧波》

GB/T15543-1995 《電能質(zhì)量：三相電壓同意不平穩(wěn)度》

GB/T15945-1995 《電能質(zhì)量：電力系統(tǒng)頻率同意偏差》

GB/T12326-2000 《電能質(zhì)量：電壓波動和閃變》

GB/T12325-2003 《電能質(zhì)量：供電電壓同意偏差》

GB/T18481-2001 《電能質(zhì)量：臨時過電壓和瞬態(tài)過電壓》

GB/T15576-2008 《低壓成套無功功率補償裝置》

GB7625.11998 《低壓電氣電子產(chǎn)品發(fā)出的諧波電流限值》

GB 4208-2008《外殼防護等級(IP代碼)》

電壓輸入範圍

額定工作電壓為380V，可承擔-40%～+20%的電壓波動，頻率為50/60Hz, 可承擔+/-5%的頻率波動，習(xí)慣各種不同工況的電能質(zhì)量環(huán)境。同時，如果電壓波動超過上下限，機器自動閉鎖輸出，并 發(fā)出告警。

自動限流

自動限定在額定容量范圍內(nèi)100%輸出，如果負載側(cè)諧波電流大于機 器額定容量，機器會在額定容量內(nèi)繼續(xù)輸出電流補償諧波，不也許產(chǎn)生過載導(dǎo)致自身超載或退出運行。

負載短路保護

可承擔負載瞬間短路的沖擊，在短路排除後重新啓動。

並聯(lián)獨立控制

並聯(lián)接入電網(wǎng)，不會因機器故障導(dǎo)致電網(wǎng)發(fā)生斷電事故。多臺YW-APF有源電力濾波器並聯(lián)系統(tǒng)，如果一臺因故障退出運行，剩余的 機器仍能正常工作實現(xiàn)濾波功能。

三相電流獨立控制

各相電流獨立控制，單相注入電流，不受系統(tǒng)三相電流不平穩(wěn)妨礙，中性線濾波能力為相線的三倍。

IP防護等級及防雷保護

IP保護等級爲IP20；防雷保護能力爲20kA。

監(jiān)控系統(tǒng)

系統(tǒng)具備快速、完全的故障自檢功能，包括市電欠壓或過壓、母線 過壓或過流、風扇故障、功率器件過溫、輸入保險絲熔斷等各種故障自檢，所有故障均通過LCD顯示屏及LED運行狀態(tài)燈發(fā)出告警信號，同時機器自動采取相對應(yīng)的操作保護系統(tǒng)。 監(jiān)控系統(tǒng)在供電或斷電情況下可保存500條故障記載，便于分析原因 及排除故障。

設(shè)計方法

有源濾波器的設(shè)計方法，大體可歸結(jié)為級聯(lián)法和模擬法兩大類。

級聯(lián)法

依據(jù)技術(shù)指標要求，求出可以物理實現(xiàn)的轉(zhuǎn)移函數(shù)（通常可由現(xiàn)成的有源濾波器資料和手冊中查得），并將它分解為低階函數(shù)（主假如二階函數(shù)）之積，將這些低階函數(shù)分別用有源電路實現(xiàn)后再級聯(lián)起來，就實現(xiàn)了原轉(zhuǎn)移函數(shù)。實現(xiàn)低階函數(shù)的電路通稱為基本節(jié)，目前已有許多典型的二階基本節(jié)電路供設(shè)計者選用。按基本節(jié)中使用膨脹器的數(shù)目可分為單膨脹器電路、雙膨脹器電路、三膨脹器電路、四膨脹器電路，圖1給出了幾個基本節(jié)示例。級聯(lián)法設(shè)計過程比較簡單，電路特征調(diào)整容易，所實現(xiàn)的電路比較經(jīng)濟，是常用的方法。

模擬法

先設(shè)計出能滿足技術(shù)指標要求的LC濾波器器作為設(shè)計原型，再用有源電路去模擬實現(xiàn)。這種方法又可分為元件模擬法和功能模擬法兩類，同時多以雙端終接電阻的LC梯型濾波器為原型。通常，模擬法比級聯(lián)法需用更多元件。

（1）元件模擬法

用模擬電感（能實現(xiàn)電感特征的不含電感元件的有源電路）取代LC濾波器中的電感元件。現(xiàn)有浮地模擬電感電路的性能還不夠好，用得較少。當LC濾波器中含有浮地電感時，常通過改換的方法來排除它。RLC—CRD改換是常用的一種。它是用因子K/s（s是復(fù)頻率，K為實常數(shù)）使電路中每個元件的阻抗都增大K/s倍。這種改換不也許轉(zhuǎn)變原電路的傳輸特征，卻使原電路中的R、L、C元件分別成了英雄了C、R、D（頻變負阻）元件。圖2是一例子。

（2）功能模擬法 先作出LC原型濾波器電路中各電壓電流的信號流圖，再用積分器、加法器、乘法器等有源電路來實現(xiàn)。

基本應(yīng)用

諧波要緊危害：

· 增加電力設(shè)施負荷，降低系統(tǒng)功率因數(shù)，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的有效容量和功效，造成設(shè)備白費、線路白費和電能損失；

· 引起無功補償電容器諧振協(xié)和波電流膨脹，導(dǎo)致電容器組因過電流或過電壓而損壞或無法投入運行；

· 產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩致使電動機振動，妨礙產(chǎn)品質(zhì)量和電機壽命；

· 由于渦流和集膚效應(yīng)，使電機、變壓器、輸電線路等產(chǎn)生附加功率損耗而過熱，白費電能并加速絕緣老化；

· 諧波電壓以正比于其峰值電壓的形式增強了絕緣介質(zhì)的電場強度，降低設(shè)備使用壽命；

· 零序（3的倍數(shù)次）諧波電流會導(dǎo)致三相四線系統(tǒng)的中線過載，并在三角形接法的變壓器繞組內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流，使繞組電流超過額定值，嚴重時甚至引發(fā)事故。

· 諧波會轉(zhuǎn)變保護繼電器的動作特征，引起繼電保護設(shè)施的誤動作，造成繼電保護等自動裝置工作紊亂；

· 諧波變轉(zhuǎn)變了電壓或電流的變化率和峰值，延緩電弧熄滅，妨礙斷路器的分斷容量；

· 使計量儀表特別是感應(yīng)式電能表產(chǎn)生計量誤差；

· 干擾鄰近的電力電子設(shè)備、工業(yè)控制設(shè)備和通訊設(shè)備，妨礙設(shè)備的正常運行。

諧波治理經(jīng)濟效益：

1、節(jié)能5%～8%

某IDC機房7臺400KVAUPS不間斷電源，08年電費支出約1500萬元，治理諧波後年節(jié)約電費110萬元，節(jié)能結(jié)果7.3%。

2、降容減少變壓器、斷路器、電纜投資

某工廠安裝國電中自有源濾波器，退還一臺變壓器給供電局，節(jié)約100多萬投資保護設(shè)備、減少設(shè)備投資；

河南某紙廠變頻器産生的諧波每月燒毀兩臺風機，每月?lián)p失3萬元。

3、提高生産率和保全連續(xù)供電

大慶腈綸廠治理諧波後日産量從197噸提高到210噸。

優(yōu)缺點

優(yōu)點：可動態(tài)濾除各次諧波，對系統(tǒng)內(nèi)的諧波能夠完全吸收；不會産生諧振。

弱點：造價太高；受硬件限制，在大容量場所無法使用:有源濾波容量單套不超過100KVA,目前最高適用電網(wǎng)電壓不超過690V。

應(yīng)用場合

薩頓斯有源電力濾波器可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)和機關(guān)團體的配電網(wǎng)中，如：電力系統(tǒng)、電解電鍍企業(yè)、水處理設(shè)備、石化企業(yè)、大型商場及辦公大樓、精密電子企業(yè)、機場/口岸的供電系統(tǒng)、醫(yī)療機構(gòu)等。根據(jù)應(yīng)用對象不同，HTAPF-I型有源電力濾波器的應(yīng)用將起到保障供電可靠性、降低幹擾、提高國產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量、增長設(shè)備壽命減少設(shè)備損壞等作用。

■通信行業(yè)

為了滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)中心機房的運行需要，通信配電系統(tǒng)中的UPS使用容量在大幅飛騰。據(jù)調(diào)查，通信低壓配電系統(tǒng)要緊的諧波源設(shè)備為UPS、開關(guān)電源、變頻空調(diào)等。其產(chǎn)生的諧波含量都較高，且這些諧波源設(shè)備的位移功率因數(shù)極高。通過使用有源濾波器可以提高通信系統(tǒng)及配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，延長通信設(shè)備及電力設(shè)備的使用壽命，同時使配電系統(tǒng)更適合諧波環(huán)境的設(shè)計規(guī)范。

■半導(dǎo)體行業(yè)

大多數(shù)半導(dǎo)體行業(yè)的3次諧波非常嚴重，主假如由于企業(yè)中使用了大批的單相整流設(shè)備。3次諧波屬于零序諧波，具備在中性線彙集的特點，導(dǎo)致中性線壓力過大，甚至出現(xiàn)打火現(xiàn)象，存在著極大的生産安全隱患。諧波還會造成斷路器跳閘，耽誤生産時間。3次諧波在變壓器內(nèi)形成環(huán)流，加速了變壓器的老化。嚴重的諧波汙染必定對配電系統(tǒng)中的設(shè)備使用功效和壽命造成影響。

■石化行業(yè)

由于生產(chǎn)的需要，石化行業(yè)中存在著大批泵類負載，同時很多泵類負載都配有變頻器。變頻器的大批應(yīng)用使石化行業(yè)配電系統(tǒng)中的諧波含量大大增加。目前絕大部分變頻器整流環(huán)節(jié)基本上應(yīng)用6脈沖將交流轉(zhuǎn)化為直流，因此產(chǎn)生的諧波以5次、7次、11次為主。其要緊危害表現(xiàn)為對電力設(shè)備的危害及在計量方面的偏差。使用有源濾波器可以很好地解決這方面的問題。

■化纖行業(yè)

爲大幅提高熔化率、提高玻璃的熔化質(zhì)量，以及延長爐齡、節(jié)省能源，在化纖行業(yè)常用到電助熔加熱設(shè)備，借助電極把電直接送入燃料加熱的玻璃池窯中。這些設(shè)備會産生大批的諧波，且三相諧波的頻譜和幅值差別比較大。

■鋼鐵/中頻加熱行業(yè)

鋼鐵業(yè)中常用到的中頻爐、軋機、電弧爐等設(shè)備都會對電網(wǎng)的電能質(zhì)量産生重大的影響，使電容補償櫃過載保護動作頻繁、變壓器和供電線路發(fā)熱嚴重、熔斷器頻繁熔斷等，甚至引起電壓落了、閃變。

■汽車制造業(yè)

焊機是汽車制造業(yè)中不可少的設(shè)備，由于焊機具有隨機性、快速性及沖鋒性的特點，使大批使用焊機造成嚴重的電能質(zhì)量問題，造成焊接質(zhì)量不穩(wěn)、自動化程度高的機器人由于電壓不穩(wěn)而不能工作，無功補償系統(tǒng)無法正常使用等情況。

■直流電機諧波治理

大型直流電機場所都需要先通過整流設(shè)備將交流電轉(zhuǎn)換爲直流電，由于此類工程的負載容量都較大，因此在交流側(cè)存在嚴重的諧波汙染，造成電壓畸變，嚴重時會引起事故。

■自動化生産線和精密設(shè)備的使用

在自動化生産線和精密設(shè)備場合，諧波會影響到其正常使用，使智能控制系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)等出現(xiàn)故障。

■醫(yī)院系統(tǒng)

醫(yī)院對供電的連續(xù)性和可靠性有非常嚴格的要求，0類場所自動恢復(fù)供電時間T≤15S，1類場所自動恢復(fù)供電時間0.5S≤T≤15S， 2類場所自動恢復(fù)供電時間T≤0.5S，電壓總諧波畸變率THDu≤3%，X光機、CT機、核磁共振基本上諧波含量極高的負載。

■劇場/體育館

可控矽調(diào)光系統(tǒng)、大型LED設(shè)備等基本上諧波源，在運行過程中會産生大批的三次諧波，不但造成配電系統(tǒng)的電力設(shè)備功效低下，同時還會造成燈光頻閃，對通信、有線電視等微弱電回路産生雜音，甚至産生故障。

發(fā)展狀況

隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的前進，國產(chǎn)有源濾波器差不多在各種重大項目上的代表的進口產(chǎn)品，僅2012年，國產(chǎn)有源濾波器產(chǎn)品的銷售額差不多超過進口品牌5倍之多，其中西安賽博、深圳盛弘、以及山大華天的銷售額更是占據(jù)了國產(chǎn)中的半壁江山，并在超過5000A的項目中屢有斬獲，于此同時，利思、雙電、英那士等新興廠家也在不斷沖鋒著市場，有源電力濾波器APF以其巨大的技術(shù)優(yōu)勢、強大功能、逐步下降的價格，必將最后取代傳統(tǒng)無源型濾波器PF。

在APF的發(fā)展過程中，模塊化的有源濾波設(shè)備以其體積小，安裝便宜，集成化程度高，工作穩(wěn)定，擴容便宜等優(yōu)點慢慢取代了傳統(tǒng)的柜式APF，在艾普瑞斯、深圳盛弘等模塊化行業(yè)領(lǐng)頭羊的帶領(lǐng)下，國產(chǎn)品牌山大華天、西安賽博、上海雙電也紛紛在2012年推出了模塊化產(chǎn)品，進口品牌施耐德也與艾普瑞斯達成戰(zhàn)略合作，擁有了模塊化產(chǎn)品，在未來的5年中，模塊化的有源濾波APF與靜止無功產(chǎn)生器SVG的組合必將成為電能質(zhì)量行業(yè)中最有力的解決方案，并被市場廣泛的認可。

工作原理

有源濾波器是用電流互感器采集直流線路上的電流，經(jīng)采樣，將所得的電流信號進行諧波分離算法的處置，獲得諧波參考信號，作為的調(diào)制信號，與三角波相比，從而獲得開關(guān)信號，用此開關(guān)信號去控制單相橋，依據(jù)技術(shù)的原理，將上下橋臂的開關(guān)信號反接，就可獲得與線上諧波信號大小相等、方向相反的諧波電流，將線上的諧波電流抵消掉。這是前饋控制部分。再將有源濾波器接入點后的線上電流的諧波重量反應(yīng)回來，作為調(diào)節(jié)器的輸入，調(diào)整前饋控制的誤差

國產(chǎn)產(chǎn)品特點

1.濾波精度高，諧波電流濾除率可達97%以上；

2.濾波範圍廣，濾波次數(shù)：2--50次諧波及間諧波；

3.對負載的波動響應(yīng)快，響應(yīng)時間爲1us；

4.動態(tài)注入電流以克制諧波和補償功率因數(shù)；

5.不會與系統(tǒng)發(fā)生諧振；

6.可多臺組合擴展容量；

7.克制系統(tǒng)過電壓，改善系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性

8.阻尼電力系統(tǒng)功率振蕩；

9.能克制電壓閃變、補償三相不平穩(wěn)、提高功率因數(shù)；

10、系統(tǒng)的自我保護和穩(wěn)定性極強。

技術(shù)參數(shù)

1.額定工作電壓：380V/220V，50Hz

2.額定諧波補償容量：50A/100A/150A/200A

3.整機功耗：小于容量的3%

4.克制諧波結(jié)果：達到國標要求，穩(wěn)態(tài)THD可降低至5%以下

5.額定絕緣電壓：3000V AC，2500V DC

性能說明

1.動態(tài)有源濾波，全面改善電能質(zhì)量；

2.DSP全數(shù)字控制，20KHz開關(guān)頻率，對負載的動態(tài)變化敏捷響應(yīng)；

3.諧波補償次數(shù)可選擇，最高能濾除50次諧波；

4.薩頓斯有源電力濾波器可選擇同時補償無功；

5.具備三相不平穩(wěn)補償能力；

6.具有自動限流功能，不也許產(chǎn)生過載；

7.功效高，滿載損耗小于2.57；

8.並聯(lián)安裝方法，安裝簡單，體積小；

9.降低線路損耗，排除諧波引起的變壓器和電機發(fā)熱，實現(xiàn)系統(tǒng)大幅度節(jié)能；

10.有源電力濾波器的濾波結(jié)果不受系統(tǒng)阻抗變化妨礙，并能自動克制系統(tǒng)諧振；

11.比照配電結(jié)構(gòu)，可選擇局部補償、部分補償或總補償，CT可位于電源側(cè)或負載側(cè)；

12.易于擴展和冗余設(shè)計，可最多10臺並聯(lián)運行。

展望

有源濾波器的改進，一方面有賴于元器件及集成技術(shù)的進展，一方面也取決于電路結(jié)構(gòu)和設(shè)計的創(chuàng)新。RC有源濾波器雖已能混合集成，但高質(zhì)量RC有源濾波器的完全集成仍沒解決。要緊困難是不能在芯片上直接集成高精度的電阻和電容元件，且大電阻和大電容所占芯片面積太大。開關(guān)電容濾波器為解決這一課題開發(fā)了道路，實現(xiàn)了全集成化；但它屬于離散時間模擬濾波器，且有工作頻段低等問題有待改進。一種在集成濾波器中實現(xiàn)精確電阻的方案，是使用MOS管的線性（即非飽和）區(qū)特征充任模擬電阻，這是一種受柵極電壓控制的壓控電阻，故可用片外（即該芯片以外）的參考值，諸如晶體時鐘或外部RC元件，配合片內(nèi)控制電路來精確調(diào)整電路的時間常數(shù)。這是一種很有發(fā)展前景的方案。還有一種用跨導(dǎo)型運算膨脹器（OTA）和電容C組成的有源濾波器，也是很有希望的全集成方案。