有源濾波器

有源電力濾波器（Active Power Filter，簡稱APF）是一種用於動態抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能夠對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償。

有源濾波器之所以稱為有源，顧名思義該裝置需要提供電源（用以補償主電路的諧波），其套用可克服LC濾波器等傳統的諧波抑制和無功補償方法的缺點（傳統的只能固定補償），實現了動態跟蹤補償，而且可以既補諧波又補無功。

基本介紹

• 中文名：有源濾波器
• 外文名：APF（active power filter ）
• 作用：用於動態抑制諧波
• 類型：電子裝置
• 優點：克服諧波抑制和無功補償方法
• 影響：實現了動態跟蹤補償
• 特色：綠色化

基本概念

三相電路瞬時無功功率理論是APF發展的主要基礎理論；APF有並聯型和串聯型兩種，前者用的多；並聯有源濾波器主要是治理電流諧波，串聯有源濾波器主要是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，治理效果好，主要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！

源濾波器

基本原理

有源電力濾波器，是採用現代電力電子技術和基於高速DSP器件的數位訊號處理技術製成的新型電力諧波治理專用設備。它由指令電流運算電路和補償電流發生電路兩個主要部分組成。指令電流運算電路實時監視線路中的電流，並將模擬電流信號轉換為數位訊號，送入高速數位訊號處理器（DSP）對信號進行處理，將諧波與基波分離，並以脈寬調製（PWM）信號形式向補償電流發生電路送出驅動脈衝，驅動IGBT或IPM功率模組，生成與電網諧波電流幅值相等、極性相反的補償電流注入電網，對諧波電流進行補償或抵消，主動消除電力諧波。

技術優勢　　綠色化

效率達97.2%，比效率為95%的有源濾波器年節約電能約6, 500kwh

效率更高的拓撲增強型控制算法

基於精確模型的熱設計和結構最佳化

小型化

體積僅為同類主流品牌1/6,占用更少空間 ，

活適應不同的工況安裝創新，壁掛式或機架式安裝使用更少的原材料,保護環境

智慧型化

補償指定次數諧波可調感性、容性無功補償補償系統不平衡負載自動檢測、抑制系統諧振全功能監控系統

模組化

N+1冗餘，顯著提高系統可靠性流水線生產 ， 更出色質量保證減少系統單故障點靈活並聯，適應不同工況

功能特性

同時濾除2~50次諧波，或選擇2~50次內任意次數諧波進行補償 回響時間小於300μs

採用3DSP+CPLD全數字控制方式和國際知名品牌高速IGBT，閉環控制，精確濾除諧波

套用四相線技術，消除中性線電流

自動消除諧振，不受電網阻抗和系統阻抗變化影響 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 載三相電流不平衡三種工作模式

電子式過負荷保護

逆變器控制具備了機器快速的FPGA，功率數位訊號處理功能

模組化設計，易於擴展 多機並聯集中監控功能 遠程網路監控功能

維護方便，在符合要求的工作環境下工作，非機器故障無需維護

產品設計標準

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《電能質量：公用電網諧波》

GB/T15543-1995 《電能質量：三相電壓允許不平衡度》

GB/T15945-1995 《電能質量：電力系統頻率允許偏差》

GB/T12326-2000 《電能質量：電壓波動和閃變》

GB/T12325-2003 《電能質量：供電電壓允許偏差》

GB/T18481-2001 《電能質量：暫時過電壓和瞬態過電壓》

GB/T15576-2008 《低壓成套無功功率補償裝置》

GB7625.11998 《低壓電氣電子產品發出的諧波電流限值》

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，可承受-40%～+20%的電壓波動，頻率為50/60Hz, 可承受+/-5%的頻率波動，適應各種不同工況的電能質量環境。同時，如果電壓波動超過上下限，機器自動閉鎖輸出，並 發出告警。

自動限流

自動限定在額定容量範圍內100%輸出，如果負載側諧波電流大於機 器額定容量，機器會在額定容量內繼續輸出電流補償諧波，不會發生過載導致自身超載或退出運行。

負載短路保護

可承受負載瞬間短路的衝擊，在短路消除後重新啟動。

並聯獨立控制

並聯接入電網，不會因機器故障導致電網發生斷電事故。多台YW-APF有源電力濾波器並聯繫統，如果一台因故障退出運行，剩餘的 機器仍能正常工作實現濾波功能。

三相電流獨立控制

各相電流獨立控制，單相注入電流，不受系統三相電流不平衡影響，中性線濾波能力為相線的三倍。

IP防護等級及防雷保護

IP保護等級為IP20；防雷保護能力為20kA。

監控系統

系統具備快速、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運行狀態燈發出告警信號，同時機器自動採取相對應的操作保護系統。 監控系統在供電或斷電情況下可保存500條故障記錄，便於分析原因 及排除故障。

設計方法

有源濾波器的設計方法，大致可歸結為級聯法和模擬法兩大類。

級聯法

根據技術指標要求，求出可以物理實現的轉移函式（通常可由現成的有源濾波器資料和手冊中查得），並將它分解為低階函式（主要是二階函式）之積，將這些低階函式分別用有源電路實現後再級聯起來，就實現了原轉移函式。實現低階函式的電路通稱為基本節，已有許多典型的二階基本節電路供設計者選用。按基本節中使用放大器的數目可分為單放大器電路、雙放大器電路、三放大器電路、四放大器電路，圖1給出了幾個基本節示例。級聯法設計過程比較簡單，電路特性調整容易，所實現的電路比較經濟，是常用的方法。

模擬法

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

（1）元件模擬法

用模擬電感（能實現電感特性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，常通過變換的方法來消除它。RLC—CRD變換是常用的一種。它是用因子K/s（s是復頻率，K為實常數）使電路中每個元件的阻抗都增大K/s倍。這種變換不會改變原電路的傳輸特性，卻使原電路中的R、L、C元件分別變成了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。

圖1

圖2

基本套用

諧波主要危害：

· 增加電力設施負荷，降低系統功率因數，降低發電、輸電及用電設備的有效容量和效率，造成設備浪費、線路浪費和電能損失；

· 引起無功補償電容器諧振和諧波電流放大，導致電容器組因過電流或過電壓而損壞或無法投入運行；

· 產生脈動轉矩致使電動機振動，影響產品質量和電機壽命；

· 由於渦流和集膚效應，使電機、變壓器、輸電線路等產生附加功率損耗而過熱，浪費電能並加速絕緣老化；

· 諧波電壓以正比於其峰值電壓的形式增強了絕緣介質的電場強度，降低設備使用壽命；

· 零序（3的倍數次）諧波電流會導致三相四線系統的中線過載，並在三角形接法的變壓器繞組內產生環流，使繞組電流超過額定值，嚴重時甚至引發事故。

· 諧波會改變保護繼電器的動作特性，引起繼電保護設施的誤動作，造成繼電保護等自動裝置工作紊亂；

· 諧波變改變了電壓或電流的變化率和峰值，延緩電弧熄滅，影響斷路器的分斷容量；

· 使計量儀表特別是感應式電能表產生計量誤差；

· 干擾鄰近的電力電子設備、工業控制設備和通訊設備，影響設備的正常運行。

諧波治理經濟效益：

1、節能5%～8%

某IDC機房7台400KVAUPS不間斷電源，08年電費支出約1500萬元，治理諧波後年節約電費110萬元，節能效果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，退還一台變壓器給供電局，節省100多萬投資保護設備、減少設備投資；

河南某紙廠變頻器產生的諧波每月燒毀兩颱風機，每月損失3萬元。

3、提高生產率和保持連續供電

大慶腈綸廠治理諧波後日產量從197噸提高到210噸。

優缺點

優點：可動態濾除各次諧波，對系統內的諧波能夠完全吸收；不會產生諧振。

缺點：造價太高；受硬體限制，在大容量場合無法使用:有源濾波容量單套不超過100KVA,最高適用電網電壓不超過690V。

套用場合

有源電力濾波器可廣泛套用於工業、商業和機關團體的配電網中，如：電力系統、電解電鍍企業、水處理設備、石化企業、大型商場及辦公大樓、精密電子企業、機場/港口的供電系統、醫療機構等。根據套用對象不同，有源電力濾波器的套用將起到保障供電可靠性、降低干擾、提高產品質量、增長設備壽命減少設備損壞等作用。

■通信行業

為了滿足大規模數據中心機房的運行需要，通信配電系統中的UPS使用容量在大幅上升。據調查，通信低壓配電系統主要的諧波源設備為UPS、開關電源、變頻空調等。其產生的諧波含量都較高，且這些諧波源設備的位移功率因數極高。通過使用有源濾波器可以提高通信系統及配電系統的穩定性，延長通信設備及電力設備的使用壽命，並且使配電系統更符合諧波環境的設計規範。

■半導體行業

大多數半導體行業的3次諧波非常嚴重，主要是由於企業中使用了大量的單相整流設備。3次諧波屬於零序諧波，具備在中性線匯集的特點，導致中性線壓力過大，甚至出現打火現象，存在著極大的生產安全隱患。諧波還會造成斷路器跳閘，耽誤生產時間。3次諧波在變壓器內形成環流，加速了變壓器的老化。嚴重的諧波污染必然對配電系統中的設備使用效率和壽命造成影響。

■石化行業

由於生產的需要，石化行業中存在著大量泵類負載，並且不少泵類負載都配有變頻器。變頻器的大量套用使石化行業配電系統中的諧波含量大大增加。絕大部分變頻器整流環節都是套用6脈衝將交流轉化為直流，因此產生的諧波以5次、7次、11次為主。其主要危害表現為對電力設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

為大幅提高熔化率、提高玻璃的熔化質量，以及延長爐齡、節省能源，在化纖行業常用到電助熔加熱設備，藉助電極把電直接送入燃料加熱的玻璃池窯中。這些設備會產生大量的諧波，且三相諧波的頻譜和幅值差別比較大。

■鋼鐵/中頻加熱行業

鋼鐵業中常用到的中頻爐、軋機、電弧爐等設備都會對電網的電能質量產生重大的影響，使電容補償櫃過載保護動作頻繁、變壓器和供電線路發熱嚴重、熔斷器頻繁熔斷等，甚至引起電壓跌落、閃變。

■汽車製造業

焊機是汽車製造業中不可少的設備，由於焊機具有隨機性、快速性及衝擊性的特點，使大量使用焊機造成嚴重的電能質量問題，造成焊接質量不穩、自動化程度高的機器人由於電壓不穩而不能工作，無功補償系統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備將交流電轉換為直流電，由於此類工程的負載容量都較大，因此在交流側存在嚴重的諧波污染，造成電壓畸變，嚴重時會引起事故。

■自動化生產線和精密設備的使用

在自動化生產線和精密設備場合，諧波會影響到其正常使用，使智慧型控制系統、PLC系統等出現故障。

■醫院系統

醫院對供電的連續性和可靠性有非常嚴格的要求，0類場所自動恢復供電時間T≤15S，1類場所自動恢復供電時間0.5S≤T≤15S， 2類場所自動恢復供電時間T≤0.5S，電壓總諧波畸變率THDu≤3%，X光機、CT機、核磁共振都是諧波含量極高的負載。

■劇場/體育館

可控矽調光系統、大型LED設備等都是諧波源，在運行過程中會產生大量的三次諧波，不但造成配電系統的電力設備效率低下，而且還會造成燈光頻閃，對通信、有線電視等微弱電迴路產生雜音，甚至產生故障。

發展狀況

隨著電力電子技術和控制技術的進步，國產有源濾波器已經在各種重大項目上的代替的進口產品，僅2012年，國產有源濾波器產品的銷售額已經超過進口品牌5倍之多，有源電力濾波器APF以其巨大的技術優勢、強大功能、逐漸下降的價格，必將最終取代傳統無源型濾波器PF。

在APF的發展過程中，模組化的有源濾波設備以其體積小，安裝方便，集成化程度高，工作穩定，擴容方便等優點慢慢取代了傳統的櫃式APF，在未來的5年中，模組化的有源濾波APF與靜止無功發生器SVG的組合必將成為電能質量行業中最有力的解決方案，並被市場廣泛的認可。

工作原理

有源濾波器是用電流互感器採集直流線路上的電流，經採樣，將所得的電流信號進行諧波分離算法的處理，得到諧波參考信號，作為的調製信號，與三角波相比，從而得到開關信號，用此開關信號去控制單相橋，根據技術的原理，將上下橋臂的開關信號反接，就可得到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後的線上電流的諧波分量反饋回來，作為調節器的輸入，調整前饋控制的誤差

產品特點

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：2--50次諧波及間諧波；

3.對負載的波動回響快，回響時間為1us；

4.動態注入電流以抑制諧波和補償功率因數；

5.不會與系統發生諧振；

6.可多台組合擴展容量；

7.抑制系統過電壓，改善系統電壓穩定性

8.阻尼電力系統功率振盪；

9.能抑制電壓閃變、補償三相不平衡、提高功率因數；

10、系統的自我保護和穩定性強。

技術參數

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：小於容量的3%

4.抑制諧波效果：達到國標要求，穩態THD可降低至5%以下

5.額定絕緣電壓：3000V AC，2500V DC

性能說明

1.動態有源濾波，全面改善電能質量；

2.DSP全數字控制，20KHz開關頻率，對負載的動態變化迅速回響；

3.諧波補償次數可選擇，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.具備三相不平衡補償能力；

6.具有自動限流功能，不會發生過載；

7.效率高，滿載損耗小於2.57；

8.並聯安裝方式，安裝簡單，體積小；

9.降低線路損耗，消除諧波引起的變壓器和電機發熱，實現系統大幅度節能；

10.有源電力濾波器的濾波效果不受系統阻抗變化影響，並能自動抑制系統諧振；

11.按照配電結構，可選擇局部補償、部分補償或總補償，CT可位於電源側或負載側；

12.易於擴展和冗餘設計，可最多10台並聯運行。

展望

有源濾波器的改進，一方面有賴於元器件及集成技術的進展，一方面也取決於電路結構和設計的創新。RC有源濾波器雖已能混合集成，但高質量RC有源濾波器的完全集成仍沒解決。主要困難是不能在晶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晶片面積太大。開關電容濾波器為解決這一課題開闢了道路，實現了全集成化；但它屬於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精確電阻的方案，是利用MOS管的線性（即非飽和）區特性充任模擬電阻，這是一種受柵極電壓控制的壓控電阻，故可用片外（即該晶片以外）的參考值，諸如晶體時鐘或外部RC元件，配合片內控制電路來精確調整電路的時間常數。這是一種很有發展前景的方案。還有一種用跨導型運算放大器（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。

歷史發展

早在19世紀80年代，電阻、電容濾波電路就已經出現。具有頻率選擇功能的電感、電容諧振電路可作為最簡單的濾波器。

於1915年德國K.W.華格納和美國貝爾實驗室的G.A.坎貝爾，分別發表了關於濾波器的論文，已被世界公認為濾波器的獨立發明者。

1923年以後，貝爾實驗室的O.J.查貝爾提出定K型、m誘導型視頻參數濾波器設計方法。

1939年德國W.考爾和美國S.達靈頓分別提出工作參數濾波器設計理論。由於許多電路和系統都要區分不同頻率的信號，濾波器遂被廣泛地用在通信、廣播、雷達以及許多儀器和設備中。

許多複雜的多極LC濾波器也已經存在了好多年了，有許多這方面的書籍講述這類濾波器的工作。

最古老的電子濾波器形式是使用電阻和電容或者電阻和電感構建的無源模擬線性濾波器，它們分別叫做RC和RL單極濾波器。

人們也開發了一些混合濾波器，典型的例子有將模擬放大器與機械共鳴器或者延時線組合在一起。如CCD延時線這樣的設備也用作離散時間濾波器。由於數位訊號處理的廣泛套用，有源數字濾波器已經變得常見。