有源滤波器的工作原理及应用

中图分类号： TN713+.8文献标识码： A 文章编号：

一、概述

随着电力电子技术的迅猛发展和成熟，电力系统中的大型功率电子装置日益增多，在提高工业自动化水平和效益的同时，由于是各种使用传统相控整流技术的大容量非线性负荷，在运行过程中所产生的高谐波和低功率因数的运行状态，严重危害着电力系统的安全和电网供电质量。 针对电网谐波的复杂情况而研发的有源滤波器作为一款先进的电能质量治理产品，综合了电力电子技术、数字控制技术、数字信号处理技术等前沿技术，具有较高技术含量。

二、工作原理及容量选择

有源电力滤波器通过电流互感器检测负载电流，并通过内部DSP计算，提取出负载电流中的谐波成分，然后通过PWM信号发送给内部IGBT,控制逆变器产生一个和负载谐波电流大小相等，方向相反的谐波电流注入到电网中，达到滤波的目的。

1.改造项目

可以通过对电网的实测，得出谐波电流。需要测试的量有：相电流有效值：I0,电流总谐波畸变率：THDi,那么可以根据如下的公式得到谐波电流有效值：

上式中，IH表示总谐波电流含量。

2.新设计项目

在变压器二次侧进行集中治理时，可以通过如下公式来估算：

上式中，S表示变压器容量，K表示负荷率，U表示线电压。

一般情况下，K取0.5～0.7之间；而THDi根据不同行业的负载情况取不同的经验值

三、有源滤波器的发展趋势

有源滤波器是改善供电质量，净化电网污染的一种有效装置，自从七十年代提出以来，有源滤波技术得到了长足的发展，越来越多的有源滤波器投入了运行，无论从现实功能还是运行功率上都有明显进步。目前，有源滤波器已经运用在提高电能质量，解决三相电力系统中终端电压调节，电压波动抑制，电压平衡改善以及谐波消除和无功补偿等问题上。从近年来的研究和应用可以看出，有源滤波器的发展前景如下：

（1）随着新型能源的发展，有源滤波器的运用范围得到极大扩展。特别是新型能源发电后并入电网时，有源滤波器可减少其对电网产生危害。

（2）从成本和效率，以及扩大容量来说，模块化的有源滤波器系统将得到更加广泛得运用。

（3）有源滤波器装置的多功能化也是其发展的一个方向。有源滤波器在消除高次谐波的同时，提高电力系统的稳定性，抑制闪变和补偿无功。这样既符合电力系统发展的需要，又从功能上降低了装置得成本。

四、有源滤波器的应用

1主要应用场合

（1）变频设备的应用场合。随着技术的进步，变频设备大量应用于各类场合，变频设备会产生大量的谐波，因此，这类场合是有源滤波器主要的应用场合之一。

（2）不稳定负荷的应用场合。不稳定负荷不是有源滤波器的主要市场，但它是电力系统一个极其重要的方面，因为不稳定的负荷虽然所占比例不大，但是它们对电力系统产生的影响却远远大于其它负荷所造成的影响，因此对于该类应用场合也应作为有源滤波器的主要应用场合之一。

（3）钢铁厂。钢铁厂的电弧炉、轧钢机等是主要的谐波发生设备，且主要是冲击性负荷，对钢铁厂附近的其它负荷有很大影响。同时，谐波问题对钢铁厂无功补偿的影响很大，所以应以无功补偿和谐波治理同时处理作为目标。

（4）有色冶金。有色冶金的负荷除电弧炉性质的负荷外，还由于采用直流湿法冶金而产生大量的直流成分。

（5）港口机械。港机是大型的提升设备，一般都采用很大的变频器，因此是港口机械主要的谐波发生源，因此对于该类应用场合也应作为有源滤波器的应用场合之一。

（6）电气化铁路。电气化铁路一般使用直流电机拖动，因此是一个市政方面的主要谐波源。根据现有上海、北京等地电气化铁路的运行情况，大多数系统都安装了滤波器。

（7）高精度自动化生产线。高精度自动化生产线本身不产生谐波，但是对于电能质量有很高的要求，因此需要在高精度自动化生产线的供电侧安装有源滤波器，以降低谐波对生产线的影响。

（8）办公大楼、大型商业区等节能灯和空调集中场所。办公大楼、大型商业区等节能灯和空调集中场所的谐波情况也非常严重，治理方法宜采用集中治理方法，以节省成本。

2实际应用案例

（1）项目描述：上海市某大厦位于外滩，是集商务、公寓于一体的综合大楼，其配电系统中大量的照明、办公设备、空调和电梯等负载产生了大量的谐波，其中3次谐波尤为平重，白天用电量较大时，中线电流可达90A，给系统带来了严重的安全隐患，需要进行谐波治理以保证设备和系统的稳定运行。

治理措施：在配电系统中2台变压器低压侧各安装1台50A有源滤波器进行谐波治理。谐波含量大量减少，全面符合国家标准，电流总畸变率由21%下降到了3.9%。中线电流由80A下降到了15A，中线表面温度明显降低。

（2）项目描述：山东省某医院的配电系统使用双电源供电，其中含有大量的医疗设备，如:MR, CT、X光机等，以及照明、空调、电梯和办公设备等其他负载，给系统带来了严重的谐波污染。回前供电质量难以保证医疗设备高可靠性用电的需要，需要在提高供电质量的同时推进节能降耗。

治理措施：在两台变压器低压侧各安装1台100A有源滤波器进行谐波治理。电流畸变率由18%下降到了2 .8%，另外此处存在三相电流不平衡的情况，而且含有较大的3次谐波，所以中线电流很大，当有源滤波器工作在补偿谐波、无功和三相电流不平衡的工作模式时除了明显减少了谐波污染外还有效改善了三相电流不平衡情况，减少了中线电流大小及其发热和损耗，提高了安全可靠性。

（3）项目描述：中国移动某机房的配电系统中含有大量的UPS和开关电源等谐波源设备，给系统带来了严重的谐波污染。与一般无线电干扰一样，UPS严生的高次谐波会通过传导、电磁辐射和感应藕合的方式对通讯信号造成干扰，信号在传输过程中容易出现延时、变形并接收干扰信号，影响通讯质量。需要净化电源系统，给数据又换和传输等设备提供可靠的工作电源，阻断干扰通道，改善机房的电磁环境。

治理措施：在低压配电室中处于轻载的2台200kVA的UPS输入端安装1台50A有源滤波器，在传输机房中的数据UPS输入端安装1台100 A有源滤波器进行谐波治理。治理后UPS输入端THDu（电压总谐波奇变率）由8%改善到了4.6% ，满足了国家标准的要求（THDu

五、结束语

随着我国电力事业的发展，电能质量的要求将不断提高，利用有源滤波进行电能质量治理有着巨大的市场潜力。特别在补偿谐波、无功功率、中线电流、不平衡电流等方面，有源滤波技术必将拥有更加广阔的前景。