有源濾波器在化纖行業的應用與發展前景

唐行龍 王 祥

（1.江蘇奧神新材料有限公司，江蘇連云港 222000； 2.江蘇省紡織集團總公司，江蘇南京 210012）

0 引言

某化纖企業引進了國外先進的粘度測量儀器，但是在應用過程中該儀器頻繁跳閘，不能正常使用，經過設備本身各方面檢查不得其解，不得不更換更大負荷的空開，給設備運行留下隱患，經過不斷的努力測試，發現最終原因為電網諧波造成，如FLUKE199測量實圖：每當產生高次諧波段都會導致這臺精密儀器超出其斷路器要求導致跳閘。

由于化纖行業工藝越來越精細，對設備的控制要求也越來越高，往往在電網中加入大量產生諧波的設備，比如變頻器、UPS等等，隨著以微電腦為代表的大量敏感設備的普及應用，人們對公用電網的供電質量要求越來越高，對電網中的諧波含量及用電設備的功率因數提出了更嚴格的要求,因此我們在某新材料項目電網中率先采用有源濾波方式進行補償，下面對有源濾波原理與傳統諧波抑制方式做一些對比，并淺談有源濾波的發展與前景。

1 傳統抑制諧波的方法

傳統的諧波抑制和無功補償方法是無源濾波技術，即使用由電力電容器等無源器件構成無源濾波器，該無源濾波器與需補償的非線性負載并聯，為諧波提供一個低阻通路的同時也提供負載所需要的無功功率。雖然無源濾波器具有簡單、方便的優點，但它也存在如下缺點：

1.1 它的補償特性受電網及負載影響較大，其濾波效果依賴于電網和負載的參數，濾波特性較差；

1.2 給電網帶來一定隱患，可能發生電網與濾波器間的串、并聯諧振；

1.3 只能補償固定的無功功率,對變化的無功功率不能進行精確的補償，不能對諧波和無功實現動態補償；

1.4 所需儲能元件的體積大。

針對無源濾波技術的上述缺點，1976年，L·Gyugi提出用PWM逆變器構成“電力有源濾波器”。有源濾波器(APF, Active Power Filter)有效地解決了無源濾波器的缺點。有源濾波器的補償特性受電網及負載影響很小，不但避免了與電網發生串、并聯諧振的危險，同時還可抑制串并聯諧振的發生；實現了動態補償，可以對頻率和大小都變化的諧波以及變化的無功功率進行迅速的動態跟蹤補償；可以同時對諧波和無功進行補償，且補償無功的大小可做到連續調節，既可對一個諧波和無功源單獨補償，也可對多個諧波和無功源進行綜合補償；有源濾波器補償無功功率時不需儲能元件，補償諧波時所需儲能元件容量不大。上世紀80年代以后，由于電力電子器件及其控制技術的發展，APF技術的發展逐步走向成熟，在國外已得到廣泛應用。與無源濾波器相比，APF具有高度可控制和快速響應特性，并且能跟蹤補償各次諧波、自動產生所需變化的無功功率，其特性不受系統影響，無諧波放大危險，相對體積重量較小等突出優點，因而已成為電力諧波抑制和無功補償的重要手段。

2 有源濾波器的原理及其結構

有源濾波器是由一組開關器件和無源儲能元件如電感和電容組成，其系統主要由指令電流運算電路和補償電流發生電路兩大部分組成。有源濾波器結構如右上圖。

它的基本工作原理是：檢測補償對象的電流(或電壓)，經過指令運算電路得到補償電流的指令信號。該信號經控制器由補償電流發生電路獲得，補償電流 與負載中的諧波電流抵消，使電網的電流恢復為純正弦波形；同時，有源濾波器發出基波無功電流，進行無功補償。

3 有源濾波的應用

單獨使用方式的并聯型有源濾波系統的構成拓撲。它是有源濾波器中最基本的形式，它可產生與負載諧波大小相等，方向相反的補償電流，從而將電源側電流補償為正弦波。并聯型有源濾波器主要用于感性電流源型負載的補償，它也是工業上已投入運行最多的一種方案，但金無足赤。由于電源電壓直接加在逆變橋上，因此對開關元件的電壓等級要求高；負載諧波電流含量高時要求這種APF的容量必須很大，同時具備大的補償容量和寬的補償頻帶比較困難。因此在電網中常常采用并聯型APF與PF混合使用的方式共同承擔補償諧波的任務。如下圖：

PF主要補償較高次的諧波，是一個高通濾波器，它一方面用于消除補償電流中因主電路中器件通斷而引起的諧波，另一方面它可濾除補償對象中次數較高的諧波，從而可降低對APF主電路中器件開關頻率的要求。前圖為并聯型APF與PF串聯使用的結構圖，該方式中，APF的用于改善PF的濾波特性，克服PF易受電網阻抗影響和易與電網阻抗發生諧振缺點。而諧波和無功主要由PF補償，而在這種方式中，APF不承受交流電源的基波電壓，因此裝置容量比較小。并聯混合型有源電力濾波器具有安裝、維護簡單的優點， 可以直接在已有的無源濾波器上進行改造， 因此并聯混合型電力有源濾波器的使用最為廣泛。

4 有源濾波器的發展趨勢

有源濾波器是改善供電質量，凈化電網污染的一種有效裝置，自從上世紀70年代提出以來，有源濾波技術得到了長足的發展，越來越多的APF投入了運行，無論從現實功能還是運行功率上都有明顯進步。目前，APF已經運用在提高電能質量，解決三相電力系統中終端電壓調節，電壓波動抑制，電壓平衡改善以及諧波消除和無功補償等問題上。提高電力系統的穩定性，抑制閃變和補償無功。這樣既符合電力系統發展的需要，又從功能上降低了裝置的成本。

隨著我國電力事業的發展，電能質量的要求將不斷提高，利用有源濾波進行電能質量治理有著巨大的市場潛力。特別在補償諧波、無功功率、中線電流、不平衡電流等方面，有源濾波技術必將擁有更加廣闊的前景。當然隨著開關器件和DSP（數字信號處理單機片）芯片價格的下降，串-并聯電力有源濾波器也是很有發展前途的。

5 結束語

目前電力有源濾波器的研究與應用，國內遠落后于國外，除少數APF已投入工業試運行外，其它大部分尚處于研制階段。但隨著我國對電網諧波污染治理日益重視，“綠色電力電子”的呼聲愈來愈高，電力有源濾波器必然會得到廣泛地推廣應用。

[1] 王兆安，楊 君，劉進軍等. 諧波抑制和無功功率補償.北京：機械工業出版社.1998.

[2] 梁福興，劉 艷，鮑聰穎，武 磊，張修華.單相有源電力濾波器的仿真研究.