簡(jiǎn)析有源濾波器和主動(dòng)前端整流單元（AFE）在諧波失真方面的區(qū)別

魯恩瓊

哈爾濱電氣集團(tuán)阿城繼電器有限責(zé)任公司

簡(jiǎn)析有源濾波器和主動(dòng)前端整流單元（AFE）在諧波失真方面的區(qū)別

魯恩瓊

哈爾濱電氣集團(tuán)阿城繼電器有限責(zé)任公司

簡(jiǎn)述諧波對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量的影響，介紹幾種解決諧波失真的方案，對(duì)有源濾波器和主動(dòng)前端整流單元（AFE）在使用效果和實(shí)用性方面進(jìn)行了比較。

諧波；有源濾波器；主動(dòng)前端整流單元（AFE）

1 諧波

諧波是指正常電流波形的一種失真，一般是由非線性負(fù)載引起的。開關(guān)模式電源(SMPS)、調(diào)速電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器等都屬于非線性負(fù)載。

變頻驅(qū)動(dòng)器的整流過程是把市電交流電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定直流電。這會(huì)產(chǎn)生高振幅短脈沖電流，造成電流和電壓波形嚴(yán)重失真—諧波失真，一般按總諧波失真(THD)衡量。該失真向后傳播回電源系統(tǒng)，將影響連接在同一電源上的其他設(shè)備。

多數(shù)電力系統(tǒng)可以容忍一定程度的諧波電流，但當(dāng)諧波在總負(fù)載中所占比例較為明顯時(shí)就會(huì)出現(xiàn)問題。隨著這些頻率較高的電流流經(jīng)電力系統(tǒng)，它們會(huì)造成通信錯(cuò)誤、過熱和硬件受損等問題。

在過去幾十年中，有很多種解決變頻器導(dǎo)致諧波失真的方案。主動(dòng)前端整流單元，諧波減緩式變壓器、有源濾波器或無源濾波器，這些方法都可以維持電能質(zhì)量。當(dāng)然，所有的這些方法也會(huì)增加額外的成本。

下面我們將對(duì)有主動(dòng)前端整流單元和有源濾波器進(jìn)行比較，這些都是降低諧波失真有效的方法。簡(jiǎn)單介紹一下這兩個(gè)不同的方案是如何幫助設(shè)備解決諧波畸形的。

2 主動(dòng)前端整流單元（AFE）

在常規(guī)變速傳動(dòng)中，整流是通過二極管控制的。AFE是一個(gè)帶有IGBT的主動(dòng)控制整流器，這個(gè)主動(dòng)整流器能有效的消除變頻器產(chǎn)生的諧波。下面的圖1中可以看出，一個(gè)AFE系統(tǒng)由主動(dòng)整流器、直流儲(chǔ)能和逆變器組成。由于是串聯(lián)安裝，主動(dòng)前端整流器需要通過負(fù)載的全部功率。除了進(jìn)行諧波補(bǔ)償，主動(dòng)前端整流單元還具有在制動(dòng)過程中將電能回饋到網(wǎng)測(cè)的能力。AFE通常具有非常低的電流畸形（小于5%THD）和高功率因數(shù)。回饋制動(dòng)能量在應(yīng)用中非常的有用。

圖1 AFE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為了使AFE更輕更緊湊，有源整流電路的開關(guān)頻率是比較低的。然而，這種較低的開關(guān)頻率會(huì)產(chǎn)生較高的開關(guān)紋波，可以高達(dá)50次諧波，；這些高次諧波會(huì)對(duì)一些設(shè)備的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。為了減輕這些問題，開關(guān)頻率必須增加。然而，這會(huì)使AFE變得更大和更昂貴。相比傳統(tǒng)的6脈沖驅(qū)動(dòng)的整流器，主動(dòng)整流單元也提高了DC總線的電壓。這個(gè)電壓在電機(jī)側(cè)產(chǎn)生了更高的紋波，這時(shí)，需要一個(gè)DV/DT濾波器來保護(hù)電機(jī)或負(fù)載。

3 有源濾波器

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(hào)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(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路兩個(gè)主要部分組成。指令電流運(yùn)算電路實(shí)時(shí)監(jiān)視線路中的電流，并將模擬電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入高速數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，將諧波與基波分離，并以脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)形式向補(bǔ)償電流發(fā)生電路送出驅(qū)動(dòng)脈沖，驅(qū)動(dòng)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(bǔ)償電流注入電網(wǎng)，對(duì)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償或抵消，主動(dòng)消除電力諧波。

圖2 有源濾波器工作結(jié)構(gòu)圖

多個(gè)有源諧波濾波器可以并行安裝。即使存在電壓不平衡，他們也可以正常工作。有源諧波濾波器應(yīng)用在一個(gè)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中比較昂貴，但一個(gè)過濾器，用于校正多個(gè)負(fù)載時(shí)是更有成本效益的解決方案。

4 綜合比較

4.1 主動(dòng)前端整流單元（AFE）的優(yōu)點(diǎn)：如果應(yīng)用在大的、單一的驅(qū)動(dòng)器中，AFE可以節(jié)省一些成本；加強(qiáng)了變頻器的輸入保護(hù)和對(duì)半導(dǎo)體的保護(hù)；不需要會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p耗的阻尼電抗器,因此它在主電源電壓嚴(yán)重失真的情況下特別可靠；主動(dòng)前端整流單元系統(tǒng)中，變壓器損耗以及連線和開關(guān)裝置都得以減少；主電源電壓可下降達(dá)40%而不中斷運(yùn)行；主動(dòng)前端整流單元可以使電網(wǎng)功率因數(shù)高達(dá)0.99；在制動(dòng)時(shí)向電網(wǎng)中回饋能量，AFE能有效的降低成本。

4.2 有源濾波器的優(yōu)點(diǎn)：如果一個(gè)有源諧波濾波器規(guī)格滿足要求，能保證THD小于5%，變頻器就不會(huì)有什么危害或問題；增加濾波器時(shí)，安裝方便，不需要太大的返工，而AFE系統(tǒng)增加容量需要完全更換每個(gè)驅(qū)動(dòng)器；由于有源濾波器有更高的開關(guān)頻率，它的開關(guān)紋波比AFE明顯要少很多；有源諧波濾波器如果大小合適，可以校正功率因數(shù)和平衡曲線，也可以糾正設(shè)備的諧波失真；有源濾波器可以與開關(guān)電器集成在一起，這大大節(jié)省了空間和成本；和AFE相比有源濾波器耗費(fèi)的電力和冷卻成本比較低，增加了用電效率；維修、維護(hù)和更換更快也更簡(jiǎn)單。

5 總結(jié)

諧波電流對(duì)配電系統(tǒng)極其饋電的設(shè)施具有重大影響。在規(guī)劃系統(tǒng)擴(kuò)建或改造時(shí)一定要考慮諧波的影響。上面兩個(gè)系統(tǒng)在減少諧波失真方面都是有效的方法，往往根據(jù)個(gè)別設(shè)備的情況來決定應(yīng)用哪一個(gè)系統(tǒng)。有時(shí)候單個(gè)大的變頻器選擇AFE在成本方面更有優(yōu)勢(shì)，如果設(shè)備應(yīng)用多個(gè)變頻器，那么選擇有源諧波濾波器就更便宜。

[1]羅安.電網(wǎng)諧波治理和無功補(bǔ)償技術(shù)及設(shè)備[M]北京：中國(guó)電力出版社，2006.

魯恩瓊（1987-），2010年畢業(yè)于東北石油大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，助理工程師，研究方向：發(fā)電，整流，逆變。