電氣自動(dòng)化中有源濾波器的應(yīng)用研究

歐陽(yáng)乾贊

（廣東光達(dá)電氣股份有限公司，廣東 佛山 528329）

0 引 言

隨著時(shí)代的不斷進(jìn)步，電力建設(shè)高速發(fā)展并取得了良好成就。但是，非線性負(fù)荷問(wèn)題不斷加重，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生了一定的沖擊，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的相關(guān)質(zhì)量。電力事業(yè)不斷發(fā)展，對(duì)供電質(zhì)量提出了更高的要求。傳統(tǒng)無(wú)緣濾波技術(shù)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代電氣自動(dòng)化的發(fā)展要求，因此人們開(kāi)始研制全新的濾波裝置，利用全新的功率器件形成全新的有源濾波技術(shù)裝置，從而更好地為電氣自動(dòng)化服務(wù)。

1 有源濾波器的相關(guān)分析

1.1 有源濾波器概述

有源濾波器為一種應(yīng)用于動(dòng)態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無(wú)功的全新電子電力裝置，可以快速跟蹤不同頻率或者不同大小的諧波，也可以對(duì)其展開(kāi)快速補(bǔ)償工作。相比于無(wú)源的LC濾波器，有源濾波器能夠被動(dòng)吸收各種頻率的濾波，在可控制等方面比無(wú)源濾波器表現(xiàn)優(yōu)秀。有源濾波器的性價(jià)比非常高，不僅可以對(duì)各個(gè)諧波和無(wú)功功率展開(kāi)補(bǔ)償，還能夠有效抑制閃變，具有多樣化的功能。如果電氣自動(dòng)化發(fā)生系統(tǒng)阻抗，有源濾波器的特性也不會(huì)受到影響，規(guī)避了與系統(tǒng)阻抗產(chǎn)生諧振的問(wèn)題。有源濾波器還具備優(yōu)良的自適應(yīng)性，能夠有效應(yīng)對(duì)變化中的諧波，對(duì)其展開(kāi)快速跟蹤和補(bǔ)償[1]。

有源濾波器雖然比無(wú)源濾波器存在更多的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但在整個(gè)電力系統(tǒng)中還不能徹底代替無(wú)源濾波器。目前，有源濾波器應(yīng)用成本較高，推廣使用的難度較大。在時(shí)代的推動(dòng)下，電氣自動(dòng)化工業(yè)向著更好的方向前進(jìn)，器件性能越來(lái)越好，使用成本逐漸降低，推動(dòng)了有源濾波器在電氣自動(dòng)化中的應(yīng)用。

1.2 有源濾波器的理論基礎(chǔ)

在現(xiàn)階段的使用過(guò)程中，無(wú)源濾波器具有投資小、效率高的優(yōu)勢(shì)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于維護(hù)。但是，在配電網(wǎng)應(yīng)用中，無(wú)源濾波器的特性會(huì)受到電氣自動(dòng)化系統(tǒng)參數(shù)的影響。應(yīng)用過(guò)程中，它只可以消除特定的幾次諧波，而對(duì)于一些諧波會(huì)產(chǎn)生放大作用，甚至還會(huì)產(chǎn)生諧振問(wèn)題。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)V波的研究方向，使無(wú)源濾波逐漸轉(zhuǎn)向有源濾波。有源濾波器可以利用可控的功率半導(dǎo)體器件，將與諧波源電流幅值相等和相位相反的電流注入電網(wǎng)，使電源的總諧波為零，最終達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目的。有源濾波器和無(wú)源濾波器相比，有源濾波器的治理效果更好，能夠同時(shí)濾除多次和高次諧波，且不會(huì)在應(yīng)用過(guò)程中產(chǎn)生諧振，促進(jìn)了電氣自動(dòng)化的高效發(fā)展[2]。

2 有源濾波器的應(yīng)用現(xiàn)狀

世界上一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，有源濾波器已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，如歐美國(guó)家和亞洲的日本等。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，有源濾波器可以分成有源交流濾波器和有源直流濾波器兩大類。在HVDC系統(tǒng)中，換流器相關(guān)直流一側(cè)的電壓和電流產(chǎn)生的諧波是通過(guò)有源直流濾波器消除的。在整個(gè)交流電力系統(tǒng)中，不同的電壓等級(jí)之間運(yùn)用的是有源交流濾波器。角度不同，有源濾波器的分類標(biāo)準(zhǔn)也不同。在應(yīng)用過(guò)程中，有源濾波器的使用成本較高、損耗較大且容量有限。未來(lái)發(fā)展過(guò)程中，如果將有源濾波器和無(wú)源濾波器相結(jié)合形成混合形式的有源濾波器，將極大地提高電氣自動(dòng)化的生產(chǎn)效率。

3 有源濾波器在電氣自動(dòng)化中的應(yīng)用

3.1 變頻設(shè)備的有效應(yīng)用

我國(guó)科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，大量變頻設(shè)備應(yīng)用到了社會(huì)的不同場(chǎng)合。變頻的相關(guān)設(shè)備能夠產(chǎn)生大量諧波，因此有源濾波器廣泛應(yīng)用于變頻設(shè)備[3]。

3.2 電氣化鐵路中的應(yīng)用

電氣化鐵路中一般采用直流電機(jī)拖動(dòng)，是市政方面的主要諧波源。根據(jù)我國(guó)一線城市如北京和上海等電氣化鐵路的相關(guān)運(yùn)行情況，大部分電氣化鐵路系統(tǒng)都安裝了相應(yīng)的有源濾波器。

3.3 不穩(wěn)定負(fù)荷的相關(guān)應(yīng)用

不穩(wěn)定負(fù)荷并不是有源濾波器主要的應(yīng)用市場(chǎng)，但它是電力系統(tǒng)非常重要的方面。因?yàn)椴环€(wěn)定負(fù)荷雖然在整個(gè)系統(tǒng)中所占的比重不大，但是對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的影響大大超過(guò)了其他負(fù)荷所造成的影響。因此，不穩(wěn)定負(fù)荷應(yīng)成為有源濾波器的主要應(yīng)用方向之一。

3.4 在節(jié)能燈和空調(diào)集中的地點(diǎn)應(yīng)用

在辦公大樓和大型商業(yè)街區(qū)，相應(yīng)的節(jié)能燈和空調(diào)比較集中，諧波情況非常嚴(yán)重。在展開(kāi)治理的過(guò)程中，需要運(yùn)用集中治理的有效手段，利用有源濾波器，不斷節(jié)約治理成本。

3.5 在高精度自動(dòng)生產(chǎn)線中的應(yīng)用

高精度自動(dòng)生產(chǎn)線中，自動(dòng)生產(chǎn)線本身不會(huì)產(chǎn)生諧波，但是其對(duì)電能質(zhì)量有著高要求。因此，在自動(dòng)生產(chǎn)過(guò)程中，需要在高精度自動(dòng)化生產(chǎn)線的供電一側(cè)安裝相應(yīng)的有源濾波器，以不斷降低諧波對(duì)生產(chǎn)線產(chǎn)生的影響，提高生產(chǎn)效率[4]。

4 有源濾波器在電氣自動(dòng)化中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

4.1 在低紋波電流和高電流響應(yīng)速度中的優(yōu)勢(shì)

有源濾波器的基本原理是檢測(cè)負(fù)載的諧波，然后注入反相諧波，用諧波相互抵消的形式達(dá)到濾波的目的。其中，逆變器運(yùn)用的是脈沖寬度調(diào)制模式。依據(jù)相關(guān)電工的基本原理，開(kāi)關(guān)的相關(guān)頻率、直流母線產(chǎn)生的電壓以及輸出電感的大小決定著紋波的電流，而且與電流環(huán)的控制沒(méi)有關(guān)系。相關(guān)電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，開(kāi)關(guān)的頻率越高，紋波電流會(huì)呈現(xiàn)出越來(lái)越小的趨勢(shì)。直流母線的電壓越高，紋波電流呈現(xiàn)出正相關(guān)的發(fā)展趨勢(shì)，電流隨之加大，輸出電感越強(qiáng)，紋波的電流越小。而逆變器的期望輸出電流值由電流環(huán)控制。有源濾波器輸出的諧波電流如果按照基波50 Hz和相關(guān)補(bǔ)償50次諧波來(lái)劃分和計(jì)算，最高的諧波頻率能達(dá)到2.5 kHz。有源濾波器對(duì)電流的響應(yīng)速度有著非常高的要求，其中電流的響應(yīng)速度和直流母線的電壓、輸出的電感大小等有一定的關(guān)聯(lián)。如果直流母線的電壓升高，相應(yīng)的電流響應(yīng)也會(huì)越來(lái)越快。如果輸出的電感較大，那么電流的響應(yīng)會(huì)隨之變慢。在電氣自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，輸出的紋波電流越小越好，而電流的響應(yīng)速度越快越好，二者之間存在矛盾。為了利用有源濾波器解決這個(gè)矛盾，需要提高開(kāi)關(guān)的使用頻率[5]。

研究過(guò)程中，三電平逆變器可以輸出正、負(fù)、零3種電壓。計(jì)算紋波電流的過(guò)程中，僅需要按照直流母線電壓的一半計(jì)算即可。因此，在同樣的開(kāi)關(guān)頻率、同樣的直流母線電壓以及同樣的紋波電流前提條件下，三電平的輸出電感是兩電平的一半。同時(shí)，器件的開(kāi)關(guān)損耗問(wèn)題和電感的紋波損耗等也會(huì)隨之不斷降低。整體直流母線電壓在電流的響應(yīng)速度計(jì)算中能夠起到非常大的作用，而電感輸出的減少會(huì)加大電流的響應(yīng)速度，從而不斷加強(qiáng)濾波效果，提升單機(jī)容量。

4.2 提高電氣系統(tǒng)的耐壓性

我國(guó)的低壓電網(wǎng)為400 V。如果是一些特殊的行業(yè)或者是企業(yè)，那么低壓電網(wǎng)會(huì)更高一點(diǎn)。例如，石油鉆機(jī)采用的電網(wǎng)為600 V，礦山用電能夠達(dá)到690 V甚至1 140 V。不同行業(yè)的用電等級(jí)不同，多樣化現(xiàn)象較為顯著，需要多加關(guān)注諧波治理工作。一般情況下，為了不斷提升電流的響應(yīng)速度，確保補(bǔ)償?shù)男Ч幚碇C波的有源濾波器相比于處理基波的并網(wǎng)逆變器和變頻器等需要更高的直流母線電壓。很多時(shí)候，兩電平逆電器所產(chǎn)生的直流母線電壓是相關(guān)交流電網(wǎng)電壓有效值的2倍。如果在380 V中應(yīng)用，直流母線的電壓需要在700～750 V。如果在600 V中應(yīng)用，直流母線電壓需要達(dá)到1 200 V。很多電氣自動(dòng)化生產(chǎn)企業(yè)一般會(huì)加裝一個(gè)變壓器，使其他等級(jí)的電壓能夠達(dá)到400 V。諧波變壓器經(jīng)過(guò)了特殊設(shè)計(jì)，性價(jià)比非常高，且容量較大。運(yùn)用三電平技術(shù)，能用耐壓較低的管子形成耐壓高的變流器系統(tǒng)，以直接應(yīng)用于電壓高的電網(wǎng)上，以保障濾波的效果。

5 結(jié) 論

電氣自動(dòng)化系統(tǒng)在運(yùn)作過(guò)程中環(huán)境因素比較復(fù)雜，供電質(zhì)量有待提升。有源濾波器在電氣自動(dòng)化中的有效利用，能夠有效解決電氣自動(dòng)化系統(tǒng)現(xiàn)存的問(wèn)題。有源濾波器在未來(lái)的市場(chǎng)中有很大的應(yīng)用潛能，相關(guān)人員需要加快研究進(jìn)程。