有源濾波器
有源電力濾波器（Active Power Filter，簡稱APF）是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能夠?qū)Υ笮『皖l率都變化的諧波以及變化的無功進行補償。
中文名
有源濾波器
外文名
APF（active power filter ）
作 用
用于動態(tài)抑制諧波
類 型
電子裝置
優(yōu) 點
克服諧波抑制和無功補償方法
影 響
實現(xiàn)了動態(tài)跟蹤補償
特 色
綠色化
目錄
1. 1 基本概念
2. 2 基本原理
3. 3 設(shè)計方法
4. ? 級聯(lián)法
5. ? 模擬法
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），其應(yīng)用可克服LC濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補償方法的缺點（傳統(tǒng)的只能固定補償），實現(xiàn)了動態(tài)跟蹤補償，而且可以既補諧波又補無功；三相電路瞬時無功功率理論是APF發(fā)展的主要基礎(chǔ)理論；APF有并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種，前者用的多；并聯(lián)有源濾波器主要是治理電流諧波，串聯(lián)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！
有源濾波器
基本原理
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。它由指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路兩個主要部分組成。指令電流運算電路實時監(jiān)視線路中的電流，并將模擬電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入高速數(shù)字信號處理器（DSP）對信號進行處理，將諧波與基波分離，并以脈寬調(diào)制（PWM）信號形式向補償電流發(fā)生電路送出驅(qū)動脈沖，驅(qū)動IGBT或IPM功率模塊，生成與電網(wǎng)諧波電流幅值相等、極性相反的補償電流注入電網(wǎng)，對諧波電流進行補償或抵消，主動消除電力諧波。
技術(shù)優(yōu)勢 綠色化
效率達97.2%，比效率為95%的有源濾波器年節(jié)約電能約6, 500kwh
效率更高的拓撲增強型控制算法
基于精確模型的熱設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)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(yīng)不同的工況安裝創(chuàng)新，壁掛式或機架式安裝使用更少的原材料,保護環(huán)境
智能化
補償指定次數(shù)諧波可調(diào)感性、容性無功補償補償系統(tǒng)不平衡負載自動檢測、抑制系統(tǒng)諧振全功能監(jiān)控系統(tǒng)
模塊化
N+1冗余，顯著提高系統(tǒng)可靠性流水線生產(chǎn) ， 更出色質(zhì)量保證減少系統(tǒng)單故障點靈活并聯(lián)，適應(yīng)不同工況
功能特性
同時濾除2~50次諧波，或選擇2~50次內(nèi)任意次數(shù)諧波進行補償 響應(yīng)時間小于300μs
采用3DSP+CPLD全數(shù)字控制方式和國際知名品牌高速IGBT，閉環(huán)控制，精確濾除諧波
應(yīng)用四相線技術(shù)，消除中性線電流
自動消除諧振，不受電網(wǎng)阻抗和系統(tǒng)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(shù)字信號處理功能
模塊化設(shè)計，易于擴展 多機并聯(lián)集中監(jiān)控功能 遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能
維護方便，在符合要求的工作環(huán)境下工作，非機器故障無需維護
產(chǎn)品設(shè)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(zhì)量：公用電網(wǎng)諧波》
GB/T15543-1995 《電能質(zhì)量：三相電壓允許不平衡度》
GB/T15945-1995 《電能質(zhì)量：電力系統(tǒng)頻率允許偏差》
GB/T12326-2000 《電能質(zhì)量：電壓波動和閃變》
GB/T12325-2003 《電能質(zhì)量：供電電壓允許偏差》
GB/T18481-2001 《電能質(zhì)量：暫時過電壓和瞬態(tài)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(chǎn)品發(fā)出的諧波電流限值》
GB 4208-2008《外殼防護等級(IP代碼)》
電壓輸入范圍
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(yīng)各種不同工況的電能質(zhì)量環(huán)境。同時，如果電壓波動超過上下限，機器自動閉鎖輸出，并 發(fā)出告警。
自動限流
自動限定在額定容量范圍內(nèi)100%輸出，如果負載側(cè)諧波電流大于機 器額定容量，機器會在額定容量內(nèi)繼續(xù)輸出電流補償諧波，不會發(fā)生過載導(dǎo)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沖擊，在短路消除后重新啟動。
并聯(lián)獨立控制
并聯(lián)接入電網(wǎng)，不會因機器故障導(dǎo)致電網(wǎng)發(fā)生斷電事故。多臺YW-APF有源電力濾波器并聯(lián)系統(tǒng)，如果一臺因故障退出運行，剩余的 機器仍能正常工作實現(xiàn)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(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)
系統(tǒng)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(fēng)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(tài)燈發(fā)出告警信號，同時機器自動采取相對應(yīng)的操作保護系統(tǒng)。 監(jiān)控系統(tǒng)在供電或斷電情況下可保存500條故障記錄，便于分析原因 及排除故障。
設(shè)計方法
有源濾波器的設(shè)計方法，大致可歸結(jié)為級聯(lián)法和模擬法兩大類。
級聯(lián)法
根據(jù)技術(shù)指標要求，求出可以物理實現(xiàn)的轉(zhuǎn)移函數(shù)（通?？捎涩F(xiàn)成的有源濾波器資料和手冊中查得），并將它分解為低階函數(shù)（主要是二階函數(shù)）之積，將這些低階函數(shù)分別用有源電路實現(xiàn)后再級聯(lián)起來，就實現(xiàn)了原轉(zhuǎn)移函數(shù)。實現(xiàn)低階函數(shù)的電路通稱為基本節(jié)，目前已有許多典型的二階基本節(jié)電路供設(shè)計者選用。按基本節(jié)中使用放大器的數(shù)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(jié)示例。級聯(lián)法設(shè)計過程比較簡單，電路特性調(diào)整容易，所實現(xiàn)的電路比較經(jīng)濟，是常用的方法。
模擬法
先設(shè)計出能滿足技術(shù)指標要求的LC濾波器器作為設(shè)計原型，再用有源電路去模擬實現(xiàn)。這種方法又可分為元件模擬法和功能模擬法兩類，并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(lián)法需用更多元件。
（1）元件模擬法
用模擬電感（能實現(xiàn)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?，F(xiàn)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(fù)頻率，K為實常數(shù)）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(xiàn)。
基本應(yīng)用
諧波主要危害：
· 增加電力設(shè)施負荷，降低系統(tǒng)功率因數(shù)，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的有效容量和效率，造成設(shè)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(dǎo)致電容器組因過電流或過電壓而損壞或無法投入運行；
· 產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩致使電動機振動，影響產(chǎn)品質(zhì)量和電機壽命；
· 由于渦流和集膚效應(yīng)，使電機、變壓器、輸電線路等產(chǎn)生附加功率損耗而過熱，浪費電能并加速絕緣老化；
· 諧波電壓以正比于其峰值電壓的形式增強了絕緣介質(zhì)的電場強度，降低設(shè)備使用壽命；
· 零序（3的倍數(shù)次）諧波電流會導(dǎo)致三相四線系統(tǒng)的中線過載，并在三角形接法的變壓器繞組內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流，使繞組電流超過額定值，嚴重時甚至引發(fā)事故。
· 諧波會改變保護繼電器的動作特性，引起繼電保護設(shè)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(yīng)式電能表產(chǎn)生計量誤差；
· 干擾鄰近的電力電子設(shè)備、工業(yè)控制設(shè)備和通訊設(shè)備，影響設(shè)備的正常運行。
諧波治理經(jīng)濟效益：
1、節(jié)能5%～8%
某IDC機房7臺400KVAUPS不間斷電源，08年電費支出約1500萬元，治理諧波后年節(jié)約電費110萬元，節(jié)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，退還一臺變壓器給供電局，節(jié)省100多萬投資保護設(shè)備、減少設(shè)備投資；
河南某紙廠變頻器產(chǎn)生的諧波每月燒毀兩臺風(fēng)機，每月?lián)p失3萬元。
3、提高生產(chǎn)率和保持連續(xù)供電
大慶腈綸廠治理諧波后日產(chǎn)量從197噸提高到210噸。
優(yōu)缺點
優(yōu)點：可動態(tài)濾除各次諧波，對系統(tǒng)內(nèi)的諧波能夠完全吸收；不會產(chǎn)生諧振。
缺點：造價太高；受硬件限制，在大容量場合無法使用:有源濾波容量單套不超過100KVA,目前最高適用電網(wǎng)電壓不超過690V。
應(yīng)用場合
薩頓斯有源電力濾波器可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)和機關(guān)團體的配電網(wǎng)中，如：電力系統(tǒng)、電解電鍍企業(yè)、水處理設(shè)備、石化企業(yè)、大型商場及辦公大樓、精密電子企業(yè)、機場/港口的供電系統(tǒng)、醫(yī)療機構(gòu)等。根據(jù)應(yīng)用對象不同，HTAPF-I型有源電力濾波器的應(yīng)用將起到保障供電可靠性、降低干擾、提高產(chǎn)品質(zhì)量、增長設(shè)備壽命減少設(shè)備損壞等作用。
■通信行業(yè)
為了滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)中心機房的運行需要，通信配電系統(tǒng)中的UPS使用容量在大幅上升。據(jù)調(diào)查，通信低壓配電系統(tǒng)主要的諧波源設(shè)備為UPS、開關(guān)電源、變頻空調(diào)等。其產(chǎn)生的諧波含量都較高，且這些諧波源設(shè)備的位移功率因數(shù)極高。通過使用有源濾波器可以提高通信系統(tǒng)及配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，延長通信設(shè)備及電力設(shè)備的使用壽命，并且使配電系統(tǒng)更符合諧波環(huán)境的設(shè)計規(guī)范。
■半導(dǎo)體行業(yè)
大多數(shù)半導(dǎo)體行業(yè)的3次諧波非常嚴重，主要是由于企業(yè)中使用了大量的單相整流設(shè)備。3次諧波屬于零序諧波，具備在中性線匯集的特點，導(dǎo)致中性線壓力過大，甚至出現(xiàn)打火現(xiàn)象，存在著極大的生產(chǎn)安全隱患。諧波還會造成斷路器跳閘，耽誤生產(chǎn)時間。3次諧波在變壓器內(nèi)形成環(huán)流，加速了變壓器的老化。嚴重的諧波污染必然對配電系統(tǒng)中的設(shè)備使用效率和壽命造成影響。
■石化行業(yè)
由于生產(chǎn)的需要，石化行業(yè)中存在著大量泵類負載，并且不少泵類負載都配有變頻器。變頻器的大量應(yīng)用使石化行業(yè)配電系統(tǒng)中的諧波含量大大增加。目前絕大部分變頻器整流環(huán)節(jié)都是應(yīng)用6脈沖將交流轉(zhuǎn)化為直流，因此產(chǎn)生的諧波以5次、7次、11次為主。其主要危害表現(xiàn)為對電力設(shè)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(yè)
為大幅提高熔化率、提高玻璃的熔化質(zhì)量，以及延長爐齡、節(jié)省能源，在化纖行業(yè)常用到電助熔加熱設(shè)備，借助電極把電直接送入燃料加熱的玻璃池窯中。這些設(shè)備會產(chǎn)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(yè)
鋼鐵業(yè)中常用到的中頻爐、軋機、電弧爐等設(shè)備都會對電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生重大的影響，使電容補償柜過載保護動作頻繁、變壓器和供電線路發(fā)熱嚴重、熔斷器頻繁熔斷等，甚至引起電壓跌落、閃變。
■汽車制造業(yè)
焊機是汽車制造業(yè)中不可少的設(shè)備，由于焊機具有隨機性、快速性及沖擊性的特點，使大量使用焊機造成嚴重的電能質(zhì)量問題，造成焊接質(zhì)量不穩(wěn)、自動化程度高的機器人由于電壓不穩(wěn)而不能工作，無功補償系統(tǒng)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(shè)備將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，由于此類工程的負載容量都較大，因此在交流側(cè)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(chǎn)線和精密設(shè)備的使用
在自動化生產(chǎn)線和精密設(shè)備場合，諧波會影響到其正常使用，使智能控制系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)等出現(xiàn)故障。
■醫(yī)院系統(tǒng)
醫(yī)院對供電的連續(xù)性和可靠性有非常嚴格的要求，0類場所自動恢復(fù)供電時間T≤15S，1類場所自動恢復(fù)供電時間0.5S≤T≤15S， 2類場所自動恢復(fù)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
可控硅調(diào)光系統(tǒng)、大型LED設(shè)備等都是諧波源，在運行過程中會產(chǎn)生大量的三次諧波，不但造成配電系統(tǒng)的電力設(shè)備效率低下，而且還會造成燈光頻閃，對通信、有線電視等微弱電回路產(chǎn)生雜音，甚至產(chǎn)生故障。
發(fā)展狀況
隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的進步，國產(chǎn)有源濾波器已經(jīng)在各種重大項目上的代替的進口產(chǎn)品，僅2012年，國產(chǎn)有源濾波器產(chǎn)品的銷售額已經(jīng)超過進口品牌5倍之多，其中西安賽博、深圳盛弘、以及山大華天的銷售額更是占據(jù)了國產(chǎn)中的半壁江山，并在超過5000A的項目中屢有斬獲，于此同時，利思、雙電、英那士等新興廠家也在不斷沖擊著市場，有源電力濾波器APF以其巨大的技術(shù)優(yōu)勢、強大功能、逐漸下降的價格，必將最終取代傳統(tǒng)無源型濾波器PF。
在APF的發(fā)展過程中，模塊化的有源濾波設(shè)備以其體積小，安裝方便，集成化程度高，工作穩(wěn)定，擴容方便等優(yōu)點慢慢取代了傳統(tǒng)的柜式APF，在艾普瑞斯、深圳盛弘等模塊化行業(yè)領(lǐng)頭羊的帶領(lǐng)下，國產(chǎn)品牌山大華天、西安賽博、上海雙電也紛紛在2012年推出了模塊化產(chǎn)品，進口品牌施耐德也與艾普瑞斯達成戰(zhàn)略合作，擁有了模塊化產(chǎn)品，在未來的5年中，模塊化的有源濾波APF與靜止無功發(fā)生器SVG的組合必將成為電能質(zhì)量行業(yè)中最有力的解決方案，并被市場廣泛的認可。
工作原理
有源濾波器是用電流互感器采集直流線路上的電流，經(jīng)采樣，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(diào)制信號，與三角波相比，從而得到開關(guān)信號，用此開關(guān)信號去控制單相橋，根據(jù)技術(shù)的原理，將上下橋臂的開關(guān)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后的線上電流的諧波分量反饋回來，作為調(diào)節(jié)器的輸入，調(diào)整前饋控制的誤差
產(chǎn)品特點
1.濾波精度高，諧波電流濾除率可達97%以上；
2.濾波范圍廣，濾波次數(shù)：2--50次諧波及間諧波；
3.對負載的波動響應(yīng)快，響應(yīng)時間為1us；
4.動態(tài)注入電流以抑制諧波和補償功率因數(shù)；
5.不會與系統(tǒng)發(fā)生諧振；
6.可多臺組合擴展容量；
7.抑制系統(tǒng)過電壓，改善系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性
8.阻尼電力系統(tǒng)功率振蕩；
9.能抑制電壓閃變、補償三相不平衡、提高功率因數(shù)；
10、系統(tǒng)的自我保護和穩(wěn)定性極強。
技術(shù)參數(shù)
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：小于容量的3%
4.抑制諧波效果：達到國標要求，穩(wěn)態(tài)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(tài)有源濾波，全面改善電能質(zhì)量；
2.DSP全數(shù)字控制，20KHz開關(guān)頻率，對負載的動態(tài)變化迅速響應(yīng)；
3.諧波補償次數(shù)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(fā)生過載；
7.效率高，滿載損耗小于2.57；
8.并聯(lián)安裝方式，安裝簡單，體積??；
9.降低線路損耗，消除諧波引起的變壓器和電機發(fā)熱，實現(xiàn)系統(tǒng)大幅度節(jié)能；
10.有源電力濾波器的濾波效果不受系統(tǒng)阻抗變化影響，并能自動抑制系統(tǒng)諧振；
11.按照配電結(jié)構(gòu)，可選擇局部補償、部分補償或總補償，CT可位于電源側(cè)或負載側(cè)；
12.易于擴展和冗余設(shè)計，可最多10臺并聯(lián)運行。
展望
有源濾波器的改進，一方面有賴于元器件及集成技術(shù)的進展，一方面也取決于電路結(jié)構(gòu)和設(shè)計的創(chuàng)新。RC有源濾波器雖已能混合集成，但高質(zhì)量RC有源濾波器的完全集成仍沒解決。主要困難是不能在芯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芯片面積太大。開關(guān)電容濾波器為解決這一課題開辟了道路，實現(xiàn)了全集成化；但它屬于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(xiàn)精確電阻的方案，是利用MOS管的線性（即非飽和）區(qū)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（即該芯片以外）的參考值，諸如晶體時鐘或外部RC元件，配合片內(nèi)控制電路來精確調(diào)整電路的時間常數(shù)。這是一種很有發(fā)展前景的方案。還有一種用跨導(dǎo)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。
|
