_{有源濾波器}

有源電力濾波器（Active Power Filter，簡稱APF）是一種用于動态抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能夠對大小和頻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

用于動态抑制諧波

類    型

電子裝置

優    點

克服諧波抑制和無功補償方法

影    響

實現了動态跟蹤補償

特    色

綠色化

目錄

1. 1 基本概念

2. 2 基本原理

3. 3 設計方法

4. ▪ 級聯法

5. ▪ 模拟法

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），其應用可克服LC濾波器等傳統的諧波抑制和無功補償方法的缺點（傳統的隻能固定補償），實現了動态跟蹤補償，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發展的主要基礎理論；APF有并聯型和串聯型兩種，前者用的多；并聯有源濾波器主要是治理電流諧波，串聯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，是采用現代電力電子技術和基于高速DSP器件的數字信号處理技術制成的新型電力諧波治理專用設備。它由指令電流運算電路和補償電流發生電路兩個主要部分組成。指令電流運算電路實時監視線路中的電流，并将模拟電流信号轉換為數字信号，送入高速數字信号處理器（DSP）對信号進行處理，将諧波與基波分離，并以脈寬調制（PWM）信号形式向補償電流發生電路送出驅動脈沖，驅動IGBT或IPM功率模塊，生成與電網諧波電流幅值相等、極性相反的補償電流注入電網，對諧波電流進行補償或抵消，主動消除電力諧波。

技術優勢　　綠色化

效率達97.2%，比效率為95%的有源濾波器年節約電能約6, 500kwh

效率更高的拓撲增強型控制算法

基于精确模型的熱設計和結構優化

小型化

體積僅為同類主流品牌1/6,占用更少空間 ，

活适應不同的工況安裝創新，壁挂式或機架式安裝使用更少的原材料,保護環境

智能化

補償指定次數諧波可調感性、容性無功補償補償系統不平衡負載自動檢測、抑制系統諧振全功能監控系統

模塊化

N+1冗餘，顯著提高系統可靠性流水線生産 ， 更出色質量保證減少系統單故障點靈活并聯，适應不同工況

功能特性

同時濾除2~50次諧波，或選擇2~50次内任意次數諧波進行補償 響應時間小于300μs

采用3DSP+CPLD全數字控制方式和國際知名品牌高速IGBT，閉環控制，精确濾除諧波

應用四相線技術，消除中性線電流

自動消除諧振，不受電網阻抗和系統阻抗變化影響 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，功率數字信号處理功能

模塊化設計，易于擴展 多機并聯集中監控功能 遠程網絡監控功能

維護方便，在符合要求的工作環境下工作，非機器故障無需維護

産品設計标準

國際标準

EN 50091-3, EN 61000-6-2, EN55011, EN 50178:1997, IEC 62040-3, IEC 50178:1997, AS 62040-3（VFI SS 111）, CISPR11

國家标準

GB/T14549-93《電能質量：公用電網諧波》

GB/T15543-1995 《電能質量：三相電壓允許不平衡度》

GB/T15945-1995 《電能質量：電力系統頻率允許偏差》

GB/T12326-2000 《電能質量：電壓波動和閃變》

GB/T12325-2003 《電能質量：供電電壓允許偏差》

GB/T18481-2001 《電能質量：暫時過電壓和瞬态過電壓》

GB/T15576-2008 《低壓成套無功功率補償裝置》

GB7625.11998 《低壓電氣電子産品發出的諧波電流限值》

GB 4208-2008《外殼防護等級(IP代碼)》

電壓輸入範圍

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，适應各種不同工況的電能質量環境。同時，如果電壓波動超過上下限，機器自動閉鎖輸出，并 發出告警。

自動限流

自動限定在額定容量範圍内100%輸出，如果負載側諧波電流大于機 器額定容量，機器會在額定容量内繼續輸出電流補償諧波，不會發生過載導緻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，在短路消除後重新啟動。

并聯獨立控制

并聯接入電網，不會因機器故障導緻電網發生斷電事故。多台YW-APF有源電力濾波器并聯系統，如果一台因故障退出運行，剩餘的 機器仍能正常工作實現濾波功能。

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。

監控系統

系統具備快速、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運行狀态燈發出告警信号，同時機器自動采取相對應的操作保護系統。 監控系統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。

設計方法

有源濾波器的設計方法，大緻可歸結為級聯法和模拟法兩大類。

級聯法

根據技術指标要求，求出可以物理實現的轉移函數（通常可由現成的有源濾波器資料和手冊中查得），并将它分解為低階函數（主要是二階函數）之積，将這些低階函數分别用有源電路實現後再級聯起來，就實現了原轉移函數。實現低階函數的電路通稱為基本節，目前已有許多典型的二階基本節電路供設計者選用。按基本節中使用放大器的數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給出了幾個基本節示例。級聯法設計過程比較簡單，電路特性調整容易，所實現的電路比較經濟，是常用的方法。

模拟法

先設計出能滿足技術指标要求的LC濾波器器作為設計原型，再用有源電路去模拟實現。這種方法又可分為元件模拟法和功能模拟法兩類，并且多以雙端終接電阻的LC梯型濾波器為原型。通常，模拟法比級聯法需用更多元件。

（1）元件模拟法

用模拟電感（能實現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。現有浮地模拟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是複頻率，K為實常數）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元件分别變成了C、R、D（頻變負阻）元件。圖2是一例子。

（2）功能模拟法 先作出LC原型濾波器電路中各電壓電流的信号流圖，再用積分器、加法器、乘法器等有源電路來實現。

基本應用

諧波主要危害：

· 增加電力設施負荷，降低系統功率因數，降低發電、輸電及用電設備的有效容量和效率，造成設備浪費、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，導緻電容器組因過電流或過電壓而損壞或無法投入運行；

· 産生脈動轉矩緻使電動機振動，影響産品質量和電機壽命；

· 由于渦流和集膚效應，使電機、變壓器、輸電線路等産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的電場強度，降低設備使用壽命；

· 零序（3的倍數次）諧波電流會導緻三相四線系統的中線過載，并在三角形接法的變壓器繞組内産生環流，使繞組電流超過額定值，嚴重時甚至引發事故。

· 諧波會改變保護繼電器的動作特性，引起繼電保護設施的誤動作，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；

· 使計量儀表特别是感應式電能表産生計量誤差；

· 幹擾鄰近的電力電子設備、工業控制設備和通訊設備，影響設備的正常運行。

諧波治理經濟效益：

1、節能5%～8%

某IDC機房7台400KVAUPS不間斷電源，08年電費支出約1500萬元，治理諧波後年節約電費110萬元，節能效果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，退還一台變壓器給供電局，節省100多萬投資保護設備、減少設備投資；

河南某紙廠變頻器産生的諧波每月燒毀兩台風機，每月損失3萬元。

3、提高生産率和保持連續供電

大慶腈綸廠治理諧波後日産量從197噸提高到210噸。

優缺點

優點：可動态濾除各次諧波，對系統内的諧波能夠完全吸收；不會産生諧振。

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,目前最高适用電網電壓不超過690V。

應用場合

薩頓斯有源電力濾波器可廣泛應用于工業、商業和機關團體的配電網中，如：電力系統、電解電鍍企業、水處理設備、石化企業、大型商場及辦公大樓、精密電子企業、機場/港口的供電系統、醫療機構等。根據應用對象不同，HTAPF-I型有源電力濾波器的應用将起到保障供電可靠性、降低幹擾、提高産品質量、增長設備壽命減少設備損壞等作用。

■通信行業

為了滿足大規模數據中心機房的運行需要，通信配電系統中的UPS使用容量在大幅上升。據調查，通信低壓配電系統主要的諧波源設備為UPS、開關電源、變頻空調等。其産生的諧波含量都較高，且這些諧波源設備的位移功率因數極高。通過使用有源濾波器可以提高通信系統及配電系統的穩定性，延長通信設備及電力設備的使用壽命，并且使配電系統更符合諧波環境的設計規範。

■半導體行業

大多數半導體行業的3次諧波非常嚴重，主要是由于企業中使用了大量的單相整流設備。3次諧波屬于零序諧波，具備在中性線彙集的特點，導緻中性線壓力過大，甚至出現打火現象，存在着極大的生産安全隐患。諧波還會造成斷路器跳閘，耽誤生産時間。3次諧波在變壓器内形成環流，加速了變壓器的老化。嚴重的諧波污染必然對配電系統中的設備使用效率和壽命造成影響。

■石化行業

由于生産的需要，石化行業中存在着大量泵類負載，并且不少泵類負載都配有變頻器。變頻器的大量應用使石化行業配電系統中的諧波含量大大增加。目前絕大部分變頻器整流環節都是應用6脈沖将交流轉化為直流，因此産生的諧波以5次、7次、11次為主。其主要危害表現為對電力設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

為大幅提高熔化率、提高玻璃的熔化質量，以及延長爐齡、節省能源，在化纖行業常用到電助熔加熱設備，借助電極把電直接送入燃料加熱的玻璃池窯中。這些設備會産生大量的諧波，且三相諧波的頻譜和幅值差别比較大。

■鋼鐵/中頻加熱行業

鋼鐵業中常用到的中頻爐、軋機、電弧爐等設備都會對電網的電能質量産生重大的影響，使電容補償櫃過載保護動作頻繁、變壓器和供電線路發熱嚴重、熔斷器頻繁熔斷等，甚至引起電壓跌落、閃變。

■汽車制造業

焊機是汽車制造業中不可少的設備，由于焊機具有随機性、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量問題，造成焊接質量不穩、自動化程度高的機器人由于電壓不穩而不能工作，無功補償系統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備将交流電轉換為直流電，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。

■自動化生産線和精密設備的使用

在自動化生産線和精密設備場合，諧波會影響到其正常使用，使智能控制系統、PLC系統等出現故障。

■醫院系統

醫院對供電的連續性和可靠性有非常嚴格的要求，0類場所自動恢複供電時間T≤15S，1類場所自動恢複供電時間0.5S≤T≤15S， 2類場所自動恢複供電時間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

可控矽調光系統、大型LED設備等都是諧波源，在運行過程中會産生大量的三次諧波，不但造成配電系統的電力設備效率低下，而且還會造成燈光頻閃，對通信、有線電視等微弱電回路産生雜音，甚至産生故障。

發展狀況

随着電力電子技術和控制技術的進步，國産有源濾波器已經在各種重大項目上的代替的進口産品，僅2012年，國産有源濾波器産品的銷售額已經超過進口品牌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了國産中的半壁江山，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着市場，有源電力濾波器APF以其巨大的技術優勢、強大功能、逐漸下降的價格，必将最終取代傳統無源型濾波器PF。

在APF的發展過程中，模塊化的有源濾波設備以其體積小，安裝方便，集成化程度高，工作穩定，擴容方便等優點慢慢取代了傳統的櫃式APF，在艾普瑞斯、深圳盛弘等模塊化行業領頭羊的帶領下，國産品牌山大華天、西安賽博、上海雙電也紛紛在2012年推出了模塊化産品，進口品牌施耐德也與艾普瑞斯達成戰略合作，擁有了模塊化産品，在未來的5年中，模塊化的有源濾波APF與靜止無功發生器SVG的組合必将成為電能質量行業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，經采樣，将所得的電流信号進行諧波分離算法的處理，得到諧波參考信号，作為的調制信号，與三角波相比，從而得到開關信号，用此開關信号去控制單相橋，根據技術的原理，将上下橋臂的開關信号反接，就可得到與線上諧波信号大小相等、方向相反的諧波電流，将線上的諧波電流抵消掉。這是前饋控制部分。再将有源濾波器接入點後的線上電流的諧波分量反饋回來，作為調節器的輸入，調整前饋控制的誤差

産品特點

1.濾波精度高，諧波電流濾除率可達97%以上；

2.濾波範圍廣，濾波次數：2--50次諧波及間諧波；

3.對負載的波動響應快，響應時間為1us；

4.動态注入電流以抑制諧波和補償功率因數；

5.不會與系統發生諧振；

6.可多台組合擴展容量；

7.抑制系統過電壓，改善系統電壓穩定性

8.阻尼電力系統功率振蕩；

9.能抑制電壓閃變、補償三相不平衡、提高功率因數；

10、系統的自我保護和穩定性極強。

技術參數

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：達到國标要求，穩态THD可降低至5%以下

5.額定絕緣電壓：3000V AC，2500V DC

性能說明

1.動态有源濾波，全面改善電能質量；

2.DSP全數字控制，20KHz開關頻率，對負載的動态變化迅速響應；

3.諧波補償次數可選擇，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，不會發生過載；

7.效率高，滿載損耗小于2.57；

8.并聯安裝方式，安裝簡單，體積小；

9.降低線路損耗，消除諧波引起的變壓器和電機發熱，實現系統大幅度節能；

10.有源電力濾波器的濾波效果不受系統阻抗變化影響，并能自動抑制系統諧振；

11.按照配電結構，可選擇局部補償、部分補償或總補償，CT可位于電源側或負載側；

12.易于擴展和冗餘設計，可最多10台并聯運行。

展望

有源濾波器的改進，一方面有賴于元器件及集成技術的進展，一方面也取決于電路結構和設計的創新。RC有源濾波器雖已能混合集成，但高質量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。開關電容濾波器為解決這一課題開辟了道路，實現了全集成化；但它屬于離散時間模拟濾波器，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精确電阻的方案，是利用MOS管的線性（即非飽和）區特性充任模拟電阻，這是一種受栅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，配合片内控制電路來精确調整電路的時間常數。這是一種很有發展前景的方案。還有一種用跨導型運算放大器（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。