低压有源滤波装置的特点与选型
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（中国中元国际工程公司 北京100089）
摘要：本文主要对低压有源滤波装置的基本原理、特点、分类等方面进行介绍和比较，并阐述了不同类型低压有源电滤波装置的适用场所和选型要求。
关键词：有源滤波装置、谐波、供配电系统
Abstract: This paper on the basic principles of low-voltage active filter device, characteristics, classification, are introduced and compared, and described the application of different types of low voltage active power filter device places and selection requirements.
Key Words: active power filter, harmonics, power supply and distribution system
中图分类号：U224.3+1文献标识码：A 文章编号：
近几年，随着高精度电子设备被大量使用和大家节能理念的增强，电能质量的治理被日益重视，具有高度可控性和快速响应性的低压有源滤波装置在供配电系统中逐步得到了应用。如何正确的选用有源滤波装置来实现谐波治理的目标，成为电气设计人员和用户关注的问题。
1．低压有源滤波装置的基本原理 有源电力滤波装置以三相电路瞬时无功功率理论为基础理论，采用现代电力电子技术和基于高速DSP器件的数字信号处理技术制成的新型电力谐波治理专用设备。它由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个主要部分组成。指令电流运算电路实时监视线路中的电流，并将模拟电流信号转换为数字信号，送入高速数字信号处理器（DSP）对信号进行处理，将谐波与基波分离，并以脉宽调制（PWM）信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲，驱动绝缘栅双极型晶体管（IGBT）或智能功率模块（IPM），生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，对谐波电流进行补偿或抵消，从而达到消除电力谐波和补偿无功功率的目的。
图1 有源滤波装置示意图
2．低压有源滤波装置的特点 （1）主动动态补偿，具有自适应能力，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应，还可以抑制闪变；（2）可同时对谐波和无功进行补偿，且补偿无功的大小可做到连续调节；（3）补偿无功时不需贮能元件；补偿谐波时所需贮能元件容量也不大；即使补偿对象电流过大，有源电力滤波器也不会发生过载，并能正常发挥补偿作用； （4）受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振。能跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响。
3．低压有源滤波装置的分类（1）根据逆变器直流侧储能元件的不同，可分为电压型有源滤波器和电流型有源滤波器。电压型有源滤波装置的储能元件是电容，对直流侧电容电压控制，使直流侧电压维持不变，因而逆变器交流侧输出为PWM电压波。电压型有源滤波器的优点是损耗较少，效率高，是目前国内外绝大多数有源滤波器采用的主电路结构。 电流型有源滤波装置的储能元件是电感，对直流侧电感电流进行控制，使直流侧电流维持不变，因而逆变器交流侧输出为PWM电流波。电流型有源滤波器由于电流侧电感上始终有电流流过，该电流在电感内阻上将产生较大损耗，所以目前较少采用。
（2）按电路拓朴结构有源滤波装置可分为并联型、串联型、串并联型和混和型。并联型有源滤波装置与系统并联等效为一个受控电流源，主要适用于电流源型非线性负载的谐波电流补偿、无功补偿以及平衡三相系统中的不平衡电流等。目前并联型有源滤波器在技术上已较成熟，具有投切方便灵活、保护简单等优点，应用也最为广泛。但是单独使用并联型有源滤波装置时，滤波器容量要求大，工程造价高。
图2 并联型有源滤波装置
串联型有源滤波装置通过一个匹配变压器将有源滤波装置串联于电源和负载之间，以消除电压谐波，平衡或调整负载的端电压。在直流系统中应用时，耦合变压器的接入侧很容易出现直流磁饱和问题，所以只在交流系统中采用。其与并联型有源滤波装置相比损耗较大，保护电路也较复杂，因此，很少单独使用。
图3 串联型有源滤波装置
串并联型有源滤波装置综合了串联型和并联型两种结构，共同来解决电能质量的问题，兼有串联有源滤波装置和并联有源滤波装置的优点。串联型和并联型有源滤波装置共用直流侧电容器或电感储能装置，串联有源电力滤波装置起到补偿电压谐波、消除系统不平衡、调节电压波动或闪变、维持系统电压稳定性或阻尼振荡的作用。并联变流器起到补偿电流谐波不平衡、补偿负荷的无功、调节变流器直流侧电压的作用。因此可以实现短时间不间断供电、蓄能、无功补偿、抑制谐波、消除电压波动及闪变、维持系统电压稳定等功能。这种结构即可用于三相系统，又可以用于单相系统。主要缺陷在于成本较高（需要较多的开关器件）和控制复杂。
图5 串并联型有源滤波装置
混合型有源滤波装置由串联型有源滤波装置和无源L-C滤波网络构成。无源
L-C滤波网络来消除低次谐波，并进行无功补偿。而串联型有源滤波装置只承担消除高次谐振及阻尼无源LC网络与线路阻抗产生的谐波谐振的任务。从而使串联型有源滤波装置的电流、电压额定值大大减少(功率容量可减少到负载容量的5%以下)，降低了有源滤波装置的成本和体积。
图4 混合型有源滤波装置
（3）按电源类型分类，可分为单相有源滤波装置、三相三线制有源滤波装置、三相四线制有源滤波装置。
单相有源滤波装置一般用于大型单相谐波源设备的就地补偿；当三相负载功率小于100KVA时，也可以采用三个单相有源滤波装置的补偿方式。
三相三线制有源滤波装置主要用于以三相用电设备为主的汽车制造、冶金、石化等行业的供配电系统和三相负荷平衡的中性线电流小、谐波含量低的供配电系统。
三相四线制有源滤波装置主要用于中性线电流大、中心线谐波含量高的供配电系统，如办公建筑、商业建筑、医院、通讯机房、计算机中心等小功率单相负荷较多的场所。
3．低压有源滤波装置的选型要求 （1）根据供配电系统或用电设备的电压等级和特点，确定选用有源滤波装置的电源类型； （2）根据谐波源的分布情况和性价比综合比较，确定有源滤波装置的设置位置。有源滤波装置可在谐波源处就地设置、配电干线处分布设置、变配电所内集中设置或者采用上述几种方式的组合设置 。 （3）根据有源滤波装置安装处总电流、谐波含量和谐波次数，以及是否需要补偿无功功率，确定装置的总容量，谐波补偿率应大于85%； 与其它三相交流电力设备的容量定义相同，有源电力滤波器装置的容量SAPF为： 式中，UAPF和IAPF分别为有源电力滤波器交流侧线电压和线电流的有效值。
有源滤波装置有三种工作模式：补偿谐波、补偿无功、补偿谐波和无功。不同的工作模式对容量的要求也不同。有源滤波装置的输出电流的频次分配比例是按典型负载设计的，不是任何频次的电流都能达到与额定容量对应的额定值，越是高次电流（13次及以上）的输出能力越差。 （4）根据谐波电流的变化快慢，确定有源滤波装置的响应时间。响应时间是谐波电流被完全消除所需的时间，而非装置开始发出补偿电流的瞬时响应时间。响应时间越小跟踪速度越快，补偿效果越好，负载快速波动的场合响应时间不应超过40ms。 （5）根据谐波治理性能指标、负载特性和环境要求，确定有源滤波装置其他参数要求。
4．结束语有源滤波装置与传统的固定滤波装置相比对补偿谐波优势明显。和国外大量使用有源滤波装置相比，我国利用有源滤波装置治理谐波、改善电能质量还处在起步阶段。在电力电子技术的不断发展推动下，有源滤波装置可靠性和性能指标方面得到了巨大的提升，随着其造价的降低，在工业和建筑领域将得到广泛的应用。
参考文献：
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[2]胡铭，陈衍，有源滤波技术及其应用.电力系统自动化，2000,24（3）
[3]徐伟.有源滤波无功补偿装置.中国科技信息，2007（13）
[4] 姜齐荣，赵东元，陈建业.有源电力滤波器.北京：科学出版社，2005
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