有源濾波器,有源濾波器是什么意思

一、基本概念：
　　有源電力濾波器（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，之所以稱為有源，
　　顧名思義該裝置需要提供電源，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！
二、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。
三、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。
四、有源濾波的優(yōu)點和缺點：
　　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450V.
五、應(yīng)用場合
　　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。
六、主要發(fā)展狀況：
　　由于有源濾波存在的不足和缺陷，目前國內(nèi)市場上主要以無源濾波為主；國際上以ABB、APS、諾基亞、施耐德（梅蘭日蘭）、西門子為代表，國內(nèi)以山大華天，哈工大、西安賽博為代表，另外清華大學(xué)電機系研制的CleanPower系列有源電力濾波器在自適應(yīng)能力，穩(wěn)定性以及對各種延時的最優(yōu)補償方面有了長足的進展，成為了最先進的產(chǎn)品之一。隨著電力電子技術(shù)的進步，有源電力濾波器以其巨大的技術(shù)優(yōu)勢、強大功能、逐漸下降的價格，必將最終取代傳統(tǒng)的電容型無功補償裝置，占據(jù)市場主流。　

圖1 有源濾波器示意圖

????指令電流檢測電路的功能主要是從負載電流中分離出諧波電流分量和基波無功電流，然后將其反極性作用后發(fā)生補償電流的指令信號。電流跟蹤控制電路的功能是根據(jù)主電路產(chǎn)生的補償電流，計算出主電路各開關(guān)器件的觸發(fā)脈沖，此脈沖經(jīng)驅(qū)動電路后作用于主電路。這樣電源電流中只含有基波的有功分量，從而達到消除諧波與進行無功補償?shù)哪康摹８鶕?jù)同樣的原理，電力有源濾波器還能對不對稱三相電路的負序電流分量進行補償。

???有源電力濾波器的主電路一般由PWM逆變器構(gòu)成。根據(jù)逆變器直流側(cè)儲能元件的不同，可分為電壓型有源濾波器(儲能元件為電容)和電流型有源濾波器(儲能元件為電感)。電壓型有源濾波器在工作時需對直流側(cè)電容電壓控制，使直流側(cè)電壓維持不變，因而逆變器交流側(cè)輸出為PWM電壓波。而電流型有源濾波器在工作時需對直流側(cè)電感電流進行控制，使直流側(cè)電流維持不變，因而逆變器交流側(cè)輸出為PWM電流波。電壓型有源濾波器的優(yōu)點是損耗較少，效率高，是目前國內(nèi)外絕大多數(shù)有源濾波器采用的主電路結(jié)構(gòu)。電流型有源濾波器由于電流側(cè)電感上始終有電流流過，該電流在電感內(nèi)阻上將產(chǎn)生較大損耗，所以目前較少采用。

圖2 電壓型有源濾波器

圖3 電流型有源濾波器

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2．有源電力濾波器的分類
????按電路拓樸結(jié)構(gòu)分類，電力有源濾波器可分為并聯(lián)型、串聯(lián)型、串－并聯(lián)型和混合型。

圖4 并聯(lián)型有源濾波器

????圖4所示為并聯(lián)型有源濾波器的基本結(jié)構(gòu)。它主要適用于電流源型非線性負載的諧波電流抵消、無功補償以及平衡三相系統(tǒng)中的不平衡電流等。目前并聯(lián)型有源濾波器在技術(shù)上已較成熟，它也是當前應(yīng)用最為廣泛的一種有源濾波器拓補結(jié)構(gòu)。

圖5 串聯(lián)型有源濾波器

????圖5所示為串聯(lián)型有源濾波器的基本結(jié)構(gòu)。它通過一個匹配變壓器將有源濾波器串聯(lián)于電源和負載之間，以消除電壓諧波，平衡或調(diào)整負載的端電壓。與并聯(lián)型有源濾波器相比，串聯(lián)型有源濾波器損耗較大，且各種保護電路也較復(fù)雜，因此，很少研究單獨使用的串聯(lián)型有源濾波器，而大多數(shù)將它作為混合型有源濾波器的一部分予以研究。

圖6 混合型有源濾波器

????圖6所示為混合型有源濾波器的基本結(jié)構(gòu)。它是在串聯(lián)型有源濾波器的基礎(chǔ)上使用一些大容量的無源L-C濾波網(wǎng)絡(luò)來承擔消除低次諧波，進行無功補償?shù)娜蝿?wù)。而串聯(lián)型有源濾波器只承擔消除高次諧振及阻尼無源LC網(wǎng)絡(luò)與線路阻抗產(chǎn)生的諧波諧振的任務(wù)。從而使串聯(lián)型有源濾波器的電流、電壓額定值大大減少(功率容量可減少到負載容量的5%以下)，降低了有源濾波器的成本和體積。從經(jīng)濟角度而言，這種結(jié)構(gòu)形式在目前是一種值得推薦的方案。但隨著電力電子器件性能的不斷提高，成本不斷下降，混合型有源濾波器可能被下面一種性能價格比更高的有源濾波器代替。

圖7 串－并聯(lián)型有源濾波器

????圖7所示為串－并聯(lián)型有源濾波器的基本結(jié)構(gòu)。它組合了串聯(lián)有源濾波器和并聯(lián)有源濾波器的優(yōu)點，能解決電氣系統(tǒng)發(fā)生的大多數(shù)電能質(zhì)量問題，所以又稱之為萬能有源濾波器或統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(UPQC)，該類有源濾波器的主要問題是控制復(fù)雜、造價較高。