有源電力濾波器（APF）在諧波治理中應(yīng)用

段科威

摘要：三相電路瞬時(shí)無功功率理論是APF發(fā)展的主要APF;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。本文作者研究了有源電力濾波器（APF）在諧波治理中應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：有源電力濾波器;諧波治理;應(yīng)用

0、引言

有源電力濾波器（APF：Active power filter）是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置，它能夠?qū)Σ煌笮『皖l率的諧波進(jìn)行快速跟蹤補(bǔ)償，之所以稱為有源，是相對于無源LC濾波器，只能被動(dòng)吸收固定頻率與大小的諧波而言，APF可以通過采樣負(fù)載電流并進(jìn)行各次諧波和無功的分離，控制并主動(dòng)輸出電流的大小、頻率和相位，并且快速響應(yīng)，抵消負(fù)載中相應(yīng)電流，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，而且可以既補(bǔ)諧波又補(bǔ)無功和不平衡。

1、有源電力濾波器的工作原理

有源電力濾波器（Active Power Filter，簡稱APF）是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)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(jìn)行補(bǔ)償?？梢酝瑫r(shí)濾除多次及高次諧波，濾除率高達(dá)95%以上，且不會(huì)引起諧振。

有源濾波器APF通過外部電流互感器CT?，實(shí)時(shí)檢測負(fù)載電流，并通過內(nèi)部DSP計(jì)算，提取出負(fù)載電流的諧波成分。然后通過PWM信號發(fā)送給內(nèi)部IGBT，控制逆變器產(chǎn)生一個(gè)和負(fù)載諧波大小相等、方向相反的電流注入到電網(wǎng)中補(bǔ)償諧波電流，實(shí)現(xiàn)濾波功能。APF的內(nèi)部框架圖如圖1所示。

2、有源濾波和諧波治理的關(guān)系

對供電系統(tǒng)中周期性非正弦電量進(jìn)行傅里葉級數(shù)分解，除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量，還得到一系列電網(wǎng)基波頻率的分量，這部分電量稱為諧波。它實(shí)際上是一種干擾量，使電網(wǎng)受到“污染”。向供用電網(wǎng)注入諧波電量或在公用電網(wǎng)上產(chǎn)生諧波電壓的電氣設(shè)備稱為諧波源。

在一些工業(yè)和商業(yè)的電力供應(yīng)系統(tǒng)中，在額定負(fù)荷范圍內(nèi)，有時(shí)發(fā)生補(bǔ)償電容器或熔斷器頻繁發(fā)熱燒毀、一些測控元件或控制保護(hù)設(shè)備產(chǎn)生異常誤差或誤動(dòng)作、負(fù)荷開關(guān)失控、生產(chǎn)工藝或產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等原因莫名故障或事故，其實(shí)這些問題的最大的起因就是諧波的存在。

在供用電系統(tǒng)中，越來越多的負(fù)荷設(shè)備具有非線性和時(shí)變特性，它們作為諧波源向電網(wǎng)中注入諧波，嚴(yán)重影響供電網(wǎng)電能質(zhì)量，冶金行業(yè)的電解、電鍍、中頻爐、電弧爐、電石爐;汽車船舶機(jī)械加工行業(yè)的焊接機(jī)、起重機(jī)、沖床，礦山油田等能源行業(yè)的升降機(jī)、抽油機(jī);交通運(yùn)輸行業(yè)的吊車、電氣化鐵路，化工造紙行業(yè)的整流變頻電機(jī)以及廣泛應(yīng)用于會(huì)展場館、小區(qū)、寫字樓的變頻空調(diào)，這些都屬于產(chǎn)生諧波的非線性負(fù)載，當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)非線性負(fù)荷相當(dāng)于變壓器額定容量的百分比超過15%，諧波的影響就會(huì)明顯存在。

3 諧波產(chǎn)生的原因及其危害

3.1 諧波產(chǎn)生的原因

3.1.1 因發(fā)電源質(zhì)量問題產(chǎn)生的諧波。

在發(fā)電機(jī)發(fā)電的過程中，由于發(fā)電機(jī)內(nèi)部三項(xiàng)繞組的制作不能達(dá)到絕對意義上的對稱，所以在發(fā)電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生諧波。同時(shí)，發(fā)電機(jī)內(nèi)部鐵芯也不能達(dá)到絕對意義上的均勻一致，所以也會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)工作時(shí)諧波的出現(xiàn)。

3.1.2 配電網(wǎng)問題引起的諧波。

在配電網(wǎng)和輸電網(wǎng)中會(huì)有電力變壓器的存在，而電力變壓器在運(yùn)行的過程中會(huì)不可避免的產(chǎn)生諧波，導(dǎo)致配電網(wǎng)和輸電網(wǎng)在正常運(yùn)行的時(shí)候受到諧波的影響。

3.1.3 用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波。

由于用電設(shè)備中存在非線性負(fù)載，其在運(yùn)行的過程中就會(huì)產(chǎn)生諧波，導(dǎo)致正常用電受到影響。

3.2 諧波的危害

3.2.1 導(dǎo)致輸電和用電效率下降。

在電網(wǎng)運(yùn)行的過程中，部分原件受到諧波的影響會(huì)有附加損耗的產(chǎn)生，這樣就導(dǎo)致用電和輸電的效率不斷下降。

3.2.2 干擾和誤動(dòng)。

由于諧波的影響，電網(wǎng)中的自動(dòng)控制裝置和繼電保護(hù)裝置等會(huì)在運(yùn)行的過程中受到干擾，有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)誤動(dòng)的情況，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行。

3.2.3 影響電氣設(shè)備的安全。

在電網(wǎng)運(yùn)行的過程中，當(dāng)局部存在并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振的時(shí)候，諧波的性能會(huì)受到影響，其中最明顯的是諧波電流被嚴(yán)重放大，導(dǎo)致電網(wǎng)中的電氣設(shè)備不能安全運(yùn)行，情況嚴(yán)重的時(shí)候還會(huì)誘發(fā)安全事故。

3.2.4 導(dǎo)致電氣測量的計(jì)量誤差。

在存在諧波的情況下，電器測量儀表會(huì)因?yàn)橹C波的存在而不能正常工作，導(dǎo)致計(jì)量數(shù)據(jù)存在誤差，從而給相關(guān)的用電戶和供電企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失。

4、有源電力濾波器的應(yīng)用

①動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償。當(dāng)電網(wǎng)中存在諧波的時(shí)候，有源電力濾波器的應(yīng)用，能讓變化的無功功率和大小、頻率都發(fā)生的諧波得到功率的補(bǔ)償，并且能根據(jù)補(bǔ)償對象的實(shí)時(shí)情況在極短的時(shí)間內(nèi)完成補(bǔ)償。

②不會(huì)對系統(tǒng)阻抗產(chǎn)生影響。從實(shí)際情況來看，高阻抗電流源是有源濾波裝置的本質(zhì)，所以系統(tǒng)阻抗不會(huì)因?yàn)樗慕尤攵艿接绊?。所以對于有源濾波裝置而言，其能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；拖盗谢纳a(chǎn)。

③有源濾波裝置不會(huì)因?yàn)殡娋W(wǎng)結(jié)構(gòu)的變化而受到較大影響，不會(huì)與電網(wǎng)阻抗作用而產(chǎn)生諧波，并且還能有效抑制諧振的出現(xiàn)。

④能在沒有儲(chǔ)能元件的情況下完成對無功功率的補(bǔ)償，并且在對諧波進(jìn)行補(bǔ)償?shù)臅r(shí)候也不需要大的儲(chǔ)能元件。

⑤當(dāng)電網(wǎng)運(yùn)行過程中線路上的諧波電流急劇上升時(shí)，有源濾波器不會(huì)出現(xiàn)過載的現(xiàn)象，其正常功能將不會(huì)受到影響，所以不必將其與系統(tǒng)斷開。

⑥有源濾波裝置能夠有選擇性地進(jìn)行輸出，其中可以在不輸出基波無功功率的情況下完成對高次諧波電流的功率補(bǔ)償輸出。

5、結(jié)束語

隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，諧波對電網(wǎng)的污染將會(huì)越來越嚴(yán)重，這對我國工業(yè)用電設(shè)備帶來嚴(yán)重?fù)p害，從而影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行。同時(shí)，隨著人們對環(huán)保的重視程度不斷加深，綠色電網(wǎng)的概念也得到社會(huì)的廣泛認(rèn)同，諧波的治理將會(huì)成為提升電網(wǎng)綠色環(huán)保運(yùn)行質(zhì)量的必然手段。

參考文獻(xiàn)：

[1]李剛.新型并聯(lián)混合型有源電力濾波器關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].中南大學(xué)，2014.

[2] 劉聰.并聯(lián)型有源電力濾波器諧波抑制性能優(yōu)化技術(shù)研究[D].華中科技大學(xué)，2014.

[3] 楊靈芝.基于有源電力濾波器在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的諧波治理與應(yīng)用研究[D].西南交通大學(xué)，2015.