有源滤波器在化纤行业的应用与发展前景

唐行龙 王 祥

（1.江苏奥神新材料有限公司，江苏连云港 222000； 2.江苏省纺织集团总公司，江苏南京 210012）

0 引言

某化纤企业引进了国外先进的粘度测量仪器，但是在应用过程中该仪器频繁跳闸，不能正常使用，经过设备本身各方面检查不得其解，不得不更换更大负荷的空开，给设备运行留下隐患，经过不断的努力测试，发现最终原因为电网谐波造成，如FLUKE199测量实图：每当产生高次谐波段都会导致这台精密仪器超出其断路器要求导致跳闸。

由于化纤行业工艺越来越精细，对设备的控制要求也越来越高，往往在电网中加入大量产生谐波的设备，比如变频器、UPS等等，随着以微电脑为代表的大量敏感设备的普及应用，人们对公用电网的供电质量要求越来越高，对电网中的谐波含量及用电设备的功率因数提出了更严格的要求,因此我们在某新材料项目电网中率先采用有源滤波方式进行补偿，下面对有源滤波原理与传统谐波抑制方式做一些对比，并浅谈有源滤波的发展与前景。

1 传统抑制谐波的方法

传统的谐波抑制和无功补偿方法是无源滤波技术，即使用由电力电容器等无源器件构成无源滤波器，该无源滤波器与需补偿的非线性负载并联，为谐波提供一个低阻通路的同时也提供负载所需要的无功功率。虽然无源滤波器具有简单、方便的优点，但它也存在如下缺点：

1.1 它的补偿特性受电网及负载影响较大，其滤波效果依赖于电网和负载的参数，滤波特性较差；

1.2 给电网带来一定隐患，可能发生电网与滤波器间的串、并联谐振；

1.3 只能补偿固定的无功功率,对变化的无功功率不能进行精确的补偿，不能对谐波和无功实现动态补偿；

1.4 所需储能元件的体积大。

针对无源滤波技术的上述缺点，1976年，L·Gyugi提出用PWM逆变器构成“电力有源滤波器”。有源滤波器(APF, Active Power Filter)有效地解决了无源滤波器的缺点。有源滤波器的补偿特性受电网及负载影响很小，不但避免了与电网发生串、并联谐振的危险，同时还可抑制串并联谐振的发生；实现了动态补偿，可以对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行迅速的动态跟踪补偿；可以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，既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源进行综合补偿；有源滤波器补偿无功功率时不需储能元件，补偿谐波时所需储能元件容量不大。上世纪80年代以后，由于电力电子器件及其控制技术的发展，APF技术的发展逐步走向成熟，在国外已得到广泛应用。与无源滤波器相比，APF具有高度可控制和快速响应特性，并且能跟踪补偿各次谐波、自动产生所需变化的无功功率，其特性不受系统影响，无谐波放大危险，相对体积重量较小等突出优点，因而已成为电力谐波抑制和无功补偿的重要手段。

2 有源滤波器的原理及其结构

有源滤波器是由一组开关器件和无源储能元件如电感和电容组成，其系统主要由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两大部分组成。有源滤波器结构如右上图。

它的基本工作原理是：检测补偿对象的电流(或电压)，经过指令运算电路得到补偿电流的指令信号。该信号经控制器由补偿电流发生电路获得，补偿电流 与负载中的谐波电流抵消，使电网的电流恢复为纯正弦波形；同时，有源滤波器发出基波无功电流，进行无功补偿。

3 有源滤波的应用

单独使用方式的并联型有源滤波系统的构成拓扑。它是有源滤波器中最基本的形式，它可产生与负载谐波大小相等，方向相反的补偿电流，从而将电源侧电流补偿为正弦波。并联型有源滤波器主要用于感性电流源型负载的补偿，它也是工业上已投入运行最多的一种方案，但金无足赤。由于电源电压直接加在逆变桥上，因此对开关元件的电压等级要求高；负载谐波电流含量高时要求这种APF的容量必须很大，同时具备大的补偿容量和宽的补偿频带比较困难。因此在电网中常常采用并联型APF与PF混合使用的方式共同承担补偿谐波的任务。如下图：

PF主要补偿较高次的谐波，是一个高通滤波器，它一方面用于消除补偿电流中因主电路中器件通断而引起的谐波，另一方面它可滤除补偿对象中次数较高的谐波，从而可降低对APF主电路中器件开关频率的要求。前图为并联型APF与PF串联使用的结构图，该方式中，APF的用于改善PF的滤波特性，克服PF易受电网阻抗影响和易与电网阻抗发生谐振缺点。而谐波和无功主要由PF补偿，而在这种方式中，APF不承受交流电源的基波电压，因此装置容量比较小。并联混合型有源电力滤波器具有安装、维护简单的优点， 可以直接在已有的无源滤波器上进行改造， 因此并联混合型电力有源滤波器的使用最为广泛。

4 有源滤波器的发展趋势

有源滤波器是改善供电质量，净化电网污染的一种有效装置，自从上世纪70年代提出以来，有源滤波技术得到了长足的发展，越来越多的APF投入了运行，无论从现实功能还是运行功率上都有明显进步。目前，APF已经运用在提高电能质量，解决三相电力系统中终端电压调节，电压波动抑制，电压平衡改善以及谐波消除和无功补偿等问题上。提高电力系统的稳定性，抑制闪变和补偿无功。这样既符合电力系统发展的需要，又从功能上降低了装置的成本。

随着我国电力事业的发展，电能质量的要求将不断提高，利用有源滤波进行电能质量治理有着巨大的市场潜力。特别在补偿谐波、无功功率、中线电流、不平衡电流等方面，有源滤波技术必将拥有更加广阔的前景。当然随着开关器件和DSP（数字信号处理单机片）芯片价格的下降，串-并联电力有源滤波器也是很有发展前途的。

5 结束语

目前电力有源滤波器的研究与应用，国内远落后于国外，除少数APF已投入工业试运行外，其它大部分尚处于研制阶段。但随着我国对电网谐波污染治理日益重视，“绿色电力电子”的呼声愈来愈高，电力有源滤波器必然会得到广泛地推广应用。

[1] 王兆安，杨 君，刘进军等. 谐波抑制和无功功率补偿.北京：机械工业出版社.1998.

[2] 梁福兴，刘 艳，鲍聪颖，武 磊，张修华.单相有源电力滤波器的仿真研究.