有源电力滤波器的要求及应用

有源电力滤波器通过电流互感器检测负载电流，并通过内部DSP计算，提取出负载电流中的谐波成分，然后通过PWM信号发送给内部IGBT，控制逆变器产生一个和负载谐波电流大小相等，方向相反的谐波电流注入到电网中，达到滤波的目的。

有源电力滤波器是现代化工业的主要副产品之一，随着工业现代化程度提高，谐波的问题日益严重。

这主要是现代化工业的用电方式发生了巨大的变化。

传统工业的主要电力负荷是电动机和电阻加热设备，这些设备是线性负载，不会产生谐波电流。

而现代化工业的主要电力负荷是电流变换器，包括变频器、中频炉、直流电机驱动器等，这些负荷都是非线性负载，工作时产生严重的谐波。

另一方面，大部分配电系统，包括变压器、开关柜、继电保护器、无功补偿柜等，都是按照线性负荷设计的。

当实际负荷为非线性负荷时，对配电系统造成严重的危害，轻则导致系统过热、不稳定，重则损坏配电设备。

解决这个问题的最好方法就是在非线性设备的电源输入端安装有源电力滤波器，将非线性负荷转变为线性负荷，谐波导致的各种问题便迎刃而解。

这种安装在设备的电源输入端的谐波滤波器就是设备级谐波滤波器。

有源电力滤波器的特殊要求
设备级有源电力滤波器与母线级谐波滤波器有不同的要求。

设备级有源电力滤波器与所配的设备一同构成一个完整的系统，谐波滤波器的作用是保证这个系统的谐波电流发射满足特定的标准，例如，GB17625标准。

因此，设备级有源电力滤波器要满足一下四个方面的要求：
1）不与系统发生不良作用：配装了谐波滤波器的设备可能在任何系统中使用，而任何情况下都不允许与系统之间发生不良的相互作用，例如与系统发生谐振，放大谐波电流。

2）不会导致超前的功率因数：设备配装了滤波器，功率因数要达到0.98以上，不允许出现过大的感性无功功率和容性无功功率；
3）滤波效果确定：滤波器与特定设备组合起来后，谐波电流发射必须是确定的，与系统的参数无关，这样才能确保设备安装了滤波器后，满足特定的要求；
4）不吸收上游谐波电流：配装了有源电力滤波器的设备可以应用在任何电网环境中，有些电网会有较大的谐波电压，设备级的谐波滤波器不允许吸收来自上游的谐波电流，否则，当上游谐波较大时，会导致滤波器过载。

将二极管箝位三电平技术应用于有源电力滤波器领域，国内外很多文献都有涉及，国内外许多专家学者对此都进行了比较深入的研究，也提出了很多新的算法。

但是，三电平有源电力滤波器始终没有从实验室走向市场。

究其原因，有可能是技术不够成熟，控制算法过于复杂，应用成本高，也可能是企业界对此不够重视，尚未认识到该技术的优势。

德州和能工业自动化有限公司通过对三电平技术的深入研究以及对市场趋势的正确把握，在业界首先推出了三电平有源电力滤波器产品。

三电平有源电力滤波器与传统两电平有源电力滤波器相比有以下优势：纹波电流和电流响应速度是矛盾的两个指标。

作为有源电力滤波器，其基本原理是检测负载谐波，注入反相谐波，以谐波的相互抵消达到滤波的目的。

一般的有源电力滤波器是一个电流模式控制的电压源逆变器。

输出电流是通过逆变器输出的电压作用在输出电感上产生的。

逆变器采用脉冲宽度调制，根据电工的基本原理，纹波电流决定于开关频率、直流母线电压、输出电感的大小，与电流环的控制无关。

开关频率越高纹波电流越小、直流母线电压越高，纹波电流越大；输出电感越大，纹波电流越小。

而逆变器期望的输出电流是由电流环所控制。

有源电力滤波器输出谐波电流，如果按基波50HZ，补偿50次谐波计算，最高谐波频率将达到2.5KHZ。

有源电力滤波器对电流响应速度有很高的要求。

电流响应速度与直流母线电压和输出电感大小有关。

直流母线电压越高，电流响应越快；输出电感越大，电流响应越慢。

我们期望输出纹波电流越小越好，电流响应速度越快越好，这是一对矛盾。

从上述分析可以看出，两电平有源电力滤波器解决这个矛盾的办法只能是提高开关频率。

现在某些厂家的两电平有源电力滤波器产品的开关频率已经达到20KHZ。

但是，开关频率的提高带来的是更高的开关损耗以及驱动损耗，有源电力滤波器的单机容量会受到限制，而对于更高电压等级的有源电力滤波器，高压的IGBT根本就不允许那么高的开关频率。

然而，三电平有源电力滤波器从原理上就是一个解决上述问题的方案。

三电平逆变
器可以输出正、负、零三种电压，在计算纹波电流时，只需按直流母线电压的一半计算。

由此，在相同开关频率、相同直流母线电压、相同纹波电流要求的前提下，三电平的输出电感为两电平的一半，同时器件的开关损耗和电感上的纹波损耗也会降低。

在计算电流响应速度时，起作用的将是全部直流母线电压，而输出电感的减半，将加快电流的响应速度，增强滤波效果，提高单机容量。

通常国内低压电网为400V，但是对于某些行业，其低压电网会比较高，例如石油钻机传动采用的是600V，矿山用电可能是690V或1140V，而某些行业的电压等级可能更加多样，但一般都是500V以上。

如何解决这些行业谐波治理需求，是一个问题。

通常为了提高电流响应速度、保证补偿效果，处理谐波的有源电力滤波器比处理基波的变频器或并网逆变器需要更高的直流母线电压。

通常两电平逆变器的直流母线电压是交流电网电压有效值的2倍。

对于380V应用，直流母线电压一般在700V～750V，而对于600V，直流母线电压需要达到1200V。

很多企业的做法是加一个变压器，将其他等级的电压变为400V。

通过谐波的变压器是经过特殊设计的，价格比较高，体积也比较大，变压的损耗也会比较大。

而采用三电平技术，可以用耐压较低的管子组成耐压较高的变流器系统，可以直接连接到电压较高的电网上，同时保证较好滤波效果和单机容量。

有源电力滤波器主要应用场合
1.变频设备的应用场合随着技术的进步，变频设备大量应用于各类场合，变频设备会产生大量的谐波，因此，这类场合是有源滤波器主要的目标市场之一。

2.不稳定负荷的应用场合不稳定负荷不是有源滤波器的主要市场，但它是电力系统一个极其重要的方面，因为不稳定的负荷虽然所占比例不大，但是它们对电力系统产生的影响却远远大于其它负荷所造成的影响，因此对于该类应用场合也应作为有源滤波器的主要市场方向之一。

3.钢铁厂的电弧炉、轧钢机等是主要的谐波发生设备，且主要是冲击性负荷，对钢铁厂附近的其它负荷有很大影响。

同时，谐波问题对钢铁厂无功补偿的影响很大，所以应以无功补偿和谐波治理同时处理作为目标。

4.有色冶金的负荷除电弧炉性质的负荷外，还由于采用直流湿法冶金而产生
大量的直流成分。

5.港口机械是大型的提升设备，一般都采用很大的变频器，因此是港口机械主要的谐波源，因此对于该类应用场合也应作为有源滤波器的市场方向之一。

6.电气化铁路一般使用直流电机拖动，因此是一个市政方面的主要谐波源。

根据现有上海、北京等地电气化铁路的运行情况，大多数系统都安装了滤波器。

预计本产品可以达到电气铁路滤波器国产化的作用。

7.高精度自动化生产线高精度自动化生产线本身不产生谐波，但是对于电能质量有很高的要求，因此需要在高精度自动化生产线的供电侧安装有源滤波器，以降低谐波对生产线的影响
8.办公大楼、大型商业区等节能灯和空调集中场所办公大楼、大型商业区等节能灯和空调集中场所的谐波情况也非常严重，治理方法宜采用集中治理方法，以节省成本。