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【摘 要】近些年来，随着电力电子技术快速发展，非线性负荷的不断增加，公用电网中的高次谐波分量日益增多，理想电能质量变差，谐波污染已经成为现代电力系统需关注和解决的电能质量问题之一。该文介绍了APF有源滤波技术在电气自动化中的应用。
【关键词】有源滤波器；电气；影响
1 APF概述
有源电力滤波器（APF：Active power filter）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对不同大小和频率的谐波进行快速跟踪补偿，之所以称为有源，是相对于无源LC滤波器，只能被动吸收固定频率与大小的谐波而言，在可控性与响应性方面，APF要强于无源滤波器，它除了可以对各次谐波、无功进行补偿之外，还能对闪变起到抑制作用，集多项功能于一体，具有较强的性价比；系统阻抗对于滤波特性并无影响，避免与系统阻抗产生谐振；由于具备自适应性可对变化的谐波实行自动跟踪及补偿。
虽然与无源滤波器相比，APF具有明显的技术优势，但在电力系统中，无源滤波器现在还不太可能彻底被APF所取代。由于APF比无源滤波器的成本要高一些，在很大程度上阻碍了APF应用的推广。随着电力电子工业的不断发展，器件的性能将会越来越好，而成本也会越来越低，APF的应用也一定会越来越广泛
2理论基础
虽然无源滤波器具有投资少、效率高、结构简单及维护方便等优点，在现阶段广泛用于配电网中，但由于滤波器特性受系统参数影响大，只能消除特定的几次谐波，而对某些次谐波会产生放大作用，甚至谐振现象等因素，随着电力电子技术的发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器（Active PowerFliter，缩写为APF）。APF即利用可控的功率半导体器件向电网注入与谐波源电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。有源滤波器同无源滤波器比较，治理效果好，主要可以同时滤除多次及高次谐波，不会引起谐振，国家相关部门也要求以变压器升压的形式和有源滤波器结合，治理高压谐波！
3有源滤波技术应用研究现状
在个别工业较为发达的国家，有源滤波技术的应用已十分广泛，如美国和日本等。按照不同的应用场合，可将有源滤波器分为两类，即有源直流滤波器与有源交流滤波器。HVDC系统中的换流器直流侧的电压与电流谐波就由有源直流滤波器进行消除；交流电力系统中不同电压等级所采用的即是有源交流滤波器，即所谓的APF。角度不同，APF的分类标准也有所区别。
因为APF具备成本高、损耗大、容量有限等缺点，若能将有源滤波器和无源滤波器两者结合在一起以形成混合型有源滤波器，必然会达到理想的效果。然而，由于器件的性价比将来一定会提高，那么被串—并联有源滤波器取代将是趋势。
4滤波器应用场合
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.电气化铁路 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。
4.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。
5.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。
优势
（1）低纹波电流，高电流响应速度
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。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。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。
（2）提高系统耐压，应用于较高电压系统
通常国内低压电网为400V，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。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。
5 小结
电气自动化系统在复杂的非线性因素和牵引力负荷影响下，系统耗损较大，供电质量不高，有源滤波技术相对于国外水平还处在研究试验阶段，工业应用上投入运行优势还不是很明显，这与我国目前谐波污染日益严重的状况很不适应。随着我国电能质量治理工作的深入开展，利用APF进行谐波治理将会具有巨大的市场应用潜力，有源滤波技术必将得到更为广泛的应用。
参考文献：
[1]胡铭，陈珩. 有源滤波技术及其应用[J]. 电力系统自动化，2000，03：66-70.
[2]顾建军，徐殿国，刘汉奎，公茂忠. 有源滤波技术现状及其发展[J]. 电机与控制学报，2003，02：126-132.
[3]肖丽平，童朝南. 有源滤波技术在电能质量调节中的应用[J]. 电气应用，2011，24：72-75.
[4]程全红. 有源滤波技术及工程应用[J]. 工程建设与设计，2009，07：59-61.
【关键词】有源滤波器；电气；影响
1 APF概述
有源电力滤波器（APF：Active power filter）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对不同大小和频率的谐波进行快速跟踪补偿，之所以称为有源，是相对于无源LC滤波器，只能被动吸收固定频率与大小的谐波而言，在可控性与响应性方面，APF要强于无源滤波器，它除了可以对各次谐波、无功进行补偿之外，还能对闪变起到抑制作用，集多项功能于一体，具有较强的性价比；系统阻抗对于滤波特性并无影响，避免与系统阻抗产生谐振；由于具备自适应性可对变化的谐波实行自动跟踪及补偿。
虽然与无源滤波器相比，APF具有明显的技术优势，但在电力系统中，无源滤波器现在还不太可能彻底被APF所取代。由于APF比无源滤波器的成本要高一些，在很大程度上阻碍了APF应用的推广。随着电力电子工业的不断发展，器件的性能将会越来越好，而成本也会越来越低，APF的应用也一定会越来越广泛
2理论基础
虽然无源滤波器具有投资少、效率高、结构简单及维护方便等优点，在现阶段广泛用于配电网中，但由于滤波器特性受系统参数影响大，只能消除特定的几次谐波，而对某些次谐波会产生放大作用，甚至谐振现象等因素，随着电力电子技术的发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器（Active PowerFliter，缩写为APF）。APF即利用可控的功率半导体器件向电网注入与谐波源电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。有源滤波器同无源滤波器比较，治理效果好，主要可以同时滤除多次及高次谐波，不会引起谐振，国家相关部门也要求以变压器升压的形式和有源滤波器结合，治理高压谐波！
3有源滤波技术应用研究现状
在个别工业较为发达的国家，有源滤波技术的应用已十分广泛，如美国和日本等。按照不同的应用场合，可将有源滤波器分为两类，即有源直流滤波器与有源交流滤波器。HVDC系统中的换流器直流侧的电压与电流谐波就由有源直流滤波器进行消除；交流电力系统中不同电压等级所采用的即是有源交流滤波器，即所谓的APF。角度不同，APF的分类标准也有所区别。
因为APF具备成本高、损耗大、容量有限等缺点，若能将有源滤波器和无源滤波器两者结合在一起以形成混合型有源滤波器，必然会达到理想的效果。然而，由于器件的性价比将来一定会提高，那么被串—并联有源滤波器取代将是趋势。
4滤波器应用场合
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.电气化铁路 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。
4.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。
5.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。
优势
（1）低纹波电流，高电流响应速度
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。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。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。
（2）提高系统耐压，应用于较高电压系统
通常国内低压电网为400V，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。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。
5 小结
电气自动化系统在复杂的非线性因素和牵引力负荷影响下，系统耗损较大，供电质量不高，有源滤波技术相对于国外水平还处在研究试验阶段，工业应用上投入运行优势还不是很明显，这与我国目前谐波污染日益严重的状况很不适应。随着我国电能质量治理工作的深入开展，利用APF进行谐波治理将会具有巨大的市场应用潜力，有源滤波技术必将得到更为广泛的应用。
参考文献：
[1]胡铭，陈珩. 有源滤波技术及其应用[J]. 电力系统自动化，2000，03：66-70.
[2]顾建军，徐殿国，刘汉奎，公茂忠. 有源滤波技术现状及其发展[J]. 电机与控制学报，2003，02：126-132.
[3]肖丽平，童朝南. 有源滤波技术在电能质量调节中的应用[J]. 电气应用，2011，24：72-75.
[4]程全红. 有源滤波技术及工程应用[J]. 工程建设与设计，2009，07：59-61.