簡析有源濾波器和主動前端整流單元（AFE）在諧波失真方面的區別

魯恩瓊

哈爾濱電氣集團阿城繼電器有限責任公司

簡析有源濾波器和主動前端整流單元（AFE）在諧波失真方面的區別

魯恩瓊

哈爾濱電氣集團阿城繼電器有限責任公司

簡述諧波對電網質量的影響，介紹幾種解決諧波失真的方案，對有源濾波器和主動前端整流單元（AFE）在使用效果和實用性方面進行了比較。

諧波；有源濾波器；主動前端整流單元（AFE）

1 諧波

諧波是指正常電流波形的一種失真，一般是由非線性負載引起的。開關模式電源(SMPS)、調速電機及驅動器等都屬于非線性負載。

變頻驅動器的整流過程是把市電交流電壓轉換為穩定直流電。這會產生高振幅短脈沖電流，造成電流和電壓波形嚴重失真—諧波失真，一般按總諧波失真(THD)衡量。該失真向后傳播回電源系統，將影響連接在同一電源上的其他設備。

多數電力系統可以容忍一定程度的諧波電流，但當諧波在總負載中所占比例較為明顯時就會出現問題。隨著這些頻率較高的電流流經電力系統，它們會造成通信錯誤、過熱和硬件受損等問題。

在過去幾十年中，有很多種解決變頻器導致諧波失真的方案。主動前端整流單元，諧波減緩式變壓器、有源濾波器或無源濾波器，這些方法都可以維持電能質量。當然，所有的這些方法也會增加額外的成本。

下面我們將對有主動前端整流單元和有源濾波器進行比較，這些都是降低諧波失真有效的方法。簡單介紹一下這兩個不同的方案是如何幫助設備解決諧波畸形的。

2 主動前端整流單元（AFE）

在常規變速傳動中，整流是通過二極管控制的。AFE是一個帶有IGBT的主動控制整流器，這個主動整流器能有效的消除變頻器產生的諧波。下面的圖1中可以看出，一個AFE系統由主動整流器、直流儲能和逆變器組成。由于是串聯安裝，主動前端整流器需要通過負載的全部功率。除了進行諧波補償，主動前端整流單元還具有在制動過程中將電能回饋到網測的能力。AFE通常具有非常低的電流畸形（小于5%THD）和高功率因數。回饋制動能量在應用中非常的有用。

圖1 AFE系統結構圖

為了使AFE更輕更緊湊，有源整流電路的開關頻率是比較低的。然而，這種較低的開關頻率會產生較高的開關紋波，可以高達50次諧波，；這些高次諧波會對一些設備的性能產生負面影響。為了減輕這些問題，開關頻率必須增加。然而，這會使AFE變得更大和更昂貴。相比傳統的6脈沖驅動的整流器，主動整流單元也提高了DC總線的電壓。這個電壓在電機側產生了更高的紋波，這時，需要一個DV/DT濾波器來保護電機或負載。

3 有源濾波器

有源電力濾波器，是采用現代電力電子技術和基于高速DSP器件的數字信號處理技術制成的新型電力諧波治理專用設備。它由指令電流運算電路和補償電流發生電路兩個主要部分組成。指令電流運算電路實時監視線路中的電流，并將模擬電流信號轉換為數字信號，送入高速數字信號處理器（DSP）對信號進行處理，將諧波與基波分離，并以脈寬調制（PWM）信號形式向補償電流發生電路送出驅動脈沖，驅動IGBT或IPM功率模塊，生成與電網諧波電流幅值相等、極性相反的補償電流注入電網，對諧波電流進行補償或抵消，主動消除電力諧波。

圖2 有源濾波器工作結構圖

多個有源諧波濾波器可以并行安裝。即使存在電壓不平衡，他們也可以正常工作。有源諧波濾波器應用在一個驅動應用中比較昂貴，但一個過濾器，用于校正多個負載時是更有成本效益的解決方案。

4 綜合比較

4.1 主動前端整流單元（AFE）的優點：如果應用在大的、單一的驅動器中，AFE可以節省一些成本；加強了變頻器的輸入保護和對半導體的保護；不需要會造成嚴重損耗的阻尼電抗器,因此它在主電源電壓嚴重失真的情況下特別可靠；主動前端整流單元系統中，變壓器損耗以及連線和開關裝置都得以減少；主電源電壓可下降達40%而不中斷運行；主動前端整流單元可以使電網功率因數高達0.99；在制動時向電網中回饋能量，AFE能有效的降低成本。

4.2 有源濾波器的優點：如果一個有源諧波濾波器規格滿足要求，能保證THD小于5%，變頻器就不會有什么危害或問題；增加濾波器時，安裝方便，不需要太大的返工，而AFE系統增加容量需要完全更換每個驅動器；由于有源濾波器有更高的開關頻率，它的開關紋波比AFE明顯要少很多；有源諧波濾波器如果大小合適，可以校正功率因數和平衡曲線，也可以糾正設備的諧波失真；有源濾波器可以與開關電器集成在一起，這大大節省了空間和成本；和AFE相比有源濾波器耗費的電力和冷卻成本比較低，增加了用電效率；維修、維護和更換更快也更簡單。

5 總結

諧波電流對配電系統極其饋電的設施具有重大影響。在規劃系統擴建或改造時一定要考慮諧波的影響。上面兩個系統在減少諧波失真方面都是有效的方法，往往根據個別設備的情況來決定應用哪一個系統。有時候單個大的變頻器選擇AFE在成本方面更有優勢，如果設備應用多個變頻器，那么選擇有源諧波濾波器就更便宜。

[1]羅安.電網諧波治理和無功補償技術及設備[M]北京：中國電力出版社，2006.

魯恩瓊（1987-），2010年畢業于東北石油大學自動化專業，助理工程師，研究方向：發電，整流，逆變。