電氣自動化中有源濾波器的應用研究

歐陽乾贊

（廣東光達電氣股份有限公司，廣東 佛山 528329）

0 引 言

隨著時代的不斷進步，電力建設高速發展并取得了良好成就。但是，非線性負荷問題不斷加重，對電網產生了一定的沖擊，嚴重影響電網的相關質量。電力事業不斷發展，對供電質量提出了更高的要求。傳統無緣濾波技術已經不能滿足現代電氣自動化的發展要求，因此人們開始研制全新的濾波裝置，利用全新的功率器件形成全新的有源濾波技術裝置，從而更好地為電氣自動化服務。

1 有源濾波器的相關分析

1.1 有源濾波器概述

有源濾波器為一種應用于動態抑制諧波和補償無功的全新電子電力裝置，可以快速跟蹤不同頻率或者不同大小的諧波，也可以對其展開快速補償工作。相比于無源的LC濾波器，有源濾波器能夠被動吸收各種頻率的濾波，在可控制等方面比無源濾波器表現優秀。有源濾波器的性價比非常高，不僅可以對各個諧波和無功功率展開補償，還能夠有效抑制閃變，具有多樣化的功能。如果電氣自動化發生系統阻抗，有源濾波器的特性也不會受到影響，規避了與系統阻抗產生諧振的問題。有源濾波器還具備優良的自適應性，能夠有效應對變化中的諧波，對其展開快速跟蹤和補償[1]。

有源濾波器雖然比無源濾波器存在更多的技術優勢，但在整個電力系統中還不能徹底代替無源濾波器。目前，有源濾波器應用成本較高，推廣使用的難度較大。在時代的推動下，電氣自動化工業向著更好的方向前進，器件性能越來越好，使用成本逐漸降低，推動了有源濾波器在電氣自動化中的應用。

1.2 有源濾波器的理論基礎

在現階段的使用過程中，無源濾波器具有投資小、效率高的優勢，且結構簡單，便于維護。但是，在配電網應用中，無源濾波器的特性會受到電氣自動化系統參數的影響。應用過程中，它只可以消除特定的幾次諧波，而對于一些諧波會產生放大作用，甚至還會產生諧振問題。隨著科學技術的不斷發展，人們逐漸轉變濾波的研究方向，使無源濾波逐漸轉向有源濾波。有源濾波器可以利用可控的功率半導體器件，將與諧波源電流幅值相等和相位相反的電流注入電網，使電源的總諧波為零，最終達到實時補償諧波電流的目的。有源濾波器和無源濾波器相比，有源濾波器的治理效果更好，能夠同時濾除多次和高次諧波，且不會在應用過程中產生諧振，促進了電氣自動化的高效發展[2]。

2 有源濾波器的應用現狀

世界上一些工業發達國家，有源濾波器已經得到了廣泛應用，如歐美國家和亞洲的日本等。根據不同的應用場合，有源濾波器可以分成有源交流濾波器和有源直流濾波器兩大類。在HVDC系統中，換流器相關直流一側的電壓和電流產生的諧波是通過有源直流濾波器消除的。在整個交流電力系統中，不同的電壓等級之間運用的是有源交流濾波器。角度不同，有源濾波器的分類標準也不同。在應用過程中，有源濾波器的使用成本較高、損耗較大且容量有限。未來發展過程中，如果將有源濾波器和無源濾波器相結合形成混合形式的有源濾波器，將極大地提高電氣自動化的生產效率。

3 有源濾波器在電氣自動化中的應用

3.1 變頻設備的有效應用

我國科學技術不斷進步，大量變頻設備應用到了社會的不同場合。變頻的相關設備能夠產生大量諧波，因此有源濾波器廣泛應用于變頻設備[3]。

3.2 電氣化鐵路中的應用

電氣化鐵路中一般采用直流電機拖動，是市政方面的主要諧波源。根據我國一線城市如北京和上海等電氣化鐵路的相關運行情況，大部分電氣化鐵路系統都安裝了相應的有源濾波器。

3.3 不穩定負荷的相關應用

不穩定負荷并不是有源濾波器主要的應用市場，但它是電力系統非常重要的方面。因為不穩定負荷雖然在整個系統中所占的比重不大，但是對整個電力系統的影響大大超過了其他負荷所造成的影響。因此，不穩定負荷應成為有源濾波器的主要應用方向之一。

3.4 在節能燈和空調集中的地點應用

在辦公大樓和大型商業街區，相應的節能燈和空調比較集中，諧波情況非常嚴重。在展開治理的過程中，需要運用集中治理的有效手段，利用有源濾波器，不斷節約治理成本。

3.5 在高精度自動生產線中的應用

高精度自動生產線中，自動生產線本身不會產生諧波，但是其對電能質量有著高要求。因此，在自動生產過程中，需要在高精度自動化生產線的供電一側安裝相應的有源濾波器，以不斷降低諧波對生產線產生的影響，提高生產效率[4]。

4 有源濾波器在電氣自動化中的應用優勢

4.1 在低紋波電流和高電流響應速度中的優勢

有源濾波器的基本原理是檢測負載的諧波，然后注入反相諧波，用諧波相互抵消的形式達到濾波的目的。其中，逆變器運用的是脈沖寬度調制模式。依據相關電工的基本原理，開關的相關頻率、直流母線產生的電壓以及輸出電感的大小決定著紋波的電流，而且與電流環的控制沒有關系。相關電氣自動化系統的運行過程中，開關的頻率越高，紋波電流會呈現出越來越小的趨勢。直流母線的電壓越高，紋波電流呈現出正相關的發展趨勢，電流隨之加大，輸出電感越強，紋波的電流越小。而逆變器的期望輸出電流值由電流環控制。有源濾波器輸出的諧波電流如果按照基波50 Hz和相關補償50次諧波來劃分和計算，最高的諧波頻率能達到2.5 kHz。有源濾波器對電流的響應速度有著非常高的要求，其中電流的響應速度和直流母線的電壓、輸出的電感大小等有一定的關聯。如果直流母線的電壓升高，相應的電流響應也會越來越快。如果輸出的電感較大，那么電流的響應會隨之變慢。在電氣自動化生產過程中，輸出的紋波電流越小越好，而電流的響應速度越快越好，二者之間存在矛盾。為了利用有源濾波器解決這個矛盾，需要提高開關的使用頻率[5]。

研究過程中，三電平逆變器可以輸出正、負、零3種電壓。計算紋波電流的過程中，僅需要按照直流母線電壓的一半計算即可。因此，在同樣的開關頻率、同樣的直流母線電壓以及同樣的紋波電流前提條件下，三電平的輸出電感是兩電平的一半。同時，器件的開關損耗問題和電感的紋波損耗等也會隨之不斷降低。整體直流母線電壓在電流的響應速度計算中能夠起到非常大的作用，而電感輸出的減少會加大電流的響應速度，從而不斷加強濾波效果，提升單機容量。

4.2 提高電氣系統的耐壓性

我國的低壓電網為400 V。如果是一些特殊的行業或者是企業，那么低壓電網會更高一點。例如，石油鉆機采用的電網為600 V，礦山用電能夠達到690 V甚至1 140 V。不同行業的用電等級不同，多樣化現象較為顯著，需要多加關注諧波治理工作。一般情況下，為了不斷提升電流的響應速度，確保補償的效果，處理諧波的有源濾波器相比于處理基波的并網逆變器和變頻器等需要更高的直流母線電壓。很多時候，兩電平逆電器所產生的直流母線電壓是相關交流電網電壓有效值的2倍。如果在380 V中應用，直流母線的電壓需要在700～750 V。如果在600 V中應用，直流母線電壓需要達到1 200 V。很多電氣自動化生產企業一般會加裝一個變壓器，使其他等級的電壓能夠達到400 V。諧波變壓器經過了特殊設計，性價比非常高，且容量較大。運用三電平技術，能用耐壓較低的管子形成耐壓高的變流器系統，以直接應用于電壓高的電網上，以保障濾波的效果。

5 結 論

電氣自動化系統在運作過程中環境因素比較復雜，供電質量有待提升。有源濾波器在電氣自動化中的有效利用，能夠有效解決電氣自動化系統現存的問題。有源濾波器在未來的市場中有很大的應用潛能，相關人員需要加快研究進程。