有源電力濾波器（APF）在諧波治理中應用

段科威

摘要：三相電路瞬時無功功率理論是APF發展的主要APF;APF有并聯型和串聯型兩種，前者用的多;并聯有源濾波器主要是治理電流諧波，串聯有源濾波器主要是治理電壓諧波等引起的問題。本文作者研究了有源電力濾波器（APF）在諧波治理中應用。

關鍵詞：有源電力濾波器;諧波治理;應用

0、引言

有源電力濾波器（APF：Active power filter）是一種用于動態抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能夠對不同大小和頻率的諧波進行快速跟蹤補償，之所以稱為有源，是相對于無源LC濾波器，只能被動吸收固定頻率與大小的諧波而言，APF可以通過采樣負載電流并進行各次諧波和無功的分離，控制并主動輸出電流的大小、頻率和相位，并且快速響應，抵消負載中相應電流，實現了動態跟蹤補償，而且可以既補諧波又補無功和不平衡。

1、有源電力濾波器的工作原理

有源電力濾波器（Active Power Filter，簡稱APF）是一種用于動態抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能夠對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償。可以同時濾除多次及高次諧波，濾除率高達95%以上，且不會引起諧振。

有源濾波器APF通過外部電流互感器CT?，實時檢測負載電流，并通過內部DSP計算，提取出負載電流的諧波成分。然后通過PWM信號發送給內部IGBT，控制逆變器產生一個和負載諧波大小相等、方向相反的電流注入到電網中補償諧波電流，實現濾波功能。APF的內部框架圖如圖1所示。

2、有源濾波和諧波治理的關系

對供電系統中周期性非正弦電量進行傅里葉級數分解，除了得到與電網基波頻率相同的分量，還得到一系列電網基波頻率的分量，這部分電量稱為諧波。它實際上是一種干擾量，使電網受到“污染”。向供用電網注入諧波電量或在公用電網上產生諧波電壓的電氣設備稱為諧波源。

在一些工業和商業的電力供應系統中，在額定負荷范圍內，有時發生補償電容器或熔斷器頻繁發熱燒毀、一些測控元件或控制保護設備產生異常誤差或誤動作、負荷開關失控、生產工藝或產品質量不穩定等原因莫名故障或事故，其實這些問題的最大的起因就是諧波的存在。

在供用電系統中，越來越多的負荷設備具有非線性和時變特性，它們作為諧波源向電網中注入諧波，嚴重影響供電網電能質量，冶金行業的電解、電鍍、中頻爐、電弧爐、電石爐;汽車船舶機械加工行業的焊接機、起重機、沖床，礦山油田等能源行業的升降機、抽油機;交通運輸行業的吊車、電氣化鐵路，化工造紙行業的整流變頻電機以及廣泛應用于會展場館、小區、寫字樓的變頻空調，這些都屬于產生諧波的非線性負載，當一個系統非線性負荷相當于變壓器額定容量的百分比超過15%，諧波的影響就會明顯存在。

3 諧波產生的原因及其危害

3.1 諧波產生的原因

3.1.1 因發電源質量問題產生的諧波。

在發電機發電的過程中，由于發電機內部三項繞組的制作不能達到絕對意義上的對稱，所以在發電機的實際運行中會產生諧波。同時，發電機內部鐵芯也不能達到絕對意義上的均勻一致，所以也會導致發電機工作時諧波的出現。

3.1.2 配電網問題引起的諧波。

在配電網和輸電網中會有電力變壓器的存在，而電力變壓器在運行的過程中會不可避免的產生諧波，導致配電網和輸電網在正常運行的時候受到諧波的影響。

3.1.3 用電設備產生的諧波。

由于用電設備中存在非線性負載，其在運行的過程中就會產生諧波，導致正常用電受到影響。

3.2 諧波的危害

3.2.1 導致輸電和用電效率下降。

在電網運行的過程中，部分原件受到諧波的影響會有附加損耗的產生，這樣就導致用電和輸電的效率不斷下降。

3.2.2 干擾和誤動。

由于諧波的影響，電網中的自動控制裝置和繼電保護裝置等會在運行的過程中受到干擾，有時甚至會出現誤動的情況，嚴重影響電網的正常運行。

3.2.3 影響電氣設備的安全。

在電網運行的過程中，當局部存在并聯諧振或串聯諧振的時候，諧波的性能會受到影響，其中最明顯的是諧波電流被嚴重放大，導致電網中的電氣設備不能安全運行，情況嚴重的時候還會誘發安全事故。

3.2.4 導致電氣測量的計量誤差。

在存在諧波的情況下，電器測量儀表會因為諧波的存在而不能正常工作，導致計量數據存在誤差，從而給相關的用電戶和供電企業造成經濟損失。

4、有源電力濾波器的應用

①動態的補償。當電網中存在諧波的時候，有源電力濾波器的應用，能讓變化的無功功率和大小、頻率都發生的諧波得到功率的補償，并且能根據補償對象的實時情況在極短的時間內完成補償。

②不會對系統阻抗產生影響。從實際情況來看，高阻抗電流源是有源濾波裝置的本質，所以系統阻抗不會因為它的接入而受到影響。所以對于有源濾波裝置而言，其能夠實現規模化和系列化的生產。

③有源濾波裝置不會因為電網結構的變化而受到較大影響，不會與電網阻抗作用而產生諧波，并且還能有效抑制諧振的出現。

④能在沒有儲能元件的情況下完成對無功功率的補償，并且在對諧波進行補償的時候也不需要大的儲能元件。

⑤當電網運行過程中線路上的諧波電流急劇上升時，有源濾波器不會出現過載的現象，其正常功能將不會受到影響，所以不必將其與系統斷開。

⑥有源濾波裝置能夠有選擇性地進行輸出，其中可以在不輸出基波無功功率的情況下完成對高次諧波電流的功率補償輸出。

5、結束語

隨著我國工業的不斷發展，諧波對電網的污染將會越來越嚴重，這對我國工業用電設備帶來嚴重損害，從而影響電網的安全運行。同時，隨著人們對環保的重視程度不斷加深，綠色電網的概念也得到社會的廣泛認同，諧波的治理將會成為提升電網綠色環保運行質量的必然手段。

參考文獻：

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