有源濾波器在化纖行業(yè)的應(yīng)用與發(fā)展前景

唐行龍 王 祥

（1.江蘇奧神新材料有限公司，江蘇連云港 222000； 2.江蘇省紡織集團(tuán)總公司，江蘇南京 210012）

0 引言

某化纖企業(yè)引進(jìn)了國(guó)外先進(jìn)的粘度測(cè)量?jī)x器，但是在應(yīng)用過程中該儀器頻繁跳閘，不能正常使用，經(jīng)過設(shè)備本身各方面檢查不得其解，不得不更換更大負(fù)荷的空開，給設(shè)備運(yùn)行留下隱患，經(jīng)過不斷的努力測(cè)試，發(fā)現(xiàn)最終原因?yàn)殡娋W(wǎng)諧波造成，如FLUKE199測(cè)量實(shí)圖：每當(dāng)產(chǎn)生高次諧波段都會(huì)導(dǎo)致這臺(tái)精密儀器超出其斷路器要求導(dǎo)致跳閘。

由于化纖行業(yè)工藝越來(lái)越精細(xì)，對(duì)設(shè)備的控制要求也越來(lái)越高，往往在電網(wǎng)中加入大量產(chǎn)生諧波的設(shè)備，比如變頻器、UPS等等，隨著以微電腦為代表的大量敏感設(shè)備的普及應(yīng)用，人們對(duì)公用電網(wǎng)的供電質(zhì)量要求越來(lái)越高，對(duì)電網(wǎng)中的諧波含量及用電設(shè)備的功率因數(shù)提出了更嚴(yán)格的要求,因此我們?cè)谀承虏牧享?xiàng)目電網(wǎng)中率先采用有源濾波方式進(jìn)行補(bǔ)償，下面對(duì)有源濾波原理與傳統(tǒng)諧波抑制方式做一些對(duì)比，并淺談?dòng)性礊V波的發(fā)展與前景。

1 傳統(tǒng)抑制諧波的方法

傳統(tǒng)的諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償方法是無(wú)源濾波技術(shù)，即使用由電力電容器等無(wú)源器件構(gòu)成無(wú)源濾波器，該無(wú)源濾波器與需補(bǔ)償?shù)姆蔷€性負(fù)載并聯(lián)，為諧波提供一個(gè)低阻通路的同時(shí)也提供負(fù)載所需要的無(wú)功功率。雖然無(wú)源濾波器具有簡(jiǎn)單、方便的優(yōu)點(diǎn)，但它也存在如下缺點(diǎn)：

1.1 它的補(bǔ)償特性受電網(wǎng)及負(fù)載影響較大，其濾波效果依賴于電網(wǎng)和負(fù)載的參數(shù)，濾波特性較差；

1.2 給電網(wǎng)帶來(lái)一定隱患，可能發(fā)生電網(wǎng)與濾波器間的串、并聯(lián)諧振；

1.3 只能補(bǔ)償固定的無(wú)功功率,對(duì)變化的無(wú)功功率不能進(jìn)行精確的補(bǔ)償，不能對(duì)諧波和無(wú)功實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償；

1.4 所需儲(chǔ)能元件的體積大。

針對(duì)無(wú)源濾波技術(shù)的上述缺點(diǎn)，1976年，L·Gyugi提出用PWM逆變器構(gòu)成“電力有源濾波器”。有源濾波器(APF, Active Power Filter)有效地解決了無(wú)源濾波器的缺點(diǎn)。有源濾波器的補(bǔ)償特性受電網(wǎng)及負(fù)載影響很小，不但避免了與電網(wǎng)發(fā)生串、并聯(lián)諧振的危險(xiǎn)，同時(shí)還可抑制串并聯(lián)諧振的發(fā)生；實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，可以對(duì)頻率和大小都變化的諧波以及變化的無(wú)功功率進(jìn)行迅速的動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償；可以同時(shí)對(duì)諧波和無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，且補(bǔ)償無(wú)功的大小可做到連續(xù)調(diào)節(jié)，既可對(duì)一個(gè)諧波和無(wú)功源單獨(dú)補(bǔ)償，也可對(duì)多個(gè)諧波和無(wú)功源進(jìn)行綜合補(bǔ)償；有源濾波器補(bǔ)償無(wú)功功率時(shí)不需儲(chǔ)能元件，補(bǔ)償諧波時(shí)所需儲(chǔ)能元件容量不大。上世紀(jì)80年代以后，由于電力電子器件及其控制技術(shù)的發(fā)展，APF技術(shù)的發(fā)展逐步走向成熟，在國(guó)外已得到廣泛應(yīng)用。與無(wú)源濾波器相比，APF具有高度可控制和快速響應(yīng)特性，并且能跟蹤補(bǔ)償各次諧波、自動(dòng)產(chǎn)生所需變化的無(wú)功功率，其特性不受系統(tǒng)影響，無(wú)諧波放大危險(xiǎn)，相對(duì)體積重量較小等突出優(yōu)點(diǎn)，因而已成為電力諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹匾侄巍?/p>

2 有源濾波器的原理及其結(jié)構(gòu)

有源濾波器是由一組開關(guān)器件和無(wú)源儲(chǔ)能元件如電感和電容組成，其系統(tǒng)主要由指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路兩大部分組成。有源濾波器結(jié)構(gòu)如右上圖。

它的基本工作原理是：檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象的電流(或電壓)，經(jīng)過指令運(yùn)算電路得到補(bǔ)償電流的指令信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)控制器由補(bǔ)償電流發(fā)生電路獲得，補(bǔ)償電流 與負(fù)載中的諧波電流抵消，使電網(wǎng)的電流恢復(fù)為純正弦波形；同時(shí)，有源濾波器發(fā)出基波無(wú)功電流，進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。

3 有源濾波的應(yīng)用

單獨(dú)使用方式的并聯(lián)型有源濾波系統(tǒng)的構(gòu)成拓?fù)?。它是有源濾波器中最基本的形式，它可產(chǎn)生與負(fù)載諧波大小相等，方向相反的補(bǔ)償電流，從而將電源側(cè)電流補(bǔ)償為正弦波。并聯(lián)型有源濾波器主要用于感性電流源型負(fù)載的補(bǔ)償，它也是工業(yè)上已投入運(yùn)行最多的一種方案，但金無(wú)足赤。由于電源電壓直接加在逆變橋上，因此對(duì)開關(guān)元件的電壓等級(jí)要求高；負(fù)載諧波電流含量高時(shí)要求這種APF的容量必須很大，同時(shí)具備大的補(bǔ)償容量和寬的補(bǔ)償頻帶比較困難。因此在電網(wǎng)中常常采用并聯(lián)型APF與PF混合使用的方式共同承擔(dān)補(bǔ)償諧波的任務(wù)。如下圖：

PF主要補(bǔ)償較高次的諧波，是一個(gè)高通濾波器，它一方面用于消除補(bǔ)償電流中因主電路中器件通斷而引起的諧波，另一方面它可濾除補(bǔ)償對(duì)象中次數(shù)較高的諧波，從而可降低對(duì)APF主電路中器件開關(guān)頻率的要求。前圖為并聯(lián)型APF與PF串聯(lián)使用的結(jié)構(gòu)圖，該方式中，APF的用于改善PF的濾波特性，克服PF易受電網(wǎng)阻抗影響和易與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振缺點(diǎn)。而諧波和無(wú)功主要由PF補(bǔ)償，而在這種方式中，APF不承受交流電源的基波電壓，因此裝置容量比較小。并聯(lián)混合型有源電力濾波器具有安裝、維護(hù)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)， 可以直接在已有的無(wú)源濾波器上進(jìn)行改造， 因此并聯(lián)混合型電力有源濾波器的使用最為廣泛。

4 有源濾波器的發(fā)展趨勢(shì)

有源濾波器是改善供電質(zhì)量，凈化電網(wǎng)污染的一種有效裝置，自從上世紀(jì)70年代提出以來(lái)，有源濾波技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，越來(lái)越多的APF投入了運(yùn)行，無(wú)論從現(xiàn)實(shí)功能還是運(yùn)行功率上都有明顯進(jìn)步。目前，APF已經(jīng)運(yùn)用在提高電能質(zhì)量，解決三相電力系統(tǒng)中終端電壓調(diào)節(jié)，電壓波動(dòng)抑制，電壓平衡改善以及諧波消除和無(wú)功補(bǔ)償?shù)葐栴}上。提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，抑制閃變和補(bǔ)償無(wú)功。這樣既符合電力系統(tǒng)發(fā)展的需要，又從功能上降低了裝置的成本。

隨著我國(guó)電力事業(yè)的發(fā)展，電能質(zhì)量的要求將不斷提高，利用有源濾波進(jìn)行電能質(zhì)量治理有著巨大的市場(chǎng)潛力。特別在補(bǔ)償諧波、無(wú)功功率、中線電流、不平衡電流等方面，有源濾波技術(shù)必將擁有更加廣闊的前景。當(dāng)然隨著開關(guān)器件和DSP（數(shù)字信號(hào)處理單機(jī)片）芯片價(jià)格的下降，串-并聯(lián)電力有源濾波器也是很有發(fā)展前途的。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前電力有源濾波器的研究與應(yīng)用，國(guó)內(nèi)遠(yuǎn)落后于國(guó)外，除少數(shù)APF已投入工業(yè)試運(yùn)行外，其它大部分尚處于研制階段。但隨著我國(guó)對(duì)電網(wǎng)諧波污染治理日益重視，“綠色電力電子”的呼聲愈來(lái)愈高，電力有源濾波器必然會(huì)得到廣泛地推廣應(yīng)用。

[1] 王兆安，楊 君，劉進(jìn)軍等. 諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1998.

[2] 梁福興，劉 艷，鮑聰穎，武 磊，張修華.單相有源電力濾波器的仿真研究.