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(fā)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(wǎng)產(chǎn)生了一定的沖擊，嚴重影響電網(wǎng)的相關質量。電力事業(yè)不斷發(fā)展，對供電質量提出了更高的要求。傳統(tǒng)無緣濾波技術已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代電氣自動化的發(fā)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(tài)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(xiàn)優(yōu)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(fā)生系統(tǒng)阻抗，有源濾波器的特性也不會受到影響，規(guī)避了與系統(tǒng)阻抗產(chǎn)生諧振的問題。有源濾波器還具備優(yōu)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(yōu)勢，但在整個電力系統(tǒng)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(yè)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(xiàn)階段的使用過程中，無源濾波器具有投資小、效率高的優(yōu)勢，且結構簡單，便于維護。但是，在配電網(wǎng)應用中，無源濾波器的特性會受到電氣自動化系統(tǒng)參數(shù)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(chǎn)生放大作用，甚至還會產(chǎn)生諧振問題。隨著科學技術的不斷發(fā)展，人們逐漸轉變?yōu)V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(wǎng)，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(chǎn)生諧振，促進了電氣自動化的高效發(fā)展[2]。

2 有源濾波器的應用現(xiàn)狀

世界上一些工業(yè)發(fā)達國家，有源濾波器已經(jīng)得到了廣泛應用，如歐美國家和亞洲的日本等。根據(jù)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(tǒng)中，換流器相關直流一側的電壓和電流產(chǎn)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(tǒng)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(fā)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(chǎn)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(chǎn)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(jù)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(tǒng)都安裝了相應的有源濾波器。

3.3 不穩(wěn)定負荷的相關應用

不穩(wěn)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(tǒng)非常重要的方面。因為不穩(wěn)定負荷雖然在整個系統(tǒng)中所占的比重不大，但是對整個電力系統(tǒng)的影響大大超過了其他負荷所造成的影響。因此，不穩(wěn)定負荷應成為有源濾波器的主要應用方向之一。

3.4 在節(jié)能燈和空調集中的地點應用

在辦公大樓和大型商業(yè)街區(qū)，相應的節(jié)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(jié)約治理成本。

3.5 在高精度自動生產(chǎn)線中的應用

高精度自動生產(chǎn)線中，自動生產(chǎn)線本身不會產(chǎn)生諧波，但是其對電能質量有著高要求。因此，在自動生產(chǎn)過程中，需要在高精度自動化生產(chǎn)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(chǎn)線產(chǎn)生的影響，提高生產(chǎn)效率[4]。

4 有源濾波器在電氣自動化中的應用優(yōu)勢

4.1 在低紋波電流和高電流響應速度中的優(yōu)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(jù)相關電工的基本原理，開關的相關頻率、直流母線產(chǎn)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(huán)的控制沒有關系。相關電氣自動化系統(tǒng)的運行過程中，開關的頻率越高，紋波電流會呈現(xiàn)出越來越小的趨勢。直流母線的電壓越高，紋波電流呈現(xiàn)出正相關的發(fā)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(huán)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(lián)。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(chǎn)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(tǒng)的耐壓性

我國的低壓電網(wǎng)為400 V。如果是一些特殊的行業(yè)或者是企業(yè)，那么低壓電網(wǎng)會更高一點。例如，石油鉆機采用的電網(wǎng)為600 V，礦山用電能夠達到690 V甚至1 140 V。不同行業(yè)的用電等級不同，多樣化現(xiàn)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?shù)男Ч?，處理諧波的有源濾波器相比于處理基波的并網(wǎng)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(chǎn)生的直流母線電壓是相關交流電網(wǎng)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(chǎn)企業(yè)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(jīng)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(tǒng)，以直接應用于電壓高的電網(wǎng)上，以保障濾波的效果。

5 結 論

電氣自動化系統(tǒng)在運作過程中環(huán)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(tǒng)現(xiàn)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。