有源滤波器

有源滤波器（Active Power Filter，简称APF）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿。[1]通过使用有源滤波器可以提高通信系统及配电系统的稳定性，延长通信设备及电力设备的使用寿命，并且使配电系统更符合谐波环境的设计规范。

基本概念

之所以称为有源，顾名思义该装置需要提供电源（用以补偿主电路的谐波），其应用可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点（传统的只能固定补偿），实现了动态跟踪补偿，而且可以既补谐波又补无功；三相电路瞬时无功功率理论是APF发展的主要基础理论；APF有并联型和串联型两种，前者用的多；并联有源滤波器主要是治理电流谐波，串联有源滤波器主要是治理电压谐波等引起的问题。有源滤波器同无源滤波器比较，治理效果好，主要可以同时滤除多次及高次谐波，不会引起谐振，但是价位相对高！

基本原理

有源电力滤波器，是采用现代电力电子技术和基于高速DSP器件的数字信号处理技术制成的新型电力谐波治理专用设备。它由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个主要部分组成。指令电流运算电路实时监视线路中的电流，并将模拟电流信号转换为数字信号，送入高速数字信号处理器（DSP）对信号进行处理，将谐波与基波分离，并以脉宽调制（PWM）信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲，驱动IGBT或IPM功率模块，生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，对谐波电流进行补偿或抵消，主动消除电力谐波。

技术优势绿色化

效率达97.2%，比效率为95%的有源滤波器年节约电能约6,500kwh

效率更高的拓扑增强型控制算法

基于精确模型的热设计和结构优化

小型化

体积仅为同类主流品牌1/6,占用更少空间，

活适应不同的工况安装创新，壁挂式或机架式安装使用更少的原材料,保护环境

智能化

补偿指定次数谐波可调感性、容性无功补偿补偿系统不平衡负载自动检测、抑制系统谐振全功能监控系统

模块化

N+1冗余，显着提高系统可靠性流水线生产，更出色质量保证减少系统单故障点灵活并联，适应不同工况

功能特性

同时滤除2~50次谐波，或选择2~50次内任意次数谐波进行补偿响应时间小于300μs

采用3DSP+CPLD全数字控制方式和国际知名品牌高速IGBT，闭环控制，精确滤除谐波

应用四相线技术，消除中性线电流

自动消除谐振，不受电网阻抗和系统阻抗变化影响具有补偿谐波；同时补偿谐波和无功；同时补偿谐波，无功和负载三相电流不平衡三种工作模式

电子式过负荷保护

逆变器控制具备了机器快速的FPGA，功率数字信号处理功能

模块化设计，易于扩展多机并联集中监控功能远程网络监控功能

维护方便，在符合要求的工作环境下工作，非机器故障无需维护

产品设计标准

国际标准

EN 50091-3, EN 61000-6-2, EN55011, EN 50178:1997, IEC 62040-3, IEC 50178:1997, AS 62040-3（VFI SS 111）, CISPR11

国家标准

GB/T14549-93 《电能质量：公用电网谐波》

GB/T15543-1995 《电能质量：三相电压允许不平衡度》

GB/T15945-1995 《电能质量：电力系统频率允许偏差》

GB/T12326-2000 《电能质量：电压波动和闪变》

GB/T12325-2003 《电能质量：供电电压允许偏差》

GB/T18481-2001 《电能质量：暂时过电压和瞬态过电压》

GB/T15576-2008 《低压成套无功功率补偿装置》

GB7625.11998 《低压电气电子产品发出的谐波电流限值》

GB 4208-2008《外壳防护等级(IP代码)》

电压输入范围

额定工作电压为380V，可承受-40%～+20%的电压波动，频率为50/60Hz,可承受+/-5%的频率波动，适应各种不同工况的电能质量环境。同时，如果电压波动超过上下限，机器自动闭锁输出，并发出告警。

自动限流

自动限定在额定容量范围内100%输出，如果负载侧谐波电流大于机器额定容量，机器会在额定容量内继续输出电流补偿谐波，不会发生过载导致自身超载或退出运行。

负载短路保护

可承受负载瞬间短路的冲击，在短路消除后重新启动。

并联独立控制

并联接入电网，不会因机器故障导致电网发生断电事故。多台YW-APF有源电力滤波器并联系统，如果一台因故障退出运行，剩余的机器仍能正常工作实现滤波功能。

三相电流独立控制

各相电流独立控制，单相注入电流，不受系统三相电流不平衡影响，中性线滤波能力为相线的三倍。

IP防护等级及防雷保护

IP保护等级为IP20；防雷保护能力为20kA。

监控系统

系统具备快速、完全的故障自检功能，包括市电欠压或过压、母线过压或过流、风扇故障、功率器件过温、输入保险丝熔断等各种故障自检，所有故障均通过LCD显示屏及LED运行状态灯发出告警信号，同时机器自动采取相对应的操作保护系统。监控系统在供电或断电情况下可保存500条故障记录，便于分析原因及排除故障。

设计方法

有源滤波器的设计方法，大致可归结为级联法和模拟法两大类。

级联法

根据技术指标要求，求出可以物理实现的转移函数(通常可由现成的有源滤波器资料和手册中查得)，并将它分解为低阶函数(主要是二阶函数)之积，将这些低阶函数分别用有源电路实现后再级联起来，就实现了原转移函数。实现低阶函数的电路通称为基本节，目前已有许多典型的二阶基本节电路供设计者选用。按基本节中使用放大器的数目可分为单放大器电路、双放大器电路、三放大器电路、四放大器电路，图1给出了几个基本节示例。级联法设计过程比较简单，电路特性调整容易，所实现的电路比较经济，是常用的方法。

模拟法

先设计出能满足技术指标要求的LC滤波器器作为设计原型，再用有源电路去模拟实现。这种方法又可分为元件模拟法和功能模拟法两类，并且多以双端终接电阻的LC梯型滤波器为原型。通常，模拟法比级联法需用更多元件。

(1)元件模拟法

用模拟电感(能实现电感特性的不含电感元件的有源电路)取代LC滤波器中的电感元件。现有浮地模拟电感电路的性能还不够好，用得较少。当LC滤波器中含有浮地电感时，常通过变换的方法来消除它。RLC-CRD变换是常用的一种。它是用因子K/s(s是复频率，K为实常数)使电路中每个元件的阻抗都增大K/s倍。这种变换不会改变原电路的传输特性，却使原电路中的R、L、C元件分别变成了C、R、D(频变负阻)元件。图2是一例子。

(2)功能模拟法先作出LC原型滤波器电路中各电压电流的信号流图，再用积分器、加法器、乘法器等有源电路来实现。

基本应用

谐波主要危害：

增加电力设施负荷，降低系统功率因数，降低发电、输电及用电设备的有效容量和效率，造成设备浪费、线路浪费和电能损失；

引起无功补偿电容器谐振和谐波电流放大，导致电容器组因过电流或过电压而损坏或无法投入运行；

产生脉动转矩致使电动机振动，影响产品质量和电机寿命；

由于涡流和集肤效应，使电机、变压器、输电线路等产生附加功率损耗而过热，浪费电能并加速绝缘老化；

谐波电压以正比于其峰值电压的形式增强了绝缘介质的电场强度，降低设备使用寿命；

零序（3的倍数次）谐波电流会导致三相四线系统的中线过载，并在三角形接法的变压器绕组内产生环流，使绕组电流超过额定值，严重时甚至引发事故。

谐波会改变保护继电器的动作特性，引起继电保护设施的误动作，造成继电保护等自动装置工作紊乱；

谐波变改变了电压或电流的变化率和峰值，延缓电弧熄灭，影响断路器的分断容量；

使计量仪表特别是感应式电能表产生计量误差；

干扰邻近的电力电子设备、工业控制设备和通讯设备，影响设备的正常运行。

谐波治理经济效益：

1、节能5%～8%

某IDC机房7台400KVAUPS不间断电源，08年电费支出约1500万元，治理谐波后年节约电费110万元，节能效果7.3%。

2、降容减少变压器、断路器、电缆投资

某工厂安装国电中自有源滤波器，退还一台变压器给供电局，节省100多万投资保护设备、减少设备投资；

河南某纸厂变频器产生的谐波每月烧毁两台风机，每月损失3万元。

3、提高生产率和保持连续供电

大庆腈纶厂治理谐波后日产量从197吨提高到210吨。

优缺点

优点：可动态滤除各次谐波，对系统内的谐波能够完全吸收；不会产生谐振。

缺点：造价太高；受硬件限制，在大容量场合无法使用:有源滤波容量单套不超过100KVA,目前最高适用电网电压不超过690V。

应用场合

萨顿斯有源电力滤波器可广泛应用于工业、商业和机关团体的配电网中，如：电力系统、电解电镀企业、水处理设备、石化企业、大型商场及办公大楼、精密电子企业、机场/港口的供电系统、医疗机构等。根据应用对象不同，HTAPF-I型有源电力滤波器的应用将起到保障供电可靠性、降低干扰、提高产品质量、增长设备寿命减少设备损坏等作用。

通信行业

为了满足大规模数据中心机房的运行需要，通信配电系统中的UPS使用容量在大幅上升。据调查，通信低压配电系统主要的谐波源设备为UPS、开关电源、变频空调等。其产生的谐波含量都较高，且这些谐波源设备的位移功率因数极高。

半导体行业

大多数半导体行业的3次谐波非常严重，主要是由于企业中使用了大量的单相整流设备。3次谐波属于零序谐波，具备在中性线汇集的特点，导致中性线压力过大，甚至出现打火现象，存在着极大的生产安全隐患。谐波还会造成断路器跳闸，耽误生产时间。3次谐波在变压器内形成环流，加速了变压器的老化。严重的谐波污染必然对配电系统中的设备使用效率和寿命造成影响。

石化行业

由于生产的需要，石化行业中存在着大量泵类负载，并且不少泵类负载都配有变频器。变频器的大量应用使石化行业配电系统中的谐波含量大大增加。目前绝大部分变频器整流环节都是应用6脉冲将交流转化为直流，因此产生的谐波以5次、7次、11次为主。其主要危害表现为对电力设备的危害及在计量方面的偏差。使用有源滤波器可以很好地解决这方面的问题。

化纤行业

为大幅提高熔化率、提高玻璃的熔化质量，以及延长炉龄、节省能源，在化纤行业常用到电助熔加热设备，借助电极把电直接送入燃料加热的玻璃池窑中。这些设备会产生大量的谐波，且三相谐波的频谱和幅值差别比较大。

钢铁/中频加热行业

钢铁业中常用到的中频炉、轧机、电弧炉等设备都会对电网的电能质量产生重大的影响，使电容补偿柜过载保护动作频繁、变压器和供电线路发热严重、熔断器频繁熔断等，甚至引起电压跌落、闪变。

汽车制造业

焊机是汽车制造业中不可少的设备，由于焊机具有随机性、快速性及冲击性的特点，使大量使用焊机造成严重的电能质量问题，造成焊接质量不稳、自动化程度高的机器人由于电压不稳而不能工作，无功补偿系统无法正常使用等情况。

直流电机谐波治理

大型直流电机场所都需要先通过整流设备将交流电转换为直流电，由于此类工程的负载容量都较大，因此在交流侧存在严重的谐波污染，造成电压畸变，严重时会引起事故。

自动化生产线和精密设备的使用

在自动化生产线和精密设备场合，谐波会影响到其正常使用，使智能控制系统、PLC系统等出现故障。

医院系统

医院对供电的连续性和可靠性有非常严格的要求，0类场所自动恢复供电时间T≤15S，1类场所自动恢复供电时间0.5S≤T≤15S， 2类场所自动恢复供电时间T≤0.5S，电压总谐波畸变率THDu≤3%，X光机、CT机、核磁共振都是谐波含量极高的负载。

剧场/体育馆

可控硅调光系统、大型LED设备等都是谐波源，在运行过程中会产生大量的三次谐波，不但造成配电系统的电力设备效率低下，而且还会造成灯光频闪，对通信、有线电视等微弱电回路产生杂音，甚至产生故障。

发展状况

随着电力电子技术和控制技术的进步，国产有源滤波器已经在各种重大项目上的代替的进口产品，仅2012年，国产有源滤波器产品的销售额已经超过进口品牌5倍之多，其中西安赛博、深圳盛弘、以及山大华天的销售额更是占据了国产中的半壁江山，并在超过5000A的项目中屡有斩获，于此同时，利思、双电、英那士等新兴厂家也在不断冲击着市场，有源电力滤波器APF以其巨大的技术优势、强大功能、逐渐下降的价格，必将最终取代传统无源型滤波器PF。

在APF的发展过程中，模块化的有源滤波设备以其体积小，安装方便，集成化程度高，工作稳定，扩容方便等优点慢慢取代了传统的柜式APF，在艾普瑞斯、深圳盛弘等模块化行业领头羊的带领下，国产品牌山大华天、西安赛博、上海双电也纷纷在2012年推出了模块化产品，进口品牌施耐德也与艾普瑞斯达成战略合作，拥有了模块化产品，在未来的5年中，模块化的有源滤波APF与静止无功发生器SVG的组合必将成为电能质量行业中最有力的解决方案，并被市场广泛的认可。

工作原理

有源滤波器是用电流互感器采集直流线路上的电流，经采样，将所得的电流信号进行谐波分离算法的处理，得到谐波参考信号，作为的调制信号，与三角波相比，从而得到开关信号，用此开关信号去控制单相桥，根据技术的原理，将上下桥臂的开关信号反接，就可得到与线上谐波信号大小相等、方向相反的谐波电流，将线上的谐波电流抵消掉。这是前馈控制部分。再将有源滤波器接入点后的线上电流的谐波分量反馈回来，作为调节器的输入，调整前馈控制的误差

技术参数

1.额定工作电压：380V/220V，50Hz

2.额定谐波补偿容量：50A/100A/150A/200A

3.整机功耗：小于容量的3%

4.抑制谐波效果：达到国标要求，稳态THD可降低至5%以下

5.额定绝缘电压：3000V AC，2500V DC

展望

有源滤波器的改进，一方面有赖于元器件及集成技术的进展，一方面也取决于电路结构和设计的创新。RC有源滤波器虽已能混合集成，但高质量RC有源滤波器的完全集成仍没解决。主要困难是不能在芯片上直接集成高精度的电阻和电容元件，且大电阻和大电容所占芯片面积太大。

开关电容滤波器为解决这一课题开辟了道路，实现了全集成化；但它属于离散时间模拟滤波器，且有工作频段低等问题有待改进。一种在集成滤波器中实现精确电阻的方案，是利用MOS管的线性（即非饱和）区特性充任模拟电阻，这是一种受栅极电压控制的压控电阻，故可用片外（即该芯片以外）的参考值，诸如晶体时钟或外部RC元件，配合片内控制电路来精确调整电路的时间常数。这是一种很有发展前景的方案。还有一种用跨导型运算放大器（OTA）和电容C组成的有源滤波器，也是很有希望的全集成方案。