在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，隨著電力電子設備的廣泛應用，諧波問題日益突出，嚴重影響電能質量。有源濾波器作為一種先進的電力諧波治理設備，應運而生，在保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行方面發(fā)揮著重要作用。
一、基本概念
有源濾波器（Active Power Filter，簡稱 APF），是采用現(xiàn)代電力電子技術和基于高速 DSP 器件的數(shù)字信號處理技術制成的新型電力諧波治理專用設備。三相電路瞬時無功功率理論是 APF 發(fā)展的主要基礎理論。它主要分為并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種，其中并聯(lián)型更為常用。并聯(lián)有源濾波器主要用于治理電流諧波，而串聯(lián)有源濾波器主要針對電壓諧波等引起的問題。與傳統(tǒng)的無源濾波器相比，有源濾波器治理效果更佳，能夠同時濾除多次及高次諧波，且不會引發(fā)諧振，但其價格相對較高。
二、工作原理
有源濾波器系統(tǒng)主要由電流檢測電路和控制電路兩大部分構成。其工作原理是實時監(jiān)測線路中的電流，指令電流運算電路將模擬電流信號轉換為數(shù)字信號，送入高速數(shù)字信號處理器（DSP）進行處理，將諧波與基波分離。之后，以脈寬調制（PWM）信號形式向補償電流發(fā)生電路送出驅動脈沖，驅動 IGBT 或 IPM 功率模塊，生成與電網諧波電流幅值相等、極性相反的補償電流注入電網，從而對諧波電流進行補償或抵消，主動消除電力諧波。
三、技術優(yōu)勢
綠色化：效率高達 97.2%，相較于效率為 95% 的有源濾波器，每年可節(jié)約電能約 6500kWh。同時，采用效率更高的拓撲增強型控制算法，基于精確模型進行熱設計和結構優(yōu)化，在提升性能的同時，實現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保。
小型化：體積僅為同類主流品牌的 1/6，占用空間更少，能夠靈活適應不同的工況安裝需求。無論是壁掛式還是機架式安裝，都極大地節(jié)省了空間，并且使用更少的原材料，有助于保護環(huán)境。
智能化：具備補償指定次數(shù)諧波的功能，可進行可調感性、容性無功補償，還能補償系統(tǒng)不平衡負載。能夠自動檢測并抑制系統(tǒng)諧振，配備全功能監(jiān)控系統(tǒng)，實時掌握設備運行狀態(tài)，實現(xiàn)智能化管理。
模塊化：采用 N + 1 冗余設計，顯著提高了系統(tǒng)可靠性。通過流水線生產，保證了出色的產品質量，減少了系統(tǒng)單故障點。還能靈活并聯(lián)，適應不同的工況，滿足多樣化的應用需求。
四、功能特性
強大的諧波濾除能力：能夠同時濾除 2~50 次諧波，也可選擇 2~50 次內任意次數(shù)諧波進行補償，響應時間小于 300μs，能夠快速有效地對諧波進行治理。
先進的控制方式：采用 3DSP + CPLD 全數(shù)字控制方式和國際知名品牌高速 IGBT，通過閉環(huán)控制，精確濾除諧波，保證了濾波效果的穩(wěn)定性和準確性。
四相線技術應用：應用四相線技術，能夠有效消除中性線電流，解決了三相四線系統(tǒng)中中性線電流過大的問題。
自動消除諧振：不受電網阻抗和系統(tǒng)阻抗變化影響，能夠自動消除諧振，保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
多種工作模式：具有補償諧波、同時補償諧波和無功、同時補償諧波、無功和負載三相電流不平衡三種工作模式，可根據實際需求靈活選擇。
完善的保護功能：具備電子式過負荷保護功能，逆變器控制具備快速的 FPGA 和功率數(shù)字信號處理功能。同時，擁有完善的監(jiān)控系統(tǒng)，在供電或斷電情況下可保存 500 條故障記錄，便于分析原因及排除故障。此外，還具有自動限流、負載短路保護等功能，確保設備自身和電力系統(tǒng)的安全。
五、設計方法
有源濾波器的設計方法大致可歸結為級聯(lián)法和模擬法兩大類。
級聯(lián)法：根據技術指標要求，求出可物理實現(xiàn)的轉移函數(shù)（通?？蓮默F(xiàn)成的有源濾波器資料和手冊中查得），并將其分解為低階函數(shù)（主要是二階函數(shù)）之積。將這些低階函數(shù)分別用有源電路實現(xiàn)后再級聯(lián)起來，即可實現(xiàn)原轉移函數(shù)。實現(xiàn)低階函數(shù)的電路通稱為基本節(jié)，目前已有許多典型的二階基本節(jié)電路供設計者選用。按基本節(jié)中使用放大器的數(shù)目可分為單放大器電路、雙放大器電路、三放大器電路、四放大器電路。級聯(lián)法設計過程相對簡單，電路特性調整容易，所實現(xiàn)的電路較為經濟，是常用的設計方法。
模擬法：先設計出能滿足技術指標要求的 LC 濾波器作為設計原型，再用有源電路去模擬實現(xiàn)。這種方法又可分為元件模擬法和功能模擬法兩類，并且多以雙端終接電阻的 LC 梯型濾波器為原型。通常，模擬法比級聯(lián)法需用更多元件。
元件模擬法：用模擬電感（能實現(xiàn)電感特性的不含電感元件的有源電路）取代 LC 濾波器中的電感元件?，F(xiàn)有浮地模擬電感電路的性能還不夠好，應用較少。當 LC 濾波器中含有浮地電感時，常通過變換的方法來消除它。RLC - CRD 變換是常用的一種，它用因子 K/s（s 是復頻率，K 為實常數(shù)）使電路中每個元件的阻抗都增大 K/s 倍。這種變換不會改變原電路的傳輸特性，卻使原電路中的 R、L、C 元件分別變成了 C、R、D（頻變負阻）元件。
功能模擬法：先作出 LC 原型濾波器電路中各電壓電流的信號流圖，再用積分器、加法器、乘法器等有源電路來實現(xiàn)。
六、應用場合
有源電力濾波器可廣泛應用于工業(yè)、商業(yè)和機關團體的配電網中。
通信行業(yè)：隨著大規(guī)模數(shù)據中心機房的發(fā)展，通信配電系統(tǒng)中的 UPS 使用容量大幅上升。通信低壓配電系統(tǒng)的主要諧波源設備如 UPS、開關電源、變頻空調等產生的諧波含量較高，且位移功率因數(shù)極高。通過使用有源濾波器，可以提高通信系統(tǒng)及配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，延長通信設備及電力設備的使用壽命，使配電系統(tǒng)更符合諧波環(huán)境的設計規(guī)范。
半導體行業(yè)：半導體行業(yè)中 3 次諧波問題較為嚴重。有源濾波器能夠有效治理諧波，保障生產設備的正常運行，提高產品質量，減少因諧波問題導致的設備故障和生產損失。
其他行業(yè)：在電力系統(tǒng)、電解電鍍企業(yè)、水處理設備、石化企業(yè)、大型商場及辦公大樓、精密電子企業(yè)、機場 / 港口的供電系統(tǒng)、醫(yī)療機構等領域，有源濾波器的應用也能起到保障供電可靠性、降低干擾、提高產品質量、增長設備壽命減少設備損壞等作用。
七、優(yōu)缺點
優(yōu)點：可動態(tài)濾除各次諧波，對系統(tǒng)內的諧波能夠完全吸收，有效改善電能質量；不會產生諧振，避免了因諧振導致的電力系統(tǒng)故障，提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
缺點：造價較高，限制了其在一些對成本敏感的項目中的應用；受硬件限制，在大容量場合使用存在一定困難，目前有源濾波容量單套不超過 100KVA，最高適用電網電壓不超過 690V。
隨著電力電子技術的不斷進步，有源濾波器在技術上不斷創(chuàng)新和完善，其性能將進一步提升，成本有望降低。未來，有源濾波器在電力諧波治理領域將發(fā)揮更為重要的作用，為保障電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、高效運行提供有力支持。
