在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，隨著電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，諧波問題日益突出，嚴(yán)重影響電能質(zhì)量。有源濾波器作為一種先進(jìn)的電力諧波治理設(shè)備，應(yīng)運(yùn)而生，在保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)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(jiǎn)稱 APF），是采用現(xiàn)代電力電子技術(shù)和基于高速 DSP 器件的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)制成的新型電力諧波治理專用設(shè)備。三相電路瞬時(shí)無功功率理論是 APF 發(fā)展的主要基礎(chǔ)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(duì)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(shí)濾除多次及高次諧波，且不會(huì)引發(fā)諧振，但其價(jià)格相對(duì)較高。
二、工作原理
有源濾波器系統(tǒng)主要由電流檢測(cè)電路和控制電路兩大部分構(gòu)成。其工作原理是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)線路中的電流，指令電流運(yùn)算電路將模擬電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入高速數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）進(jìn)行處理，將諧波與基波分離。之后，以脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)形式向補(bǔ)償電流發(fā)生電路送出驅(qū)動(dòng)脈沖，驅(qū)動(dòng) IGBT 或 IPM 功率模塊，生成與電網(wǎng)諧波電流幅值相等、極性相反的補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)，從而對(duì)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償或抵消，主動(dòng)消除電力諧波。
三、技術(shù)優(yōu)勢(shì)
綠色化：效率高達(dá) 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(shí)，采用效率更高的拓?fù)湓鰪?qiáng)型控制算法，基于精確模型進(jìn)行熱設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在提升性能的同時(shí)，實(shí)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(yīng)不同的工況安裝需求。無論是壁掛式還是機(jī)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(hù)環(huán)境。
智能化：具備補(bǔ)償指定次數(shù)諧波的功能，可進(jìn)行可調(diào)感性、容性無功補(bǔ)償，還能補(bǔ)償系統(tǒng)不平衡負(fù)載。能夠自動(dòng)檢測(cè)并抑制系統(tǒng)諧振，配備全功能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)智能化管理。
模塊化：采用 N + 1 冗余設(shè)計(jì)，顯著提高了系統(tǒng)可靠性。通過流水線生產(chǎn)，保證了出色的產(chǎn)品質(zhì)量，減少了系統(tǒng)單故障點(diǎn)。還能靈活并聯(lián)，適應(yīng)不同的工況，滿足多樣化的應(yīng)用需求。
四、功能特性
強(qiáng)大的諧波濾除能力：能夠同時(shí)濾除 2~50 次諧波，也可選擇 2~50 次內(nèi)任意次數(shù)諧波進(jìn)行補(bǔ)償，響應(yīng)時(shí)間小于 300μs，能夠快速有效地對(duì)諧波進(jìn)行治理。
先進(jìn)的控制方式：采用 3DSP + CPLD 全數(shù)字控制方式和國(guó)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(zhǔn)確性。
四相線技術(shù)應(yīng)用：應(yīng)用四相線技術(shù)，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(dòng)消除諧振：不受電網(wǎng)阻抗和系統(tǒng)阻抗變化影響，能夠自動(dòng)消除諧振，保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
多種工作模式：具有補(bǔ)償諧波、同時(shí)補(bǔ)償諧波和無功、同時(shí)補(bǔ)償諧波、無功和負(fù)載三相電流不平衡三種工作模式，可根據(jù)實(shí)際需求靈活選擇。
完善的保護(hù)功能：具備電子式過負(fù)荷保護(hù)功能，逆變器控制具備快速的 FPGA 和功率數(shù)字信號(hào)處理功能。同時(shí)，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(dòng)限流、負(fù)載短路保護(hù)等功能，確保設(shè)備自身和電力系統(tǒng)的安全。
五、設(shè)計(jì)方法
有源濾波器的設(shè)計(jì)方法大致可歸結(jié)為級(jí)聯(lián)法和模擬法兩大類。
級(jí)聯(lián)法：根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，求出可物理實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)移函數(shù)（通?？蓮默F(xiàn)成的有源濾波器資料和手冊(cè)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(shí)現(xiàn)后再級(jí)聯(lián)起來，即可實(shí)現(xiàn)原轉(zhuǎn)移函數(shù)。實(shí)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(shè)計(jì)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(jí)聯(lián)法設(shè)計(jì)過程相對(duì)簡(jiǎn)單，電路特性調(diào)整容易，所實(shí)現(xiàn)的電路較為經(jīng)濟(jì)，是常用的設(shè)計(jì)方法。
模擬法：先設(shè)計(jì)出能滿足技術(shù)指標(biāo)要求的 LC 濾波器作為設(shè)計(jì)原型，再用有源電路去模擬實(shí)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(jí)聯(lián)法需用更多元件。
元件模擬法：用模擬電感（能實(shí)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(yīng)用較少。當(dāng) LC 濾波器中含有浮地電感時(shí)，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(fù)頻率，K 為實(shí)常數(shù)）使電路中每個(gè)元件的阻抗都增大 K/s 倍。這種變換不會(huì)改變?cè)娐返膫鬏斕匦?，卻使原電路中的 R、L、C 元件分別變成了 C、R、D（頻變負(fù)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(hào)流圖，再用積分器、加法器、乘法器等有源電路來實(shí)現(xiàn)。
六、應(yīng)用場(chǎng)合
有源電力濾波器可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)和機(jī)關(guān)團(tuán)體的配電網(wǎng)中。
通信行業(yè)：隨著大規(guī)模數(shù)據(jù)中心機(jī)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(shè)備如 UPS、開關(guān)電源、變頻空調(diào)等產(chǎn)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(zhǎng)通信設(shè)備及電力設(shè)備的使用壽命，使配電系統(tǒng)更符合諧波環(huán)境的設(shè)計(jì)規(guī)范。
半導(dǎo)體行業(yè)：半導(dǎo)體行業(yè)中 3 次諧波問題較為嚴(yán)重。有源濾波器能夠有效治理諧波，保障生產(chǎn)設(shè)備的正常運(yùn)行，提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少因諧波問題導(dǎo)致的設(shè)備故障和生產(chǎn)損失。
其他行業(yè)：在電力系統(tǒng)、電解電鍍企業(yè)、水處理設(shè)備、石化企業(yè)、大型商場(chǎng)及辦公大樓、精密電子企業(yè)、機(jī)場(chǎng) / 港口的供電系統(tǒng)、醫(yī)療機(jī)構(gòu)等領(lǐng)域，有源濾波器的應(yīng)用也能起到保障供電可靠性、降低干擾、提高產(chǎn)品質(zhì)量、增長(zhǎng)設(shè)備壽命減少設(shè)備損壞等作用。
七、優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：可動(dòng)態(tài)濾除各次諧波，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的諧波能夠完全吸收，有效改善電能質(zhì)量；不會(huì)產(chǎn)生諧振，避免了因諧振導(dǎo)致的電力系統(tǒng)故障，提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
缺點(diǎn)：造價(jià)較高，限制了其在一些對(duì)成本敏感的項(xiàng)目中的應(yīng)用；受硬件限制，在大容量場(chǎng)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(wǎng)電壓不超過 690V。
隨著電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，有源濾波器在技術(shù)上不斷創(chuàng)新和完善，其性能將進(jìn)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(lǐng)域?qū)l(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(yùn)行提供有力支持。
