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有源滤波器的工程选型
万克栋
胜利油田胜利工程设计咨询有限责任公司 山东省东营市 257026
摘要：本文分析了有源滤波器在工程应用中进行容量选型的三种方法，并提供了工程合理选型的思路和实例应用。
关键词：有源滤波器 谐波 计算 选型
1 引言
公用电网大量注入的谐波和无功功率，造成供电质量下降，而以计算机为代表的大量敏感设备的普及应用，使人们对公用电网的供电质量要求越来越高，对电网中的谐波含量及用电设备的功率因数提出了更严格的要求。
传统的谐波抑制和无功补偿采用无源滤波技术，具有简单、方便的优点，但也存在着谐波放大危险、滤波特性有时很难与调压和无功补偿要求相协调等缺点。
而有源滤波器具有高度可控制和快速响应特性，并且能跟踪补偿各次谐波、自动产生所需变化的无功功率，其特性具有不受系统影响、无谐波放大危险、相对体积重量较小等突出优点。但是其造价高、容量低的缺点始终制约着有源滤波器的实用推广。在工程应用实践中，如何合理控制其性价比，以达到理想的应用效果，是工程实践中应引起足够重视的问题。
2 有源滤波器简介
2.1 工作原理
有源滤波器的工作原理，简单的说，就是通过测量系统谐波电流，然后再产生一个与该畸变谐波电流反相的谐波电流频谱，而最终达到消除谐波的结果。一种方法采用追踪补偿，滤波器将基波滤波(仅剩谐波)，然后快速追踪补偿，这种方法能够同时补偿2～50阶谐波，其优点是最快的动态响应<1ms，缺点是不能选择补偿谐波电流；而另一种方法采用快速傅立叶级数方式，以快速傅立叶转换决定输出波形，其优点是可选择补偿的谐波电流，缺点是动态响应速度较慢20~40ms。
2.2 功能简介
有源滤波器可以选择仅消除谐波操作模式或既消除谐波又进行无功功率补偿操作模式，在既消除谐波又进行无功功率补偿操作模式下，功率因数可以强制补偿到设定值，并可以与常规的非调谐和调谐式滤波器组合使用。应用三相四线补偿技术消除中性线电流的三次谐波和其他零序性质的谐波。具有优异的动态性能，能够在<1ms的时间内响应，提供三相补偿谐波电流，谐波次数可以高达50次。且不受电流特性、电压质量、电网阻抗的影响。
3 有源滤波器工程选型
针对如电焊机、电梯、遥控设备、换流设备、点动设备等负荷，需要快速补偿，使其总谐波畸变率 ,
；应主要采用三相三线有源滤波器；针对有谐振倾向的网络，多单相负荷用电场所、空调系统、UPS、节能灯等负荷时，应主要采用三相四线有源滤波器。
3.1 关键元素
有源滤波器接入电网最为经济有效的方案取决于非线性负荷和电网的类型。设备的额定输出也取决于基波及无功功率补偿的容量。在确定设备规格时，必须考虑所要采用的操作模式是仅消除谐波还是消除谐波电流又进行无功功率补偿。当中性线上的谐波电流超过相电流的5%时，采用三相四线补偿设备较为恰当。
因此，确定合理的有源滤波器规格，必须要落实：①要进行补偿的电网系统接线图；②额定电压和频率；③谐波电流；④无功功率。以合理确定有源滤波器的补偿额定电流，是否带中性线及中性线电流与相线电流的倍数。
3.2 选型方案
对于低压供电系统，选择有源滤波器需要的数据：
系统电压等级： (V)；系统标准频率： (Hz)；
系统中各次谐波的实际电流： ；
系统中各次谐波的允许电流： ；
(1)获取系统中各次谐波电流 的两种途径：
a) 对于已经运行的供配电系统，可以采用专用的电能质量分析仪采集供配电系统在最恶劣情况下各次谐波电流 ；
b)对于尚未运行的供配电系统中，应根据系统中谐波源负载的总功率计算系统中各次谐波电流 ：
①统计计算系统中三相非线性负载的总功率，包括UPS，6脉冲和12脉冲变频设备或整流设备的总功率等。
②参考变频器制造厂家提供的设备谐波参数表或者参考下表计算各次谐波电流：
例：6脉冲整流AC变频器产生的谐波电流与基波的比例
(每100A基波电流对应各次谐波值)
I1 I3 I5 I7 I11 I13 I17 I19 I23 I25
100 0 26 11.43 8.18 5.38 4.7 3.16 3.04 2.4
例：12脉冲整流AC变频器产生的谐波电流与基波的比例
(每100A基波电流对应各次谐波值)
I1 I3 I5 I7 I11 I13 I17 I19 I23 I25
100 0 2.6 1.14 8.18 5.38 0.47 0.32 3.04 2.4
其中 为变频器的基波电流，由变频器额定功率 计算而来： 。
③计算系统中单相非线性负载的功率，包括大功率照明灯具，电脑系统，单相调光系统等；
④根据单相非线性负载的制造厂商提供的设备谐波参数表计算各次谐波电流；
⑤把以上②和④中计算的各次谐波电流相加得到总系统中各次的谐波电流 ；
（2）获取系统中允许存在的各次谐波电流值 ：
a) 根据400V低压电网系统最大所能够允许注入公共连接点的谐波电流值计算 ；
表1. 400V低压系统各次允许注入谐波参数表（A）：
（摘录自GB/T 14549-93，其中400V侧基准短路功率 按照10MVA计算）
谐波次数 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8
允许注入系统的谐波电流值(A) 78 62 39 62 26 44 19
谐波次数 I9 I10 I11 I12 I13 I14 I15
允许注入系统的谐波电流值(A) 21 16 28 13 24 11 12
谐波次数 I16 I17 I18 I19 I21 I23 I25
允许注入系统的谐波电流值(A) 9.7 18 8.6 16 8.9 14 12
当实际400V电网公共连接点的最小短路功率不同于表1中基准短路功率时，按照下式修正表1中的谐波电流允许值：
其中： ——实际计算所得公共系统的最小短路功率，MVA；
——基准短路功率，MVA；
——表1中的第n次谐波的电流允许值，A；
——短路功率为 时第n次谐波的电流允许值，A；
b) 参考EMC相关标准中5.3、 5.4、5.5中谐波限值的要求进行计算 ；
c) 不特殊的供配电系统，对谐波有具体要求的，参考该供配电系统对谐波的实际允许值计算 ；
d) 对以上a)、b)、c)中所得到的谐波电流允许值进行比较，取各次谐波的最小值得到系统所允许的 ；
3.2.1基于谐波电流绝对值的选型方案
(1) 计算需要由动态有源滤波器进行滤除的各次谐波值：
；
其中： ——系统中各次谐波的实际电流，A；
——系统中各次谐波的允许电流，A；
——需要由滤波器滤除的各次谐波的电流值，A；
注：用户如果需要全部滤除谐波，则 ＝0。
(2) 计算所需要进行滤除的各次谐波的总有效电流值：
其中： ——需要进行滤除的各次谐波的总有效电流，A；
(3) 根据所需要的滤波能量 的大小,考虑一定的裕量，选择正确的动态有源滤波器型号，以保证:
其中： ——动态有源滤波器的有效滤波电流，A；
——需要进行滤除的各次谐波的总有效电流，A；
AF——针对不同负载的裕量修正系数：
对于AC Driver负载，AF @ 1.5；
对于DC Driver型负载，AF @ 1.1；
对于混合型负载，AF @ 1.3；
3.2.2基于谐波电流总畸变率 的选型方案
系统滤波前谐波电流总畸变率 即可通过实际测量获取，也可根据系统中各次谐波电流计算 的值：
其中 、 、 ……分别为各次谐波分量，其获取方法如前所述。
系统滤波目标 的大小由相关标准或者行业标准决定，也可以参考系统中实际负载的承受能力,一般情况下
控制在10％左右是允许的；
计算滤除谐波所需滤波能量大小， 。根据所需要滤波能量 的大小,考虑一定裕量，选择正确的有源滤波器型号，以保证 。
3.2.3 基于谐波减少和无功补偿的选型方案
系统进行谐波电流总畸变率 可通过实际测量获得，计算出设备产生的总谐波电流
；系统改善前功率因数补偿到目标功率因数所需的无功功率，计算出设备所需补偿的无功电流 。
计算有源滤波器容量的大小， 。实际选用时考虑一定的裕量，选择正确的有源滤波器型号，以保证 。
4 结论
有源滤波器是实现高质量电能标准要求的重要手段，但投入较高。因此，合理确定有源滤波器的容量，控制工程投入，是工程技术人员需要认真对待的实际问题。工程选型时，应充分发挥无源滤波器、有源滤波器各自的优点，提高功率因数，有选择的降低主要超标谐波含量，在满足国家规范技术指标的前提下，合理控制有源滤波器选型容量。
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