濾波技術(shù)——如何區(qū)分有源濾波和無(wú)源濾波

返回列表來(lái)源：領(lǐng)步電能質(zhì)量發(fā)布時(shí)間：2017-05-16分享加入收藏關(guān)注：-

           諧波治理就像環(huán)境污染治理一樣。舉例說(shuō)明，化工企業(yè)大量產(chǎn)生有害化工物質(zhì)，不經(jīng)治理排放到河道，使河道中水嚴(yán)重污染。該化工企業(yè)無(wú)奈又要使用河道中的水，但是不經(jīng)處理，河道中的水是無(wú)法使用的。這是客觀存在的惡性循環(huán)。
          先進(jìn)電子設(shè)備，諸如電力電子變頻、可控硅整流設(shè)備、數(shù)字通訊設(shè)備、電氣鐵路設(shè)備、各類UPS、大功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件、開(kāi)關(guān)電源等，還有電熔煉設(shè)備、電化學(xué)設(shè)備、礦井起重設(shè)備、電氣機(jī)車等都屬于非線性電源負(fù)荷。這些設(shè)備使得諧波電流不斷注入電網(wǎng)，電力系統(tǒng)波形嚴(yán)重畸變。用電企業(yè)無(wú)奈用被污染的電源。這也是惡性循環(huán)!于是出現(xiàn)了自己污染必須自己治理的各項(xiàng)政策。
           一、有哪些治理電網(wǎng)諧波的政策?
           治理電網(wǎng)諧波是國(guó)家的一項(xiàng)既定政策。開(kāi)發(fā)這方面的產(chǎn)品，既是當(dāng)務(wù)之急，也是企業(yè)發(fā)展的一條重要途徑。這是既可利國(guó)又可為企業(yè)創(chuàng)利的雙贏政策。
           1、為了確保提供合格的電能質(zhì)量，國(guó)家及有關(guān)主管部門(mén)相繼頒發(fā)了一系列標(biāo)準(zhǔn)、條例和規(guī)定，以保證電網(wǎng)和用電設(shè)備免受諧波的危害。
           2、公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：
           電網(wǎng)是統(tǒng)一的整體,所有并網(wǎng)的發(fā)、送、供電設(shè)備和用電設(shè)備都必須接受電網(wǎng)諧波技術(shù)監(jiān)督管理。執(zhí)行公用電網(wǎng)諧波國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的目的是把公用電網(wǎng)中的諧波量控制在允許范圍內(nèi)，保證供電電能質(zhì)量，防止諧波對(duì)電網(wǎng)和用戶的各種電氣設(shè)備和用電器具造成危害，保持安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。公用電網(wǎng)的諧波應(yīng)象治理環(huán)境污染一樣重視公用電網(wǎng)諧波污染的治理。諧波治理要依法進(jìn)行，這個(gè)“法”就是《中華人民共和國(guó)電力法》和《電能質(zhì)量-公用電網(wǎng)諧波》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，任何單位和部門(mén)都必須認(rèn)真貫徹執(zhí)行。然而在公用電網(wǎng)諧波方面國(guó)內(nèi)國(guó)際只針對(duì)高次諧波有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，Z高也只是21次諧波，而高頻高次諧波這一塊還沒(méi)有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

          （1）GB／T 14549-1993《電能質(zhì)量、公用電網(wǎng)諧波》中公用電網(wǎng)諧波電壓(相電壓)限值見(jiàn)表1

         （2）GB／T 14549-1993《電能質(zhì)量、公用電網(wǎng)諧波》中注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值見(jiàn)表2。

        二、諧波的危害
        諧波增加了輸配電系統(tǒng)和用電設(shè)備的附加損耗——鐵損(包括磁滯損耗和渦流損耗)和銅損，使設(shè)備過(guò)熱，降低設(shè)備的效率和利用率。由于諧波電流的頻率為基波頻率的整數(shù)倍，高頻電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí)，因集膚效應(yīng)的作用，導(dǎo)致導(dǎo)體對(duì)諧波電流的有效電抗增加，從而增加了設(shè)備的功率損耗、電能損耗，使導(dǎo)體的發(fā)熱嚴(yán)重。具體說(shuō)來(lái)，以上現(xiàn)象存在于以下環(huán)節(jié)：負(fù)載電機(jī)、變壓器、輸電線路、電力電子設(shè)備、電力電容器(包括補(bǔ)償電容)。
        三、諧波的治理
        治理諧波問(wèn)題，抑制輻射干擾和供電系統(tǒng)干擾，可采取屏蔽，隔離，接地及濾波等技術(shù)手段。濾波裝置又分無(wú)源濾波裝置或有源濾波裝置

             四、無(wú)源濾波和有源濾波

        濾波是將信號(hào)中特定波段頻率濾除的操作，是抑制和防止干擾的一項(xiàng)重要措施。諧波治理首先要控制好諧波產(chǎn)生的源頭，其次我們還要通過(guò)增加濾波裝置進(jìn)行諧波的消除。如何正確選擇有效的諧波質(zhì)量方案非常關(guān)鍵。消除諧波的設(shè)備要求頻譜范圍廣、能力要大、響應(yīng)時(shí)間要快而且使用方便、可靠、壽命長(zhǎng)等。
       1、無(wú)源濾波裝置

            無(wú)源濾波裝置出現(xiàn)Z早，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資少、運(yùn)行可靠性較高以及運(yùn)行費(fèi)用較低，至今仍是諧波抑制的主要手段。LC濾波裝置是由濾波電容器、電抗器和電阻器適當(dāng)組合而成，它包括三種基本形式：串聯(lián)濾波、并聯(lián)濾波和低通濾波(串并混合)。其中串聯(lián)濾波主要適用于三次諧波的治理;低通濾波主要適用于高次諧波的治理;并聯(lián)濾波是與諧波源并聯(lián)，除具有濾波作用外，還有無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/span>

圖1    無(wú)源濾波原理圖

           這種方法的主要缺點(diǎn)是補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)影響，無(wú)源濾波裝置不能受控，它只能補(bǔ)償固定頻率的諧波。如果過(guò)濾不同的諧波頻率，則要分別用不同的濾波裝置。隨著時(shí)間的推移，配件老化或電網(wǎng)負(fù)載的變動(dòng)，諧振頻率會(huì)發(fā)生改變，濾波效果下降，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大，使LC濾波裝置過(guò)載甚至燒毀。目前，無(wú)源濾波裝置還是實(shí)際應(yīng)用Z多、效果較好、價(jià)格較低的治理諧波的較好方案。

       2、有源濾波器APF
       有源濾波器APF是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)功的新型電力電子裝置，這種濾波裝置能對(duì)頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響。
       有源濾波裝置根據(jù)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償諧波的原理，運(yùn)用電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，快速跟蹤諧波源產(chǎn)生的諧波頻率、相位和幅值，由裝置向電網(wǎng)注入與原有諧波電流幅值相等、相位相同、方向相反的電流，使流入電源的總諧波電流為零，其特性不受系統(tǒng)的影響，無(wú)諧波放大的危險(xiǎn)，能同時(shí)濾除2至25次諧波，因而倍受關(guān)注。

           有源電力濾波裝置系統(tǒng)主要由指令電流檢測(cè)電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路這兩大部分組成。指令電流檢測(cè)電路的功能主要是從負(fù)載電流中分離出諧波電流分量和基波無(wú)功電流，然后將其反極性變化后發(fā)出補(bǔ)償電流的指令信號(hào)。電流跟蹤控制電路的功能是根據(jù)主電路產(chǎn)生的補(bǔ)償電流，計(jì)算出主電路各開(kāi)關(guān)器件的觸發(fā)脈沖，此脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后作用于主電路。這樣電源電流中只含有基波的有功分量，從而達(dá)到消除諧波與進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康摹８鶕?jù)同樣的原理，電力有源濾波裝置還能對(duì)不對(duì)稱三相電路的負(fù)序電流分量進(jìn)行補(bǔ)償。

圖2    有源濾波原理圖

        有源濾波器獲得比無(wú)源濾波裝置更好的治理效果，已逐漸成為諧波治理的重要技術(shù)手段和今后諧波治理領(lǐng)域的發(fā)展方向。有源濾波裝置具有同時(shí)消除多次諧波(2-25次)電流的能力，能實(shí)時(shí)、自動(dòng)跟蹤控制，既能有效消除諧波，又能動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無(wú)功，改善三相不平衡度。而且不受系統(tǒng)運(yùn)行方式影響，不會(huì)產(chǎn)生諧波諧振，對(duì)電力系統(tǒng)適應(yīng)能力強(qiáng)。

           3、無(wú)源濾波和有源濾波的對(duì)比

        （1）工作原理
            無(wú)源濾波器由LC等被動(dòng)元件組成，將其設(shè)計(jì)為某頻率下極低阻抗，對(duì)相應(yīng)頻率諧波電流進(jìn)行分流，其行為模式為提供被動(dòng)式諧波電流旁路通道；而有源濾波器由電力電子元件和DSP等構(gòu)成的電能變換設(shè)備，檢測(cè)負(fù)載諧波電流并主動(dòng)提供對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償電流，補(bǔ)償后的源電流幾乎為純正弦波，其行為模式為主動(dòng)式電流源輸出。
        （2）阻抗影響
          無(wú)源濾波器受系統(tǒng)阻抗影響嚴(yán)重，存在諧波放大和共振的危險(xiǎn)；而有源濾波不受影響。
        （3）頻率影響
         無(wú)源濾波器諧振點(diǎn)偏移，效果降低；有源濾波器不受影響。
       （4）負(fù)載影響
          無(wú)源濾波器可能因?yàn)槌d而損壞；有源濾波器無(wú)損壞之危險(xiǎn)，諧波量大于補(bǔ)償能力時(shí)，僅發(fā)生補(bǔ)償效果不足而已。無(wú)源濾波器補(bǔ)償效果隨著負(fù)載的變化而變化；有源濾波器不受負(fù)載變化影響。
        （5）設(shè)備造價(jià)
          無(wú)源濾波器較低；有源濾波器比較高。

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