深挖有源濾波和無源濾波的區(qū)別

 濾波是將信號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。

一、無源濾波

定義

無源濾波器，又稱LC濾波器，是利用電感、電容和電阻的組合設(shè)計(jì)構(gòu)成的濾波電路，可濾除某一次或多次諧波，最普通易于采用的無源濾波器結(jié)構(gòu)是將電感與電容串聯(lián)，可對主要次諧波(3、5、7)構(gòu)成低阻抗旁路;單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、高通濾波器都屬于無源濾波器。無源濾波器由LC等被動元件組成，將其設(shè)計(jì)為某頻率下極低阻抗，對相應(yīng)頻率諧波電流進(jìn)行分流，其行為模式為提供被動式諧波電流旁路通道。如圖1所示為無源濾波原理圖。

圖1 無源濾波原理圖

優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：無源濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、運(yùn)行可靠性較高、運(yùn)行費(fèi)用較低。

缺點(diǎn)：通帶內(nèi)的信號有能量損耗，負(fù)載效應(yīng)比較明顯，使用電感元件時(shí)容易引起電磁感應(yīng)，當(dāng)電感L較大時(shí)濾波器的體積和重量都比較大，在低頻域不適用。

應(yīng)用

由于無源濾波的具有大容量低價(jià)位的優(yōu)點(diǎn)，鋼鐵行業(yè)的濾波都采用無源濾波，目前國內(nèi)濾波市場(電力諧波治理市場)上主要以無源濾波為主。國際上以ABB、施耐德、西門子為代表，國內(nèi)以Satons、溫州清華電子、山大華天、哈工大、西安賽博、綠波杰能為代表。發(fā)展形勢以快速反映，諧波治理徹底，綜合控制為主。

二、有源濾波

定義

有源濾波器(Active Power Filter，簡稱APF)是一種用于動態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置，它能夠?qū)Υ笮『皖l率都變化的諧波以及變化的無功進(jìn)行補(bǔ)償。之所以稱為有源，顧名思義該裝置需要提供電源(用以補(bǔ)償主電路的諧波)，其應(yīng)用可克服LC無源濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)(傳統(tǒng)的只能固定補(bǔ)償)，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)跟蹤補(bǔ)償，而且可以既補(bǔ)諧波又補(bǔ)無功。

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，APF有并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種，前者用的多;并聯(lián)有源濾波器主要是治理電流諧波，串聯(lián)有源濾波器主要是治理電壓諧波等引起的問題。有源濾波器同無源濾波器比較，治理效果好，主要可以同時(shí)濾除多次及高次諧波，不會引起諧振，但是價(jià)位相對高。如圖 2所示為有源濾波結(jié)構(gòu)圖。

圖2 有源濾波器結(jié)構(gòu)圖

優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：可動態(tài)濾除各次諧波，對系統(tǒng)內(nèi)的諧波能夠完全吸收;不會產(chǎn)生諧振。通帶內(nèi)的信號不僅沒有能量損耗，而且還可以放大，負(fù)載效應(yīng)不明顯，多級相聯(lián)時(shí)相互影響很小，利用級聯(lián)的簡單方法很容易構(gòu)成高階濾波器，并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽。

缺點(diǎn)：通帶范圍受有源器件的帶寬限制，需要直流電源供電，可靠性不如無源濾波器高，在高壓、高頻、大功率的場合不適用。

應(yīng)用

有源濾波器可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)和機(jī)關(guān)團(tuán)體的配電網(wǎng)中，如：電力系統(tǒng)、電解電鍍企業(yè)、水處理設(shè)備、石化企業(yè)、大型商場及辦公大樓、精密電子企業(yè)、機(jī)場/港口的供電系統(tǒng)、醫(yī)療機(jī)構(gòu)等。根據(jù)應(yīng)用對象不同，HTAPF-I型有源電力濾波器的應(yīng)用將起到保障供電可靠性、降低干擾、提高產(chǎn)品質(zhì)量、增長設(shè)備壽命減少設(shè)備損壞等作用。

l通信行業(yè);

l半導(dǎo)體行業(yè);

l汽車制造業(yè);

l直流電機(jī)諧波治理;

l醫(yī)院系統(tǒng);

l劇場和體育館。

三、有源濾波和無源濾波的對比

工作原理

無源濾波器由LC等被動元件組成，將其設(shè)計(jì)為某頻率下極低阻抗，對相應(yīng)頻率諧波電流進(jìn)行分流，其行為模式為提供被動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，檢測負(fù)載諧波電流并主動提供對應(yīng)的補(bǔ)償電流，補(bǔ)償后的源電流幾乎為純正弦波，其行為模式為主動式電流源輸出。

阻抗影響

無源濾波器受系統(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。

頻率影響

無源濾波器諧振點(diǎn)偏移，效果降低;有源濾波器不受影響。

負(fù)載影響

無源濾波器可能因?yàn)槌d而損壞;有源濾波器無損壞之危險(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。

設(shè)備造價(jià)

無源濾波器較低;有源濾波器太高。

四、E6500在諧波處理上的應(yīng)用

諧波危害已經(jīng)不言而喻了，例如增加電力設(shè)施負(fù)荷，降低系統(tǒng)功率因數(shù)，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的有效容量和效率，造成設(shè)備浪費(fèi)、線路浪費(fèi)和電能損失;引起無功補(bǔ)償電容器諧振和諧波電流放大，導(dǎo)致電容器組因過電流或過電壓而損壞或無法投入運(yùn)行……等等。

圖 3 E6500諧波實(shí)測圖

既然諧波出現(xiàn)了，那我們就要想辦法將它濾除掉，但是前提是我們可以準(zhǔn)確的測量諧波。致遠(yuǎn)電子E6500電能質(zhì)量分析儀采用抗混疊核心技術(shù)，每通道都配備單獨(dú)的抗混疊濾波器，即二階有源濾波器，在正常量程范圍內(nèi)截止頻率是14KHz，在滿量程范圍內(nèi)截止頻率是22KHz，完全符合電能質(zhì)量輸入信號范圍(最高10KHz)，從而在硬件上保證了測量計(jì)算的準(zhǔn)確性。

圖 4 諧波測量分析圖

在測量現(xiàn)場可能存在許多高頻干擾，例如電源信號、無線電信號等均可能會引入高頻干擾輸入，從而引起頻率混疊現(xiàn)象。如果沒有進(jìn)行混疊處理，就會出現(xiàn)錯(cuò)誤。比如圖3第一幅圖是沒有進(jìn)行混疊處理，諧波分析結(jié)果是7次諧波超標(biāo)，這個(gè)是錯(cuò)誤的;

唯一可靠的方法是在對信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換之前做抗混疊處理，保證測量結(jié)果的正確性。比如圖3第二幅圖進(jìn)行了混疊處理，諧波分析結(jié)果是9次諧波超標(biāo)，跟原始信號分析結(jié)果一致。