关键词：低压有源电力滤波；无功功率理论；可靠性；安全性；快速性

1  引言

电能在电力系统中的传输，其质量对电力系统的安全稳定运行是十分重要的。随着国民经济的发展，很多电子设备在交通、化工、计算机、军事、通讯以及家用电器设备方面都得到了广泛的应用。其中类似于电弧炉之类的非线性负载的加入，对电网的安全稳定运行以及电能质量的影响也很严重，特别是这类非线性元器件的加入，引起了电网谐波的污染^[1]。

对于谐波问题，大容量的不间断电源等设备会产生5次、7次、11次等谐波.另外在不对称电路中，谐波又可以根据对称分量法，可以分为正序、负序、零序分量。这些谐波次数越低，对电网的影响越严重。因此，对无功功率、谐波以及三相电平衡的检测和补偿就显得尤为重要。要处理这类问题，装置有有源电力滤波器和无源电力滤波器。对于无源电力滤波器来说，主要是有电感、电容、电阻所组成的滤波器，由于存在电容器和电抗器，二者配合有一定滤波作用，用于大电流的设备。而对于有源电力滤波器，主要运用运算放大晶体管、模拟电路中的电感和电容组成的滤波电路，另外电容电感的存在，也可以起到无功补偿的作用，用于小电流的设备。

基于无功功率的有源电力滤波系统，采用了无功功率的谐波检测法，能够对谐波和无功的情况进行实时分析，进行调节。因此，为了验证低压有源电力滤波系统的可靠性，进行了安全性能、调节性能、抗干扰性能的实验。最后验证了上述内容。

2  低压有源电力滤波系统

有源电力滤波装置（APF），主要采用的是高频电力电子开关PWM变流技术、DSP控制技术进行实时检测电网中非线性负载的谐波分量和无功电流，然后产生大小相等、相位相反的电流，进行实时补偿，从而实现滤除谐波、补偿无功的功能，是改善电力系统电流质量问题的最有效的方式。其连接方式、APF系统框图见图1、图2所示。

图1 APF连接电网示意图

图2 APF系统框图

主要通过将带有谐波的负载侧的电流通过APF的指令电流运算电路，检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量，然后通过电流跟踪控制电路、驱动电路、主要根据指令运算电路得到的补偿指令，产生实际的补偿电流，进而传输到电网中，达到补偿无功以及滤波的作用。其中，主电路主要有IGBT构成的PWM电压型变流器，以及与其相连的电感和直流侧电容组成^[2][3]。

在技术方面，改进以后的电力滤波装置，基于无功功率理论的检测技术，可实时检测谐波电流，自动恩总负载谐波变化，具有高度的可控性和快速响应性。采用独特的分相谐波提取算法，在负载三相不平衡时，可实现各项独立控制，在容量足够时可选择消除不平衡的功能。采用有效值峰值双限流算法，可以自动将设备输出限制在100%输出，无过载现象。

▪3  实验验证

此次实验验证所用的设备是低压有源滤波补偿柜。本台设备参数见表1所示。

表1  实验设备参数

3.1电压实验
实验目的主要是考察在额定条件下、欠电压和过电压的情况下，是否可以正常运行。另外，通过这两种情况下，测试在带载情况下，滤波装置的限流能力。测试的目的，同样是检测在不正常运行条件下的安全性和可靠性。▪3.1 电压实验

在装置外接谐波源负载，处于自动滤波补偿状态，开启限流功能，主回路输入电压340V，调节负载到350A，有源滤波器输出为351A。当增大感性负载到438A时，滤波器输出为350A,并能正常运行。当主回路输入电压460V，调节负载到350A，有源滤波器输出为350A时。增大感性负载到438A，滤波器输出为350A，并能正常运行。在处于额定条件下，当增加感性负载到438A时，滤波器输出为350A，也能正常运行。

另外使用示波器测量了在两种电压模式下，在突加负载、突减负载情况下响应时间图像。结果见图3-图6。

图3 U=340V 突加负载响应时间

通过图3可知，340V情况下突加负载响应时间为16ms。

图 4 U=340V 突减负载响应时间

Fig.4 U=340V sudden load response time

通过图4可知，340V情况下突减负载响应时间为14.7ms。

图5 U=460V 突加负载响应时间

通过图5可知，460V情况下突加负载响应时间为15.8ms。

图6 U=460V 突减负载响应时间

通过图6可知，在U=460V情况下，突减负载响应时间为15ms。另外同样的方法测量在额定运行条件下，在突加负载情况下响应时间为16.5ms；在突减负载情况下响应时间为16.0ms。

综上所述，通过示波器观察波形，在正常运行及不正常运行状态下突增突减负载，滤波器的响应都比较快，说明其快速性较好。

▪3.2 频率实验

考察在频率变化的情况下，滤波器的安全、稳定、可靠、快速性。首先，通过实验测得，在频率为49Hz、511Hz条件下都可以正常启动。对其输出限流能力检测时，发现在不同的频率条件下，在增大感性负载到438A时，滤波器输出都为351A，并且都可以正常运行。

对其突变负载时，不同频率条件下，其响应时间的情况为：当频率为49Hz时，突加负载时响应时间为15.9ms，突减负载时响应时间为16.3ms；当频率为51Hz时，突加负载时响应时间为15.5ms，突减负载时响应时间为16.0。其结果都在小于40ms的允许值范围之内。进行噪声实验时，使用声级计，在滤波器的四个面进行测量噪声的分贝数。

通过检测，发现无论频率为49Hz还是51Hz，从A、B、C、D四个方向检测的噪声分贝值在60~62之间，小于65的允许值。进行不同频率下总谐波补偿率的情况，情况见表2、表3.

通过实验数据可知，频率变化时，系统的谐波补偿率较高，可靠性高。

▪4  结论

本文针对低压有源电力滤波装置的安全性、可靠性、稳定性、快速性、实用性进行了一系列的检测实验，采用多个相关的仪器进行测试，通过分析和实验验证，可以得到以下结论：通过电压实验、频率试验，证明了在正常与非正常运行条件下，系统的稳定性。表明在正常与非正常运行条件下，都可以较好的完成谐波的补偿，具有实用性。基于无功功率理论的低压有源电力滤波系统可以实时监测系统，并在正常、非正常条件下都可以实现无功功率的补偿和谐波滤除的效果。