超宽频滤波节电保护系统

    青岛鑫能能源的技术人员和青岛大学的专家教授通过引进和吸收国外的先进节电技术理念，采用进口滤波节电模块与 LC 滤波

模块、测控技术相结合，解决了供电系统谐波含量高、交直流混用、电机负荷低及使用变频器多而造成的电能效率低耗能多的

问题。

    超宽频滤波节电系统 首次采用了国际上最先进的动态谐波浪涌跟踪抵消技术，这一技术已经在国外有源电力滤波器

(Active Power Filter--APF) 上获得广泛应用，但有源电力滤波器和 无源电力（ LC ） 滤波器的模块组合技术在国内还是首次推

广应用，超宽频节电保护技术突破性地实现了这一技术在节电、保护领域的应用。

一、工作原理

    动态谐波浪涌跟踪抵消技术采用了全新的设计理念，其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐

波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，

且补偿特性不受电网阻抗的影响，因而受到广泛的重视，目前已在个别先进发达国家获得应用。

    这一基本思想在 20 世纪六、七十年代就已经形成， 80 年代以来，大中功率全控型半导体器件的成熟、脉冲宽度调制控制技

术 (PulseWidthModulation--PWM) 的进步以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的提出，使这一技术才得以迅速发展

。超宽频滤波节电系统主要由三大部分组成，即指令电流检测电路、抵消电流发生电路和补偿电流发生电路。指令电流检

测电路的功能主要是从负载电流中分离出谐波电流分量和基波无功电流，然后将其反极性作用后发生补偿电流的指令信号。电流跟

踪控制电路的功能是根据主电路产生的补偿电流，计算出主电路各开关器件的触发脉冲，此脉冲经驱动电路后作用于主电路。这样

电源电流中只含有基波的有功分量，从而达到消除谐波与进行无功补偿的目的。根据同样的原理， 超宽频滤波节电系统

还能对不对称三相电路的负序电流分量进行补偿。

    补偿电流的产生通常采用基于 PWM 的电压源逆变器 (VSI) ，从采用的电流控制方法，三角载波线性控制 (triangle wave-

linear control) 是最简单的一种控制方法。通过将检测环节得到电流实际值与参考值之间的偏差与高频三角载波相比较，所得到

的矩形脉冲作为逆变器各开关元件的控制信号，从而在逆变器输出端获得所需的波形。该方法的优点是动态响应好，开关频率固定

，实现电路简单，缺点是输出波形中含有与三角载波相同频率的高频畸变分量，开关损耗较大，在大功率应用中受到限制。

图 1 并联型滤波系统 示意图（参考电路）

    有源滤波系统 的主电路一般由 PWM 逆变器构成。根据逆变器直流侧储能元件的不同，可分为电压型 滤波节电系统 ( 储能元

件为电容 ) 和电流型 滤波节电系统 ( 储能元件为电感 ) 。电压型 超宽频滤波节电系统 在工作时需对直流侧电容电压控制，使

直流侧电压维持不变，因而逆变器交流侧输出为 PWM 电压波。而电流型 滤波节电系统 在工作时需对直流侧电感电流进行控制，使

直流侧电流维持不变，因而逆变器交流侧输出为 PWM 电流波。电压型 滤波系统（串联） 的优点是损耗较少、效率高、成本高，是

目前国内外绝大多数滤波器采用的主电路结构。电流型 滤波系统（并联） 由于电流侧电感上始终有电流流过，该电流在电感内阻

上将产生较大损耗，一般大型设备很少采用，其优点是造价低、体积小、一般适用于小型用电系统。

图 2 电流型 滤波节电系统基本示意图（参考电路）

    超宽频滤波节电系统吸收了以上这 一技术的精华，采用了电流型有源滤波（改进混合型）与 LC 滤波器混合使用的新

方式。其基本思想是利用 LC 滤波器来分担部分滤波补偿任务。由于电流型滤波系统与 LC 滤波器有结构简单、易实现且成本低的

优点，从而以低成本方式实现了整个系统良好的组合抑制抵消性能。

图 3 并联型 滤波系统基本示意图（参考电路）

    图 3 所示为并联型 滤波系统 的基本结构。它主要适用于电流源型非线性负载的谐波电流抵消、无功补偿以及平衡三相系统

中的不平衡电流等。目前并联型 滤波系统 在技术上已较成熟，它也是当前应用最为广泛的一种 滤波节电系统 拓补结构。

    随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。早在 70 年代初期，日本学者就提出了有源滤波器

（ active power filter ，缩写为 APF ）的概念，即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反

的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。 1976 年美国西屋电气公司的 L.Gyugi 提出利用大功率晶体管

组成的 PWM 逆变器构成的 APF 消除电网谐波。由于受到当时功率半导体器件水平的限制， APF 的研制一直处在试验研究阶段。进

入 80 年代以后，随着电力电子技术的飞速发展，大功率可关断器件（ GTR ， GTO ， IGBT 等）的不断进步，以及对非正弦条件

下无功功率补偿理论的深入研究，特别是瞬时无功理论的提出，为 APF 的实用化提供了必要的条件，使之在工业上得到了广泛的应

用。

    这一技术的成熟是基于数字电力电子技术的进步和 DSP 、 FPGA 技术的广泛应用，为满足高速实时的响应要求，内部模块时钟

高达 100MHz ，这是普通微处理器所远不能及的。多种新技术、新器件的应用，使得 超宽频滤波节电系统 具备了卓越超

群的技术性能，能适时消除 3 、 5 、 7 、 11 次及以上的谐波，同时体积小，安全可靠。

图 4 混合型 滤波系统 示意图（参考电路）

    图 4 所示为混合型滤波系统 (UPQC) 的基本结构，它是在并联型 滤波节电系统 的基础上使用一些大容量的无源 L-C 滤波网

络来承担消除低次谐波，进行无功补偿的任务。而并联型 滤波节电系统 只承担消除高次谐振及阻尼无源 LC 网络与线路阻抗产生

的谐波谐振的任务。从而使并联型 滤波节电系统 的电流、电压额定值大大减少 ( 功率容量可减少到负载容量的 5% 以下 ) ，降

低了 滤波节电系统 的成本和体积。从经济角度而言，这种结构形式在目前是一种值得推荐的方案。但随着电力电子器件性能的不

断提高，成本不断下降，混合型 滤波节电系统 可能将替代性能价格高的有源滤波器。从以上介绍可以看出超宽频滤波节电系

统是采用电流并联型加电流串联型再组合而成的一套节电系统，这种结构体积小、成本低、免维护、性价比高等优点。

    失谐系统——上面的图是说明使用超宽频滤波节电系统后，将系统谐振频率从 5 次转移到接近 3 次。可有效防止谐波放大、

有效吸收部分谐波电流，这是一个在技术上、经济上可行有效的方法，是用户的最佳选择。

    滤波系统——上面的图是说明用超宽频滤波系统，对 5th 谐波回路阻抗很低，吸收 5th 谐波，同时对于其他次数的谐波也可

以起到低阻、也可以起到吸收作用（从阻抗的平滑度可看出，对 7th 谐波、 11th 谐波也是低阻抗）。

    超宽频滤波节电系统正是根据以上的要求、专门针对用户而设计的，我们采用了电流并联型有源滤波器和 LC滤

波器的结构简单、体积小、成本低的优点，根据供电运行结构，将 LC 滤波系统与电流型有源滤波系统加以组合，解决

了电网运行中，因大量非线性负载的运行，除了要消耗有功功率外，还要消耗一定的无功功率。负荷电流在通过线路、变压器时将

会产生功率与电能损耗，由电能损耗公式可知，当线路或变压器输送的有功功率和电压不变时，线损与功率因数的平方成反比。功

率因数越低电网所需无用功就越多，线损就越大。因此，在受电端安装超宽频统滤波节电装置，也可减少负荷的电能损耗，提高功

率因数，降低线损耗。一般工厂动力配线依据不同的线路及负载情况，其电力损耗约 2%--3% 左右，总电流降低，可降低供电端与

用电端的电力损失。

 

图 5 超宽频滤波节电系统跟踪电路示意图

    当有功功率为定值时，负荷电流与功率因数成反比，安装超宽频系统滤波节电装置后，使线路中的电流减小，从而使功率

损耗降低使得总电能损耗降低。 随着非线性电力设备的广泛应用，电力系统中谐波问题日趋严重，谐波的存在会对电力设备造成损

坏，加速绝缘老化。谐波叠加后的电压峰值对节电器件老化有很大的影响，谐波的主要影响因素为：电压峰值、电压均方根值和电

压波斜率。其中峰值的影响最大。由于谐波的存在，电压波形发生畸变，使电压峰值增高，呈锯齿状尖顶波。

在供电系统中的工作示意图

二． 超宽频滤波节电系统的性能要求
    

    下面我们针对国际和国家标准对电能质量的规定，来研究 超宽频滤波节电系统 应该达到的性能指标。
   

    在国际上，各个国际组织如电气及电子工程师协会、国际电工委员会（ IEC ）和国际大电网会议（ CIGRE ），纷纷推出了各

自建议的与谐波有关的标准。在这些标准中，被广泛接受的有 IEEE 519 标准和 IEC555-2 标准。在我国，原水利电力部于 1984年

根据国家经济委员会批转的《全国供用电规则》的规定制定并发布了 SD126-84 《电力系统谐波管理暂行规定》。国家技术监督局

于 1993 年颁布了谐波国家标准 GB/T14549-93 《电能质量 公用电网谐波》，该标准已于 1994 年在我国开始实施。
　　

    谐波（ Harmonic ）即对周期性的变流量进行傅里叶级数分解，得到频率为大于 1 的整数倍基波频率的分量，它是由电网中非

线性负荷而产生的。《电能质量 公用电网谐波》（ GB/T14529 － 93 ）中规定了各电压等级的总谐波畸变率，各单次奇次电压含

有率和各单次偶次电压含有率的限制值。该标准还规定了电网公共连接点的谐波电流（ 2 ～ 25 次）注入的允许值；而且同一公共

连接点的每个用户向电网注入的谐波电流允许值按此用户在该点的协议容量与其公共连接点的供电设备容量之比进行分配，以体现

供配电的公正性。
　　

    电压波动（ Fluctuation ）即电压方均根值一系列的变动或连续的改变，闪变（ Flick ）即灯光照度不稳定造成的视感，是

由波动负荷 ，如电弧炉、轧机、电弧焊机等引起的。《电能质量 电压波动和闪变》（ GB12326 － 2000 ）是在原来标准GB12326

－ 90 的基础上，参考了国际电工委员会（ IEC ）电磁兼容（ EMC ）标准 IEC6100 － 3 － 7 等而修订而成的，适用于由波动负

荷引起的公共连接点电压的快速变动及由此可能人对灯闪明显感觉的场合，该标准规定了各级电压下的闪变限制值。
　　

    三相电压不平衡允许值指的是在电力系统正常运行的最小方式下负荷所引起的电压不平衡度为最大的生产（运行）周期中的实

测值，例如炼钢电弧炉应在熔化期测量等。《电能质量 三相电压允许不平衡度》（ GB/T15543 － 1995 ）适用于交流额定频率为

50Hz 电力系统正常运行方式下由于负序分量而引起的 PCC 点连接点的电压不平衡，该标准规定：电力系统公共连接点正常运行方

式下不平衡度允许值为 2 ％，短时间不得超过 4 ％。

    滤波系统 （ APF ）在柔性交流输电系统（ FACTS ）家族中具有广义性。电能质量的许多问题均可通过不同的控制手段由超宽

频滤波节电装置 来解决。如谐波抑制、无功补偿、相间对称校正等。其次，在时域和频域分解的观点上，电能质量的诸多问题与谐

波是统一的，仅作用频率不同，如：基波频率整数倍的分量为通常意义上的谐波；分数倍、非整数倍分量分别称为闪变、间谐波；

而基波无功、非周期量可以分别看成是频率为系统频率和零频率的分量等。
    

    超宽频滤波节电系统 的性能要求，应以在任何状况下能精确、快速地分离出谐波和无功分量，并进行实时补偿来进行谐波抑制

、无功补偿、相间对称校正为依据。

    超宽频滤波节电系统 的稳态滤波性能可视为滤波的精度指标，即输入稳定的谐波源，不论检测出谐波和无功分量的时延如何，

以最终检测出的谐波与电网电流之差（即经过补偿后的电流）的 THD （ Total Harmonics Distortion ）作为衡量标准。根据实际

工业情况，以奇次谐波为主。

    超宽频滤波节电系统 的动态滤波性能可视为滤波的速度指标，即最终补偿后的 THD 值在一定范围的条件下，在谐波出现或突

变后的第几个周波，检测出的谐波分量才能完全跟踪上实际谐波分量。对实际中各种复杂的工况，应考虑的情况有：负荷电流幅值

突变（ Magnitude Flop ），非周期脉冲干扰（ Nonperiodic Pulse ），谐波相位突变（ Phase Shift ），电网电压的畸变影响

（ Voltage Harmonics ）。

三、使用前后对比波形图