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摘要：有源滤波器采用的是现代电力电子技术、数字信号处理技术和先进控制理论的电力技术，它有助于电网谐波的动态性实时补偿，是目前解决谐波污染、改善电能质量最有效和最具潜力的途径之一。探讨了电力变压器节能技术的基础理论以及节能检测控制的集中措施，最后提出在有源滤波器中运用节能技术应注意的技术问题。
关键词：有源滤波器；电力变压器；节能
作者简介：张伟浩（1976-），男，广东湛江人，中国石化茂名分公司炼油分部，工程师。（广东 茂名 525000）
中图分类号：TM711 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）27-0208-02
有源电力滤波器（APF）指的是为治理电力系统谐波、改善电能质量所采取的有效措施，是改善和提高电能质量的有效手段之一。和传统的无源滤波器（ PF）相比，有源电力滤波器具有能补偿各次谐波、抑制闪变、补偿无功、自动跟踪补偿变化谐波等技术上的优势，使得电网电流波形保持正弦，有效提高了电能的整体质量。[1]目前，APF主要应用在负荷端有大量非线性负使用而导致电压和电流严重畸变的系统之中，它最主要的功能就是消除电力系统电压和电流之间的谐波分量，从而保留电压和电流的基波分量。
一、基于谐波消除的电力变压器节能理论基础分析
空载损耗是变压器运行的最主要损耗。其主要的构成要素包括涡流损耗以及磁滞损耗这两种类型。其中，对于涡流损耗而言，其最主要的产生原理为：铁芯所对应金属感应现象引发电势，并于铁芯内部形成涡流现象。在受到电阻因素影响的情况下，最终引发损耗问题。结合实践经验证实：涡流损耗与感应电势的平方数值呈正比例相关关系。具体来说，变压器涡流损耗的计算方式可通过如下公式实现：
在该计算公式当中，C2的取值大小受到了变压器厚度系数、硅钢片材料性质的共同影响；Bm的取值大小主要决定于交变磁通状态下磁密最大值；f的取值大小则主要决定于变压器设备的运行频率；V的取值大小则主要受到了变压器铁磁材料总体体积的影响。
而对于变压器空载损耗当中的磁滞损耗而言，其主要是指变压器铁磁材料在反复性的交变磁环反应过程当中所出现的损耗问题。一般来说，磁滞回线所对应的面积大小是直接决定变压器磁滞损耗大小的因素，两者之间呈反比例相关关系，具体的计算方式如下所示：
在该计算公式当中，C1的取值大小受到了变压器硅钢片材料特性的影响，实际计算中需要综合对铁芯磁导率以及铁芯密度的衡量来计算。
由以上两式可以看出，变压器的损耗会受到谐波电流次数的显著影响，两者之间的关系为正相关。从这一角度上来说，若能够对变压器的高次谐波进行合理的控制，势必会对变压器损耗的降低有显著意义。而这也正是建立在谐波消除基础之上，实现电力变压器节能目的的理论原理所在。
二、有源滤波器的节能检测控制
1.补偿电流的检测方法
（1）通过对带阻滤波器装置的应用，使基波电流能够流经待检测的电流。通过此种方式，将所获取的变压器高次谐波设定为检测电流的补偿对象。我们通常将此种对补偿电流的检测方式称之为基波电流减去法。[2]此项方法的优势在于：补偿反应直观，且可操作性强，但同样存在一定的不足之处，即整个有源滤波器在功能实现方面相对比较简单，仅能够针对变压器高次谐波进行消除。并且，对带阻滤波器装置的应用是建立在理想环境下的，实际环境中无法达到理想的应用状态。因此，在现阶段的电力系统建设中，较少会使用此种检测方法。
（2）在有关补偿电流检测方面还有一个关键性的方法，即频率分析法。此项检测方法以傅里叶级数分析法为基础而形成。在对畸变电流、电压进行检测的基础之上，对其实施基于傅里叶式的转换。转化过程当中可将畸变电流、电流分解成分具有高次谐波代数属性的组分，最终形成相应的补偿电流。但由于其建立在傅里叶级数分析的基础之上，导致检测数据的分析存在比较大的难度，且相对于实际情况的可调控性较低。有源滤波器谐波检测如图1所示。
2.补偿电流控制途径
现阶段，补偿电流的控制主要可通过以下几种途径实现：
（1）三角载波调制法。指的是将在检测环节所得到的电流实际值和参考值之间的偏差产生的控制信号与高频的三角调制波展开实时比较，最后将所得到的矩形脉冲作为逆变器各个开关组件的一个控制性的信号，从而在逆变器的输出端得到所需要的波形。这种调制方法的最大优势在于开关的频率比较固定，响应的速度也较快，而且对高开关频率的系统具有较好的控制特性。但是这种方法最大的不足在于电流系统的硬件较为复杂，以致出现的误差较大，而且调制器的带宽是有限的，不能滤除所有调制性信号的所有脉动，输出的波型中可能存在与三角载波相同频率的高频畸变分量；高频的三角波会使逆变器一直处于保持高频工作状态，这就会产生较大的开关损耗和高频失真，在大功率的系统应用中无法正常使用。
（2）滞环比较调制法。这种方法是以补偿电流的参考值为基准而设计的1个滞环带，在实际的补偿电流将要离开滞环带时，逆变器的开关就会自动工作，使得实际的电流始终停留在滞环带以内，数值始终围绕其参考值的上下在波动。[3]这种调制方法的优势在于它的硬件电比较路简单，容易实现，而且动态的响应较快，控制的精度高。但不足是对于无线连接的逆变器而言，若三相间的控制不能独立，则势必会产生相间的干扰，这样就不利于快速暂停的有效控制。
三、有源电力滤波器节能措施及需要注意的问题
1.有源电力滤波器节能措施
（1）采用静止无功补偿器（SVC）提高功率因数，降低变压器绕组损耗。无功补偿能给大型电力用户带来明显的经济效益，它通过提高功率因数，使得负荷电流下降，大大减少了传输线路的有功损耗。
（2）实行经济调度，提高变压器运行效率，实现经济运行。为实现经济调度，常根据负载率选择变压器容量：根据实际需要采用并列、解列等运行方式，减少冷却装置消耗的功率，将冷却器分组控制和辅机变速运行。实践证明，使变压器经济运行，可使变压器能耗下降10%以上。
（3）铁芯损耗的控制。变压器损耗中的空载损耗，即铁损，主要发生在变压器铁芯叠片内，主要是因交变的磁力线通过铁芯产生磁滞及涡流而带来的损耗。
2.应用过程中存在的问题
一是在有源滤波变压器设备容量不断增大，开关使用频率持续提高的背景之下，为了能够确保对电流控制的快速性，兼顾对电流补偿效果的可靠提升，就要求有源滤波变压器设备能够始终保持在高频率性的运转状态之下。因而，如何在有源滤波变压器的高效运行以及经济运行方面寻求共赢性的发展，应当是各方人员重点关注并解决的问题。
二是基于对电力系统运行稳定性性能的改善，通过对有源滤波器装置价格的降低以及功能的综合化发展，要求能够达到逐步缓解并消除电力系统高次谐波的问题，下一步工作的重点应当放在对有源滤波器性价比的合理提升之上。
四、结束语
有源电力滤波器节能技术的应用至关重要。在实践工作当中，除对西方发达国家所积累电子器件制造技术进行借鉴与引入以外，还需要重视对与电力系统标准规范相契合的控制技术的研发工作。通过各方人员的通力合作，必定能够将有源电力滤波器的节能效益充分发挥出来。
参考文献：
[1]赵良炳，马维新等.现代电力电子学及其在电力系统中的应用——在电力系统中应用的电力电子装置[J].电网技术，2010，（5）.
[2]胡铭，陈绗.有源滤波技术及其应用[J].电力系统自动化，2009，
28（3）：33-38.
[3]马晓军，陈建业，等.单相并联型有源滤波器的研究[J].清华大学学报，2011，35（7）：39-43.
[4]邓恒，殷波，查晓明，等.综合电能质量控制器[J].电网技术，
2012，25（14）：60-63.
关键词：有源滤波器；电力变压器；节能
作者简介：张伟浩（1976-），男，广东湛江人，中国石化茂名分公司炼油分部，工程师。（广东 茂名 525000）
中图分类号：TM711 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）27-0208-02
有源电力滤波器（APF）指的是为治理电力系统谐波、改善电能质量所采取的有效措施，是改善和提高电能质量的有效手段之一。和传统的无源滤波器（ PF）相比，有源电力滤波器具有能补偿各次谐波、抑制闪变、补偿无功、自动跟踪补偿变化谐波等技术上的优势，使得电网电流波形保持正弦，有效提高了电能的整体质量。[1]目前，APF主要应用在负荷端有大量非线性负使用而导致电压和电流严重畸变的系统之中，它最主要的功能就是消除电力系统电压和电流之间的谐波分量，从而保留电压和电流的基波分量。
一、基于谐波消除的电力变压器节能理论基础分析
空载损耗是变压器运行的最主要损耗。其主要的构成要素包括涡流损耗以及磁滞损耗这两种类型。其中，对于涡流损耗而言，其最主要的产生原理为：铁芯所对应金属感应现象引发电势，并于铁芯内部形成涡流现象。在受到电阻因素影响的情况下，最终引发损耗问题。结合实践经验证实：涡流损耗与感应电势的平方数值呈正比例相关关系。具体来说，变压器涡流损耗的计算方式可通过如下公式实现：
在该计算公式当中，C2的取值大小受到了变压器厚度系数、硅钢片材料性质的共同影响；Bm的取值大小主要决定于交变磁通状态下磁密最大值；f的取值大小则主要决定于变压器设备的运行频率；V的取值大小则主要受到了变压器铁磁材料总体体积的影响。
而对于变压器空载损耗当中的磁滞损耗而言，其主要是指变压器铁磁材料在反复性的交变磁环反应过程当中所出现的损耗问题。一般来说，磁滞回线所对应的面积大小是直接决定变压器磁滞损耗大小的因素，两者之间呈反比例相关关系，具体的计算方式如下所示：
在该计算公式当中，C1的取值大小受到了变压器硅钢片材料特性的影响，实际计算中需要综合对铁芯磁导率以及铁芯密度的衡量来计算。
由以上两式可以看出，变压器的损耗会受到谐波电流次数的显著影响，两者之间的关系为正相关。从这一角度上来说，若能够对变压器的高次谐波进行合理的控制，势必会对变压器损耗的降低有显著意义。而这也正是建立在谐波消除基础之上，实现电力变压器节能目的的理论原理所在。
二、有源滤波器的节能检测控制
1.补偿电流的检测方法
（1）通过对带阻滤波器装置的应用，使基波电流能够流经待检测的电流。通过此种方式，将所获取的变压器高次谐波设定为检测电流的补偿对象。我们通常将此种对补偿电流的检测方式称之为基波电流减去法。[2]此项方法的优势在于：补偿反应直观，且可操作性强，但同样存在一定的不足之处，即整个有源滤波器在功能实现方面相对比较简单，仅能够针对变压器高次谐波进行消除。并且，对带阻滤波器装置的应用是建立在理想环境下的，实际环境中无法达到理想的应用状态。因此，在现阶段的电力系统建设中，较少会使用此种检测方法。
（2）在有关补偿电流检测方面还有一个关键性的方法，即频率分析法。此项检测方法以傅里叶级数分析法为基础而形成。在对畸变电流、电压进行检测的基础之上，对其实施基于傅里叶式的转换。转化过程当中可将畸变电流、电流分解成分具有高次谐波代数属性的组分，最终形成相应的补偿电流。但由于其建立在傅里叶级数分析的基础之上，导致检测数据的分析存在比较大的难度，且相对于实际情况的可调控性较低。有源滤波器谐波检测如图1所示。
2.补偿电流控制途径
现阶段，补偿电流的控制主要可通过以下几种途径实现：
（1）三角载波调制法。指的是将在检测环节所得到的电流实际值和参考值之间的偏差产生的控制信号与高频的三角调制波展开实时比较，最后将所得到的矩形脉冲作为逆变器各个开关组件的一个控制性的信号，从而在逆变器的输出端得到所需要的波形。这种调制方法的最大优势在于开关的频率比较固定，响应的速度也较快，而且对高开关频率的系统具有较好的控制特性。但是这种方法最大的不足在于电流系统的硬件较为复杂，以致出现的误差较大，而且调制器的带宽是有限的，不能滤除所有调制性信号的所有脉动，输出的波型中可能存在与三角载波相同频率的高频畸变分量；高频的三角波会使逆变器一直处于保持高频工作状态，这就会产生较大的开关损耗和高频失真，在大功率的系统应用中无法正常使用。
（2）滞环比较调制法。这种方法是以补偿电流的参考值为基准而设计的1个滞环带，在实际的补偿电流将要离开滞环带时，逆变器的开关就会自动工作，使得实际的电流始终停留在滞环带以内，数值始终围绕其参考值的上下在波动。[3]这种调制方法的优势在于它的硬件电比较路简单，容易实现，而且动态的响应较快，控制的精度高。但不足是对于无线连接的逆变器而言，若三相间的控制不能独立，则势必会产生相间的干扰，这样就不利于快速暂停的有效控制。
三、有源电力滤波器节能措施及需要注意的问题
1.有源电力滤波器节能措施
（1）采用静止无功补偿器（SVC）提高功率因数，降低变压器绕组损耗。无功补偿能给大型电力用户带来明显的经济效益，它通过提高功率因数，使得负荷电流下降，大大减少了传输线路的有功损耗。
（2）实行经济调度，提高变压器运行效率，实现经济运行。为实现经济调度，常根据负载率选择变压器容量：根据实际需要采用并列、解列等运行方式，减少冷却装置消耗的功率，将冷却器分组控制和辅机变速运行。实践证明，使变压器经济运行，可使变压器能耗下降10%以上。
（3）铁芯损耗的控制。变压器损耗中的空载损耗，即铁损，主要发生在变压器铁芯叠片内，主要是因交变的磁力线通过铁芯产生磁滞及涡流而带来的损耗。
2.应用过程中存在的问题
一是在有源滤波变压器设备容量不断增大，开关使用频率持续提高的背景之下，为了能够确保对电流控制的快速性，兼顾对电流补偿效果的可靠提升，就要求有源滤波变压器设备能够始终保持在高频率性的运转状态之下。因而，如何在有源滤波变压器的高效运行以及经济运行方面寻求共赢性的发展，应当是各方人员重点关注并解决的问题。
二是基于对电力系统运行稳定性性能的改善，通过对有源滤波器装置价格的降低以及功能的综合化发展，要求能够达到逐步缓解并消除电力系统高次谐波的问题，下一步工作的重点应当放在对有源滤波器性价比的合理提升之上。
四、结束语
有源电力滤波器节能技术的应用至关重要。在实践工作当中，除对西方发达国家所积累电子器件制造技术进行借鉴与引入以外，还需要重视对与电力系统标准规范相契合的控制技术的研发工作。通过各方人员的通力合作，必定能够将有源电力滤波器的节能效益充分发挥出来。
参考文献：
[1]赵良炳，马维新等.现代电力电子学及其在电力系统中的应用——在电力系统中应用的电力电子装置[J].电网技术，2010，（5）.
[2]胡铭，陈绗.有源滤波技术及其应用[J].电力系统自动化，2009，
28（3）：33-38.
[3]马晓军，陈建业，等.单相并联型有源滤波器的研究[J].清华大学学报，2011，35（7）：39-43.
[4]邓恒，殷波，查晓明，等.综合电能质量控制器[J].电网技术，
2012，25（14）：60-63.