Aktywny filtr harmonicznych (AHF) — kompensacja dynamiczna kontra strojony filtr pasywny

Przewodnik o strojonych dławikach i bateriach kondensatorów opisuje pasywny filtr rozstrojony: stałą kombinację dławik- kondensator, strojoną tuż poniżej jednej konkretnej harmonicznej, która zapobiega rezonansowi z siecią, ale poza tym ma stałe, niedostosowujące się zachowanie kompensacyjne. Ten artykuł opisuje alternatywę: aktywny filtr harmonicznych (AHF), zwany także aktywnym filtrem mocy.

Zasada działania

AHF to urządzenie energoelektroniczne (zwykle oparte na IGBT, ze sterowaniem PWM), podłączane równolegle (bocznikowo) do odbiornika. Filtr stale mierzy zniekształcony prąd odbiornika, oblicza w czasie rzeczywistym, które składowe harmoniczne są w nim obecne (zob. przewodnik o harmonicznych i THD w sprawie tła tego zjawiska), i wstrzykuje prąd znajdujący się w przeciwfazie do tych składowych harmonicznych — tak że prąd, który „widzi" sieć w punkcie przyłączenia, pozostaje niemal czysto sinusoidalny.

Kluczowa różnica względem strojonego filtra pasywnego

• Strojenie: pasywny filtr rozstrojony jest fizycznie nastrojony na jedną (lub ograniczoną liczbę) harmoniczną i nie zmienia tego zachowania przy zmianie obciążenia. AHF stale mierzy, które harmoniczne są faktycznie obecne, i kompensuje je — zwykle kilka rzędów jednocześnie, w granicach pasma swojego regulatora i częstotliwości przełączania.
• Ryzyko rezonansu: filtr pasywny stanowi sieć LC i może, przy niewłaściwym dostrojeniu względem impedancji sieci, wręcz wzmocnić rezonans (zob. przewodnik o filtrze rozstrojonym w sprawie tych ryzyk). AHF jest urządzeniem sterowanym jako źródło prądu, a nie siecią LC, i nie niesie takiego ryzyka rezonansu z siecią.
• Zdolność adaptacji: jeśli widmo harmonicznych odbiornika się zmienia (na przykład przez dodanie nowych przemienników częstotliwości lub oświetlenia LED), AHF nadal skutecznie kompensuje w granicach swojej mocy bez przeprojektowania — filtr pasywny w takim przypadku musiałby zostać przestrojony lub uzupełniony.
• Funkcje dodatkowe: wiele AHF, oprócz kompensacji harmonicznych, może również korygować moc bierną (zob. przewodnik o korekcji współczynnika mocy) oraz, w wersjach trójfazowych, kompensować część asymetrii faz — funkcje, których standardowy filtr pasywny nie oferuje.

Dobór mocy: na podstawie prądu harmonicznego, nie pełnego prądu odbiornika

AHF dobiera się na podstawie wartości skutecznej prądów harmonicznych podlegających kompensacji, a nie pełnego (podstawowa harmoniczna plus harmoniczne) prądu odbiornika. AHF o zbyt niskiej mocy w stosunku do rzeczywistego poziomu harmonicznych instalacji kompensuje jedynie częściowo — pozostały, niezkompensowany prąd harmoniczny może na przykład nadal prowadzić do zwiększonego obciążenia przewodu neutralnego (zob. przewodnik o przewodzie neutralnym i trzeciej harmonicznej).

Uwaga: nie istnieje specyficzna normatywna norma badawcza IEC dla konstrukcji samego AHF, w przeciwieństwie na przykład do IEC 62040-3 dla UPS. IEC 61000-3-2 opisuje granice emisji prądów harmonicznych dla mniejszych urządzeń, a IEC 61000-4-7 — odpowiednią metodę pomiaru harmonicznych i interharmonicznych; normy te tworzą ramy odniesienia, w których dobiera się moc AHF, obok wytycznych na poziomie systemowym, takich jak IEEE 519.

Znaczenie praktyczne

Dla instalacji o silnie zmiennym lub rosnącym profilu harmonicznych — na przykład z powodu rosnącej liczby przemienników częstotliwości, punktów ładowania lub grup oświetlenia LED — AHF jest często bardziej odpowiednim wyborem niż filtr pasywny, właśnie dlatego, że kompensacji nie trzeba z góry dostrajać do jednej stałej sytuacji. Dla stabilnej, dobrze scharakteryzowanej dominującej harmonicznej (np. dużego, stale pracującego przekształtnika 6-pulsowego) strojony filtr pasywny często pozostaje prostszym i tańszym rozwiązaniem na skompensowany kVAr.

Typowe błędy

1. Dobór mocy AHF na podstawie pełnego prądu odbiornika zamiast rzeczywistego prądu harmonicznego — prowadzi to do znacznie przewymiarowanego i niepotrzebnie drogiego filtra.
2. Stosowanie AHF bez wcześniejszego pomiaru rzeczywistego widma harmonicznych (zob. przewodnik o pomiarze harmonicznych analizatorem sieci) — bez takiego pomiaru nie da się określić wymaganej mocy i pasma.
3. Traktowanie AHF i strojonego filtra pasywnego jako całkowicie zamiennych — wybór zależy od stabilności profilu harmonicznych, ryzyka rezonansu oraz pożądanych funkcji dodatkowych (kompensacja mocy biernej, asymetria faz).

Powiązane

• Strojony dławik / filtr rozstrojony — rezonans
• Harmoniczne i THD
• Korekcja współczynnika mocy
• Przewód neutralny — obciążenie trzecią harmoniczną