有源濾波器在選煤廠供電系統(tǒng)諧波治理中的應(yīng)用與選型
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有源濾波器在選煤廠供電系統(tǒng)諧波治理中的應(yīng)用與選型
針對選煤廠供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中諧波對電機(jī)等設(shè)備的影響，在研究了諧波危害以及諸多諧波治理方法的基礎(chǔ)上，采用有緣濾波器抑制供電系統(tǒng)中的諧波分量，從而進(jìn)一步提高供電系統(tǒng)供電質(zhì)量。應(yīng)用效果顯示，使用有源濾波器后的系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，諧波分量抑制在可接受范圍內(nèi)，大部分電流諧波被過濾掉，功率因數(shù)由0.92提高到0.97，能夠?yàn)橐院箢愃频墓こ添?xiàng)目提供借鑒，改善礦井及選煤廠電網(wǎng)條件差的現(xiàn)狀。
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有源濾波器在選煤廠供電系統(tǒng)諧波治理中的應(yīng)用與選型
安科瑞電氣股份有限公司
王鑫杰17321398360
摘要:針對選煤廠供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中諧波對電機(jī)等設(shè)備的影響，在研究了諧波危害
以及諸多諧波治理方法的基礎(chǔ)上，采用有緣濾波器抑制供電系統(tǒng)中的諧波分量，
從而進(jìn)一步提高供電系統(tǒng)供電質(zhì)量。應(yīng)用效果顯示，使用有源濾波器后的系統(tǒng)運(yùn)
行穩(wěn)定，諧波分量抑制在可接受范圍內(nèi)，大部分電流諧波被過濾掉，功率因數(shù)由
0.92提高到0.97，能夠?yàn)橐院箢愃频墓こ添?xiàng)目提供借鑒，改善礦井及選煤廠電網(wǎng)
條件差的現(xiàn)狀。
關(guān)鍵詞:選煤廠;供電系統(tǒng);有源濾波器;諧波治理;諧波分量抑制
0引言
現(xiàn)代化的選煤廠一般都采用PLC或DCS進(jìn)行自動(dòng)控制，洗選過程中，由流量、壓
力、密度等參數(shù)與變頻技術(shù)結(jié)合形成的閉環(huán)控制系統(tǒng)得到更多的應(yīng)用。在自動(dòng)化
程度提高的同時(shí)，由于變頻器等應(yīng)用增多，非線性的設(shè)備接入電網(wǎng)，會(huì)將產(chǎn)生的
諧波電流反饋到電網(wǎng)中，進(jìn)而通過電網(wǎng)阻抗產(chǎn)生諧波壓降，引起電網(wǎng)電壓的畸變，
供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量下降，不利于系統(tǒng)的安全運(yùn)行。由于煤礦工業(yè)系統(tǒng)技術(shù)人員
對諧波重視程度不夠，沒有采取有效的諧波抑制措施，導(dǎo)致煤礦供電系統(tǒng)電網(wǎng)質(zhì)
量較差，有諧波引起的機(jī)電事故屢屢出現(xiàn)。
1諧波產(chǎn)生原因分析
諧波的產(chǎn)生根據(jù)其在供電系統(tǒng)中處的位置不同，原因可大致分為3種情況:電源
處本身具有的諧波、電源傳輸時(shí)產(chǎn)生諧波及變頻器、電焊機(jī)等末端用電設(shè)備產(chǎn)生
的諧波。廠房中照明使用的氣體放電燈的電路本身含有電弧，電弧的負(fù)阻特性也
會(huì)產(chǎn)生諧波。
對選煤廠來說負(fù)載中諧波主要是由變頻器產(chǎn)生的，現(xiàn)代化的洗煤廠，洗選過程通
常采用“傳感器—控制器—變頻調(diào)節(jié)”的模式來進(jìn)行密度、流量、壓力等工藝參
數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)。許多設(shè)備都需要使用變頻器，變頻器本身需要對正弦波電流進(jìn)行
“破壞重組”，即變頻的“整流—逆變”過程，在這個(gè)過程中會(huì)向電網(wǎng)反饋大量
的諧波電流。雖然目前對變頻器的制作有諧波量的限制，有時(shí)還要在變頻器的輸
入側(cè)增加電抗器，來降低諧波對電網(wǎng)的影響，但從目前來看，變頻器仍然是選煤
廠供電系統(tǒng)主要的諧波來源。
2諧波危害
諧波對選煤廠供電系統(tǒng)的危害有以下方面:
(1)對變壓器的危害諧波電流對變壓器的危害主要表現(xiàn)在會(huì)使變壓器產(chǎn)生附加損耗，變壓器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)
生溫度升高、噪聲增大。另諧波中含有的無功分量會(huì)占據(jù)部分變壓器容量，使得
變壓器的實(shí)際輸出容量變小。在諧波環(huán)境下運(yùn)行，加速絕緣老化，變壓器的壽命
也會(huì)降低。
(2)對供電線路的危害
諧波電流中含有較大的無功分量，會(huì)增加線路的損耗，導(dǎo)致電纜過熱，降低其使
用壽命。
(3)對無功補(bǔ)償裝置的危害
諧波電流會(huì)對系統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置造成了不同程度的影響，流過補(bǔ)償裝置的電流
過大會(huì)導(dǎo)致無功補(bǔ)償裝置中的保險(xiǎn)絲燒斷，甚至?xí)捎陔娙葸^熱導(dǎo)致無功補(bǔ)償裝
置中的電容炸裂。
電力諧波除直接威脅無功補(bǔ)償裝置的安全外，其對其他電氣設(shè)備壽命和線損的影
響及對供配電系統(tǒng)安全運(yùn)行的影響在很多方面是逐步積累的，其作用過程具有漸
進(jìn)性、隱蔽性。另外諧波還會(huì)影響到電力系統(tǒng)中微機(jī)自動(dòng)綜合保護(hù)裝置的工作，
對系統(tǒng)故障做出錯(cuò)誤判斷，誤動(dòng)作或者不動(dòng)作，影響供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。因此
為保證系統(tǒng)的安全性，應(yīng)對系統(tǒng)的諧波進(jìn)行治理。
3諧波治理方式
抑制諧波從原理上來說方法較多，例如:采用較高的電壓等級，電壓等級越高，
系統(tǒng)的短路容量越大，以某選煤廠為例，洗選系統(tǒng)采用重介洗煤工藝，對諧波的
承受能力也就越強(qiáng);再有就是增加變頻器等變流設(shè)備的脈動(dòng)數(shù)，理論上變流設(shè)備
反饋回電網(wǎng)的只有kP±1(k=1、2、3…，P 為脈動(dòng)數(shù))次的諧波，可見脈動(dòng)數(shù)越多，
諧波的產(chǎn)生量越少。
在工程中抑制諧波的手段主要有2種:①無源濾波即在系統(tǒng)中增加濾波電路;②有
源濾波。無源濾波可根據(jù)系統(tǒng)的諧波含量設(shè)計(jì)濾波電路，可濾掉固定頻次的諧波，
主要由電感、電容和電阻等元器件按照一定的設(shè)計(jì)參數(shù)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，具有容量較大、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，但是受
本身原理的制約，其在生產(chǎn)以后就只能濾除某頻率范圍內(nèi)的諧波。
有源電力濾波器是一種主動(dòng)性的電流補(bǔ)償諧波治理濾波裝置，可通過互感器對系
統(tǒng)電流進(jìn)行采樣，通過控制器分析中其中的諧波成分，然后控制晶閘管動(dòng)作，產(chǎn)
生一個(gè)與諧波電流大小一樣、方向相反的電流反饋到電網(wǎng)中，抵消電網(wǎng)中的諧波。
有源電力濾波器可濾除系統(tǒng)中多次及高次諧波，治理效果好，但容量一般不大，
且經(jīng)濟(jì)性不如無源濾波器。
4有源濾波器的應(yīng)用
設(shè)有兩套重介洗選流程，自動(dòng)化程度較高，重介淺槽入料泵、磁選尾礦泵、煤泥
泵、加壓過濾機(jī)入料泵、壓濾機(jī)入料泵等設(shè)備均需要變頻控制。根據(jù)設(shè)備分布，
其主要諧波源生產(chǎn)車間為主洗車間，該車間設(shè)有3 臺10/0.69kV變壓器，變壓器
容量為1600kVA，其中2 臺各自變壓器負(fù)擔(dān)一套重介系統(tǒng)的所有設(shè)備供電，另一臺則負(fù)責(zé)為2套重介系統(tǒng)配套的共用設(shè)備提供電源。其中1 臺變壓器下面帶有6
臺變頻器(所帶的電機(jī)容量*大為350kW)，設(shè)有1套480kVar 的電容補(bǔ)償裝置。
在工程調(diào)試過程中，由于350kW變頻電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，使選煤廠內(nèi)一臺2.2kW 的小
電機(jī)燒毀，更換電機(jī)后又出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場的情況進(jìn)行分析，初步判斷
是系統(tǒng)的諧波較大引起的，隨后對系統(tǒng)的諧波進(jìn)行了檢測，系統(tǒng)的電壓、電流波
形如圖1、圖2、圖3 所示，系統(tǒng)A、B、C三相電壓、電流及諧波的數(shù)據(jù)見表1。
可見，系統(tǒng)電流波形已發(fā)生嚴(yán)重畸變，電流畸變率已超過30%，其中以5 次、7
次諧波為主。
圖1電壓波形
圖2電流波形圖3各次諧波分布
表1三相電壓及電流數(shù)據(jù)
由表1中基本數(shù)據(jù)可知，B 相諧波電流*大，把B相電流Irms=574.5A，B相基波
電流IH1=545.6A，B相電流畸變率THDIb=32.6%代入計(jì)算公式:
選擇1套YD-APF 有源濾波器進(jìn)行諧波治理,YD-APF有源濾波器為模塊化設(shè)計(jì)，可
根據(jù)需補(bǔ)償?shù)碾娏魅萘?，自由的選擇模塊數(shù)量。根據(jù)式(1)的計(jì)算結(jié)果可知，系
統(tǒng)的諧波電流約177.9A,選擇有源濾波器容量為225A,含有3個(gè)75A濾波模塊有源
濾波器在低壓配電室內(nèi)與低壓柜并排安裝，取樣互感器取自變壓器低壓出線側(cè)，
根據(jù)系統(tǒng)取樣數(shù)據(jù),有源濾波器控制系統(tǒng)能自動(dòng)計(jì)算出系統(tǒng)的諧波分量,并生成一個(gè)大小一樣、方向相反的補(bǔ)償電流補(bǔ)償至供電系統(tǒng)中，從而抵消供電系統(tǒng)中的諧
波分量,使系統(tǒng)恢復(fù)平滑的正弦波形態(tài)。有源濾波裝置具有以下功能:
(1)實(shí)時(shí)監(jiān)測。YD-APF全功能監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，通過監(jiān)控
系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)讀取電網(wǎng)側(cè)、負(fù)載側(cè)的THD,和THD.各相電流大小.補(bǔ)償前后效果波
形圖及有源電力濾波器發(fā)出的補(bǔ)償電流大小、波形等一系列電能質(zhì)量數(shù)據(jù),操作
簡單，讀取數(shù)據(jù)方便。
(2)系統(tǒng)設(shè)置。YD-APF全功能監(jiān)控系統(tǒng)可設(shè)置工作模式、日期、CT 變比及補(bǔ)償模
式等一系列功能。設(shè)置系統(tǒng)需要密碼才可以操作，保證機(jī)器獨(dú)立安全運(yùn)行，所有
設(shè)置項(xiàng)會(huì)記憶并保存在系統(tǒng)中。
(3)后臺監(jiān)控。YD-APF有源濾波器RS485 和網(wǎng)口,通過數(shù)據(jù)線或網(wǎng)線可與計(jì)算機(jī)進(jìn)
行通訊。在計(jì)算機(jī)終端安裝后臺監(jiān)控軟件，即可實(shí)現(xiàn)對有源濾波器的遠(yuǎn)程操作和
控制,為了解有源濾波器的運(yùn)行提供了很大的便利。
其工作原理如圖4所示
4有源濾波器工作原理
通過安裝在低壓母線上的電流互感器對母線電流進(jìn)行采樣,通過YD-APF有源濾波
安科瑞電氣股份有限公司
王鑫杰17321398360
摘要:針對選煤廠供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中諧波對電機(jī)等設(shè)備的影響，在研究了諧波危害
以及諸多諧波治理方法的基礎(chǔ)上，采用有緣濾波器抑制供電系統(tǒng)中的諧波分量，
從而進(jìn)一步提高供電系統(tǒng)供電質(zhì)量。應(yīng)用效果顯示，使用有源濾波器后的系統(tǒng)運(yùn)
行穩(wěn)定，諧波分量抑制在可接受范圍內(nèi)，大部分電流諧波被過濾掉，功率因數(shù)由
0.92提高到0.97，能夠?yàn)橐院箢愃频墓こ添?xiàng)目提供借鑒，改善礦井及選煤廠電網(wǎng)
條件差的現(xiàn)狀。
關(guān)鍵詞:選煤廠;供電系統(tǒng);有源濾波器;諧波治理;諧波分量抑制
0引言
現(xiàn)代化的選煤廠一般都采用PLC或DCS進(jìn)行自動(dòng)控制，洗選過程中，由流量、壓
力、密度等參數(shù)與變頻技術(shù)結(jié)合形成的閉環(huán)控制系統(tǒng)得到更多的應(yīng)用。在自動(dòng)化
程度提高的同時(shí)，由于變頻器等應(yīng)用增多，非線性的設(shè)備接入電網(wǎng)，會(huì)將產(chǎn)生的
諧波電流反饋到電網(wǎng)中，進(jìn)而通過電網(wǎng)阻抗產(chǎn)生諧波壓降，引起電網(wǎng)電壓的畸變，
供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量下降，不利于系統(tǒng)的安全運(yùn)行。由于煤礦工業(yè)系統(tǒng)技術(shù)人員
對諧波重視程度不夠，沒有采取有效的諧波抑制措施，導(dǎo)致煤礦供電系統(tǒng)電網(wǎng)質(zhì)
量較差，有諧波引起的機(jī)電事故屢屢出現(xiàn)。
1諧波產(chǎn)生原因分析
諧波的產(chǎn)生根據(jù)其在供電系統(tǒng)中處的位置不同，原因可大致分為3種情況:電源
處本身具有的諧波、電源傳輸時(shí)產(chǎn)生諧波及變頻器、電焊機(jī)等末端用電設(shè)備產(chǎn)生
的諧波。廠房中照明使用的氣體放電燈的電路本身含有電弧，電弧的負(fù)阻特性也
會(huì)產(chǎn)生諧波。
對選煤廠來說負(fù)載中諧波主要是由變頻器產(chǎn)生的，現(xiàn)代化的洗煤廠，洗選過程通
常采用“傳感器—控制器—變頻調(diào)節(jié)”的模式來進(jìn)行密度、流量、壓力等工藝參
數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)。許多設(shè)備都需要使用變頻器，變頻器本身需要對正弦波電流進(jìn)行
“破壞重組”，即變頻的“整流—逆變”過程，在這個(gè)過程中會(huì)向電網(wǎng)反饋大量
的諧波電流。雖然目前對變頻器的制作有諧波量的限制，有時(shí)還要在變頻器的輸
入側(cè)增加電抗器，來降低諧波對電網(wǎng)的影響，但從目前來看，變頻器仍然是選煤
廠供電系統(tǒng)主要的諧波來源。
2諧波危害
諧波對選煤廠供電系統(tǒng)的危害有以下方面:
(1)對變壓器的危害諧波電流對變壓器的危害主要表現(xiàn)在會(huì)使變壓器產(chǎn)生附加損耗，變壓器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)
生溫度升高、噪聲增大。另諧波中含有的無功分量會(huì)占據(jù)部分變壓器容量，使得
變壓器的實(shí)際輸出容量變小。在諧波環(huán)境下運(yùn)行，加速絕緣老化，變壓器的壽命
也會(huì)降低。
(2)對供電線路的危害
諧波電流中含有較大的無功分量，會(huì)增加線路的損耗，導(dǎo)致電纜過熱，降低其使
用壽命。
(3)對無功補(bǔ)償裝置的危害
諧波電流會(huì)對系統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置造成了不同程度的影響，流過補(bǔ)償裝置的電流
過大會(huì)導(dǎo)致無功補(bǔ)償裝置中的保險(xiǎn)絲燒斷，甚至?xí)捎陔娙葸^熱導(dǎo)致無功補(bǔ)償裝
置中的電容炸裂。
電力諧波除直接威脅無功補(bǔ)償裝置的安全外，其對其他電氣設(shè)備壽命和線損的影
響及對供配電系統(tǒng)安全運(yùn)行的影響在很多方面是逐步積累的，其作用過程具有漸
進(jìn)性、隱蔽性。另外諧波還會(huì)影響到電力系統(tǒng)中微機(jī)自動(dòng)綜合保護(hù)裝置的工作，
對系統(tǒng)故障做出錯(cuò)誤判斷，誤動(dòng)作或者不動(dòng)作，影響供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。因此
為保證系統(tǒng)的安全性，應(yīng)對系統(tǒng)的諧波進(jìn)行治理。
3諧波治理方式
抑制諧波從原理上來說方法較多，例如:采用較高的電壓等級，電壓等級越高，
系統(tǒng)的短路容量越大，以某選煤廠為例，洗選系統(tǒng)采用重介洗煤工藝，對諧波的
承受能力也就越強(qiáng);再有就是增加變頻器等變流設(shè)備的脈動(dòng)數(shù)，理論上變流設(shè)備
反饋回電網(wǎng)的只有kP±1(k=1、2、3…，P 為脈動(dòng)數(shù))次的諧波，可見脈動(dòng)數(shù)越多，
諧波的產(chǎn)生量越少。
在工程中抑制諧波的手段主要有2種:①無源濾波即在系統(tǒng)中增加濾波電路;②有
源濾波。無源濾波可根據(jù)系統(tǒng)的諧波含量設(shè)計(jì)濾波電路，可濾掉固定頻次的諧波，
主要由電感、電容和電阻等元器件按照一定的設(shè)計(jì)參數(shù)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，具有容量較大、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，但是受
本身原理的制約，其在生產(chǎn)以后就只能濾除某頻率范圍內(nèi)的諧波。
有源電力濾波器是一種主動(dòng)性的電流補(bǔ)償諧波治理濾波裝置，可通過互感器對系
統(tǒng)電流進(jìn)行采樣，通過控制器分析中其中的諧波成分，然后控制晶閘管動(dòng)作，產(chǎn)
生一個(gè)與諧波電流大小一樣、方向相反的電流反饋到電網(wǎng)中，抵消電網(wǎng)中的諧波。
有源電力濾波器可濾除系統(tǒng)中多次及高次諧波，治理效果好，但容量一般不大，
且經(jīng)濟(jì)性不如無源濾波器。
4有源濾波器的應(yīng)用
設(shè)有兩套重介洗選流程，自動(dòng)化程度較高，重介淺槽入料泵、磁選尾礦泵、煤泥
泵、加壓過濾機(jī)入料泵、壓濾機(jī)入料泵等設(shè)備均需要變頻控制。根據(jù)設(shè)備分布，
其主要諧波源生產(chǎn)車間為主洗車間，該車間設(shè)有3 臺10/0.69kV變壓器，變壓器
容量為1600kVA，其中2 臺各自變壓器負(fù)擔(dān)一套重介系統(tǒng)的所有設(shè)備供電，另一臺則負(fù)責(zé)為2套重介系統(tǒng)配套的共用設(shè)備提供電源。其中1 臺變壓器下面帶有6
臺變頻器(所帶的電機(jī)容量*大為350kW)，設(shè)有1套480kVar 的電容補(bǔ)償裝置。
在工程調(diào)試過程中，由于350kW變頻電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，使選煤廠內(nèi)一臺2.2kW 的小
電機(jī)燒毀，更換電機(jī)后又出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場的情況進(jìn)行分析，初步判斷
是系統(tǒng)的諧波較大引起的，隨后對系統(tǒng)的諧波進(jìn)行了檢測，系統(tǒng)的電壓、電流波
形如圖1、圖2、圖3 所示，系統(tǒng)A、B、C三相電壓、電流及諧波的數(shù)據(jù)見表1。
可見，系統(tǒng)電流波形已發(fā)生嚴(yán)重畸變，電流畸變率已超過30%，其中以5 次、7
次諧波為主。
圖1電壓波形
圖2電流波形圖3各次諧波分布
表1三相電壓及電流數(shù)據(jù)
由表1中基本數(shù)據(jù)可知，B 相諧波電流*大，把B相電流Irms=574.5A，B相基波
電流IH1=545.6A，B相電流畸變率THDIb=32.6%代入計(jì)算公式:
選擇1套YD-APF 有源濾波器進(jìn)行諧波治理,YD-APF有源濾波器為模塊化設(shè)計(jì)，可
根據(jù)需補(bǔ)償?shù)碾娏魅萘?，自由的選擇模塊數(shù)量。根據(jù)式(1)的計(jì)算結(jié)果可知，系
統(tǒng)的諧波電流約177.9A,選擇有源濾波器容量為225A,含有3個(gè)75A濾波模塊有源
濾波器在低壓配電室內(nèi)與低壓柜并排安裝，取樣互感器取自變壓器低壓出線側(cè)，
根據(jù)系統(tǒng)取樣數(shù)據(jù),有源濾波器控制系統(tǒng)能自動(dòng)計(jì)算出系統(tǒng)的諧波分量,并生成一個(gè)大小一樣、方向相反的補(bǔ)償電流補(bǔ)償至供電系統(tǒng)中，從而抵消供電系統(tǒng)中的諧
波分量,使系統(tǒng)恢復(fù)平滑的正弦波形態(tài)。有源濾波裝置具有以下功能:
(1)實(shí)時(shí)監(jiān)測。YD-APF全功能監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，通過監(jiān)控
系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)讀取電網(wǎng)側(cè)、負(fù)載側(cè)的THD,和THD.各相電流大小.補(bǔ)償前后效果波
形圖及有源電力濾波器發(fā)出的補(bǔ)償電流大小、波形等一系列電能質(zhì)量數(shù)據(jù),操作
簡單，讀取數(shù)據(jù)方便。
(2)系統(tǒng)設(shè)置。YD-APF全功能監(jiān)控系統(tǒng)可設(shè)置工作模式、日期、CT 變比及補(bǔ)償模
式等一系列功能。設(shè)置系統(tǒng)需要密碼才可以操作，保證機(jī)器獨(dú)立安全運(yùn)行，所有
設(shè)置項(xiàng)會(huì)記憶并保存在系統(tǒng)中。
(3)后臺監(jiān)控。YD-APF有源濾波器RS485 和網(wǎng)口,通過數(shù)據(jù)線或網(wǎng)線可與計(jì)算機(jī)進(jìn)
行通訊。在計(jì)算機(jī)終端安裝后臺監(jiān)控軟件，即可實(shí)現(xiàn)對有源濾波器的遠(yuǎn)程操作和
控制,為了解有源濾波器的運(yùn)行提供了很大的便利。
其工作原理如圖4所示
4有源濾波器工作原理
通過安裝在低壓母線上的電流互感器對母線電流進(jìn)行采樣,通過YD-APF有源濾波
