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1、有源电力滤波器(APF)引言谐波电流和谐波电压的出现，对于电力系统运行是一种“污染”，它们降低了系统电压 正弦波形的质量，不但严重地影响电力系统自身，而且还危及用户和周围的通信系统。近半 个世纪以来，随着电力电子设备的推广应用，非线性负荷的迅速增加(例如电气机车、工业 电炉等的应用)，特别是高压直流输电的运用，谐波污染问题日趋严重，并因此受到人们普 遍的关注和重视。减小谐波影响的技术措施可以从两方面入手：一是从谐波源出发，减少谐 波的产生；二是安装滤波装置。常见的滤波器包括无源滤波器、有源滤波器以及混合滤波器。 无源滤波器(PF:Passive Filter)也称为LC滤波器，是由滤波电容器、
2、电抗器和电阻器适当 组合而成的滤波装置。无源滤波器的工业应用已经有相当长的历史，其设计方法稳定可靠 结构简单，但其滤波效果依赖于系统阻抗特性，并容易受温度漂移、网络上谐波污染程度 滤波电容老化及非线性负荷的影响。此外，无源滤波器仅能对特定的谐波进行有效地衰减 而出于经济和占地面积方面的考虑，滤波器个数均是有限的，所以对谐波含量丰富的场合 无源滤波器的滤波效果往往不够理想。与无源滤波器对应的是有源滤波器( APF:Active Power Filter)。有源电力滤波器采用开关变换器消除谐波电流，克服了无源滤波器的缺点。 有源电力滤波器有着无源滤波器无可比拟的技术优势，因此越来越受到人们的关注。
3、1. 有源滤波器的发展历史有源滤波器的思想最早出现于1969年B.M.Bird和J.F.Marsh的论文中。文中描述了通 过向交流电源注入三次谐波电流以减少电源中的谐波，改善电源电流波形的新方法。文中所 述的方法认为是有源滤波器思想的诞生。1971年日本的H.Sasaki和T.Machida完整描述了 有源电力滤波器的基本原理。1976年美国西屋电气公司的L.Gyugyi和E.C.Strycula提出了 采用脉冲宽度调制控制的有源电力滤波器，确定了主电路的基本拓扑结构和控制方法，从原 理上阐明了有源电力滤波器是一理想的谐波电流发生器，并讨论了实现方法和相应的控制原 理，奠定了有源电力滤波器的基
4、础。然而，在20世纪70年代由于缺少大功率可关断器件， 有源电力滤波器除了少数的实验室研究外，几乎没有任何进展。进入20世纪80年代以来， 新型半导体器件的出现，PWM技术的发展，尤其是1983年日本的H.Akagi等人提出了“三 相电路瞬时无功功率理论”，以该理论为基础的谐波和无功电流检测方法在三相有源电力滤 波器中得到了成功的应用，极大促进了有源电力滤波器的发展。与无源滤波器相比，有源滤波器是一种主动型的补偿装置，具有较好的动态性能。有源 电力滤波器是近年来电力电子领域的热门话题。目前，有源滤波技术已在日本、美国等少数 工业发达国家得到应用，有工业装置投入运行，其装置容量最高可达60MV.
5、A；国内对有源 电力滤波器的研究尚处于起步阶段。2. 有源滤波器的分类有源电力滤波器的基本思想如图所示APFffl1有源电力滤波器在图中，谐波源一般是非线性负载，如整流器等，产生谐波电流 I ，供电系统一般为h 被保护对象；有源滤波器表现为流控电流源，它的作用是产生和谐波源谐波电流大小相等方 向相反的补偿电流来达到消除谐波的目的。从不同的观点出发，有源电力滤波器具有不同的分类标准。（1）根据接入电网的方式，有源电力滤波器可以分为串联型、并联型和串-并联型三大 类。每一种类型的有源电力滤波器结构不同，因其工作原理、特性各不相同。串联型有源滤 波器经耦合变压器串接入电力系统，如图 2 所示，其可等
6、效为一个受控电压源，主要是消除 电压型谐波以及系统侧电压谐波与电压波动对敏感负载的影响。串联型有源电力滤波器应用 在直流系统中时，耦合变压器的系统接入侧很容易出现直流磁饱和问题，所以只在交流系统 中采用。与并联型有源电力滤波器相比，由于串联型有源电力滤波器中流过的是正常负荷电 流，因此损耗较大；此外，串联型有源电力滤波器的投切、故障后的退出及各种保护也较并 联型有源电力滤波器复杂。目前单独使用串联有源电力滤波器的例子较少，研究多集中在其 与 LC 无源滤波器所构成的串联混合型有源电力滤波器上。Diode Rectifier-cJ L +4*IfSorie&-AcUve Filter串联型有源电
7、力浦波器的基本拓扑结构并联型有源电力滤波器与系统并联等效为一个受控电流源，如图 3所示。有源滤波器向 系统注入与谐波电流大小相等方向相反的电流，从而达到滤波的目的。并联型有源电力滤波 器主要适用于电流源型感性负载的谐波补偿，技术上已相当成熟，工业上已投入使用的有源电力滤波器多采用此方案。与串联型有源电力滤波器相比并联型有源电力滤波器通过耦合变压器并入系统，不会对 系统运行造成影响，具有投切方便灵活以及各种保护简单的优点。但是当单独使用并联型有 源电力滤波器来滤除谐波时，有源电力滤波器容量要求很大，这样会带来一系列的问题，如 工程造价高、电磁干扰、结构复杂以及高的功率损耗等。0TDiode He
8、ctifierShunt Active Filterm 3并联型有源电力浦波器的基本拓扑结构图 4 所示为串 - 并联新型有源电力滤波器，相关文献称之为统一电能质量调节器(UPQC)。它综合了串联型和并联型两种结构，共同组成一个完整的用户电力装置来解决 电能质量的综合问题。其中，直流侧电容器或电感储能装置是串联型和并联型有源滤波器所 公用的，串联有源电力滤波器起到补偿电压谐波、消除系统不平衡、调节电压波动或闪变、 维持系统电压稳定性或阻尼振荡的作用。并联变流器起到补偿电流谐波不平衡、补偿负荷的 无功、调节变流器直流侧电压的作用。因此这种统一电能质量调节器可以实现短时间不间断 供电、蓄能、无功补
9、偿、抑制谐波、消除电压波动及闪变、维持系统电压稳定等功能，被认 为是最理想的有源滤波器的结构。这种结构即可用于三相系统，又可以用于单相系统。但是 其主要缺陷在于成本较高(需要较多的开关器件)和控制复杂。TPrimary DistributjouKIYans!bnuer V6.fikV礼、ASeries Active FilterShunt Active FilterUniEed Power Quality Condition nr 串-并联型有源电力滤渡器的基本拓扑结构(2) 根据接入电网的方式，有源电力滤波器还可以分为直接接入和通过无源滤波器间接 接入电网两种方式。图5 所示为混合型滤波器，
10、它是有源滤波器和无源滤波器的组合结构。这种滤波器结构 目前非常普遍，因为它并联的LC无源滤波器部分消除了大量的低次谐波，因而有源滤波器 部分容量可以做到很小（负荷容量的5%左右），这样大大减少了有源滤波器的体积和成本。 它可以同时消除电压和电流谐波，而且成本相对来说较低，因而非常受欢迎。但是这种结构 的滤波器的缺点在于只能针对特定负荷进行补偿，负荷运行状况变化较大的时候补偿性能不 好。（3）按有源电力滤波器中逆变器直流侧储能元件的不同，有源电力滤波器又可分为电压 型有源电力滤波器（储能元件为电容）和电流型有源电力滤波器（储能元件为电感）。电流型有源电力滤波器由一个大电感充当一个非正弦的电流源来
11、提供非线性负荷的谐 波电流。电流源型逆变器的最大缺点在于不能用于多电平场合，无法提高大容量时逆变器的 性能；电压型有一个较大的电容作为直流侧的电压支撑。由于这种结构轻便、便宜，并且可 以扩展为多电平结构，使其在开关频率较低的情况下取得较好的性能，与电流型有源电力滤 波器相比，电压型有源电力滤波器损耗较小、效率高，因此目前国内觉大多数有源电力滤波 器都采用电压型逆变器结构。根据日本电气学会的调查结果，两者在实际应用中所占的比例 分别是电压型 93.5%，电流型 6.5%。随着超导储能技术的不断发展，今后可能会有更多电 流型有源电力滤波器投入使用。（4）根据补偿系统的相数来分类，有源滤波器可分为单
12、相和三相两种，三相系统又分为 三相三线制和三相四线制。单相有源滤波器一般用于小功率的场合，例如商业写字楼或者学校教学楼带有电脑负荷 以及小型工厂。在这些场合中电流谐波可以在公共耦合点补偿掉，因此可以将几个小功率的 滤波器连接取代一个大的滤波器。这主要是由于在一个大楼中有好多的单相负荷并且中线上 存在大量谐波电流会有较大的危害。这样可以根据运行条件的不同有选择地进行补偿。但另 一方面，住宅性负荷并没有产生大量的集中的谐波。而且由于缺少强制的谐波约束法规，住 宅用户不可能投资于单相的有源滤波器。单相有源滤波器的主要优点在于处理小功率负荷， 因此变流器的开关频率可以很高，从而提高整个装置补偿谐波的性
13、能。对于三相装置，滤波器及主电路的选择取决于三相系统是否平衡。在相对低功率场合 （100KV.A）,三相系统可以采用三个单相有源滤波器或者单独的三相有源滤波器。对于平 衡负荷而言，如果目标仅仅是消除电流谐波而不需要三相系统及补偿电压谐波，采用三个单 相有源滤波器的结构是可行的。对于不平衡负荷电流或者不对称供电电压，主电路结构采用 基于三个单相逆变器的三相有源电力滤波器是可行的。大多数的单相负荷都是有带中线的三相系统供电的。它们给系统带来了大量的中线电 流、谐波、无功以及三相不平衡。三相四线制有源滤波器的引入就是为了减少这类系统出现 的问题。（5）根据应用场合分，有源电力滤波器还可以分为应用在直
14、流系统（主要是高压直流输 电系统）的有源直流滤波器和应用在交流系统的有源滤波器。（6）根据目的分为电力用户根据自身需要在谐波负荷附近安装的有源滤波器和电力公司 在变电站或配电网安装的有源滤波器。用户安装有源电力滤波器的目的是为了补偿谐波电流、电流不平衡以及电压闪变；电力 公司安装有源电力滤波器的目的是补偿配电系统普通耦合点处的谐波电压以及抑制由线路 电感（包括变压器漏感）和并联电容谐振引起的谐波加倍，从而改善电力系统的功率因数。3. 有源与无源的比较与无源滤波器相比，有源电力滤波器具有高度可控性和快速响应性，其具体特点如下：（1）具有自适应功能，实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波及变化
15、的无功功 率进行补偿，对补偿的对象有极快的响应。（2）可同时对谐波和无功功率进行补偿，补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时 所需储能元件容量不大，且补偿无功功率的大小可以做到连续调节。（3）受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振；且可以跟踪电网频率的变化， 故补偿性能不受电网频率变化的影响。尽管有源电力滤波器有着无源滤波器所不具备的巨大技术优势，但目前要想在电力系统 中完全取代无源滤波器还不太现实。这是因为与无源滤波器相比较，有源电力滤波器的成本 较高，这一点是限制有源电力滤波器推广使用的关键。随着电力电子工业的发展，器件的性 价比将不断提高，有源电力滤波器必然会得到广泛应用。无源
16、滤波器和有源滤波器的工程造价与谐波要求关系如图6所示。F造愉谐波要求严格6有源电力滤波軽和无源浦波器性愉比的对照从图 6中可以看出，谐波标准要求越高，对无源滤波器而言，就是滤波支路增多，其硬 件造价几乎是以指数速率增长的。而对有源电力滤波器而言，主要是增加控制的难度和复杂 度，硬件的造价基本不受影响。因此，对于电能质量要求越来越严格的今天，采用有源电力 滤波器作为谐波消除装置的优点正在越来越突出。4. 有源滤波器结构及工作原理无论有源电力滤波器如何分类，它都是由几个共同的部分构成，即谐波检测环节、控制 系统、主电路以及耦合变压器四个主要的部分构成。如图 7 所示，基本工作原理为:首先通过谐波检测环节检测出系统中的谐波并给出需要补偿谐波的参考值，然后通过控制系统根 据该参考值
