有源电力滤波器的发展与应用

摘要：介绍有源电力滤波器在国外近年来的一些发展情况，介绍有源电力滤波器目前的主要研究问题、分类及其应用情况。

关键词：谐波有源电力滤波器

Development and Application of APF

Abstract： The information about active power filter is introduced in this paper. The main research

problems, classify and application of active power filter in overseas are introduced.

Keywords： Harmonics Active power filter

1引言

　　电力电子装置和非线性负载的普遍使用，使谐波电流和无功电流大量注入电网，严重威胁电网和电气设备的安全运行与正常使用，对谐波无功进行滤波和补偿已成为电力电子技术、电力系统、电气自动化、理论电工等领域中的重要研究课题。

　　使用无源滤波装置来解决无功和谐波问题存在许多缺点。如无源滤波器的设计大多针对特定频率的谐波，只能滤除特定次谐波，存在着与电网发生谐振的可能性；并且对电网阻抗和频率变化十分敏感；体积大、损耗大等等。为解决这一问题，人们做了许多研究与探讨，其中具有代表意义的是有源电力滤波器[1]。从目前国外的使用情况来看，利用有源电力滤波器进行谐波和无功补偿是今后的一个发展趋势。

　　有源电力滤波器是一种动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，它能对频率和大小都变化的谐波和无功进行补偿，可以弥补无源滤波器的缺点，获得比无源滤波器更好的补偿特性，是一种理想的补偿谐波装置[2]。早在70年代，有源电力滤波器的基本原理和主电路拓扑结构就已被确定[3]，但由于受当时的技术条件限制，未能使有源电力滤波器得以实施。进入80年代后，新型电力电子器件的出现、PWM控制技术的发展以及瞬时无功功率理论的提出，极大地促进了有源电力滤波器技术的发展。近年来，国外已开始在工业和民用设备上广泛使用有源电力滤波器[4]，并且单机装置的容量逐步提高，其应用领域从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统供电质量的方向发展。

2有源电力滤波器近期的发展动向

　　关于有源电力滤波器技术近期的研究主要集中在以下几个方面：

　　⑴谐波理论的进一步研究；

　　⑵进一步降低补偿装置的容量;

　　⑶控制系统的简化与数字化;

　　⑷补偿装置的多功能化

　　其中⑴与系统的谐波理论有关；⑵、⑶的目的是进一步减小补偿装置的制造成本和损耗，进一步提高装置的可靠性；⑷是指有源电力滤波器除能补偿谐波外还具备其它的功能。2.1谐波理论的进一步研究

　　采用傅里叶级数对非正弦连续的时间周期函数进行变换是谐波分析最基本和常用的方法。这种方法根据采集到的一个电周期的电流值进行计算，得到该电流所包含的谐波次数。其缺点是需要一定的时间采样并且要进行两次变换，计算量大、实时性不好，因此该方法大多用于谐波的离线分析，难以用于有源电力滤波器所要求的实时检测。该方法早期曾在有源电力滤波器中用过，80年代瞬时无功功率理论出现后已不再采用。

　　为了能在线实时检测和补偿谐波，日本学者赤木泰文等人提出了瞬时无功功率理论[1]。该理论突破了传统的以平均值为基础的功率定义，系统地定义了瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量。以该理论为基础，可以得出用于有源电力滤波器的谐波和无功电流的实时检测方法，对于谐波和无功补偿装置的研究和开发起了极大的推动作用。但这一理论也存在一些缺点，一些量的物理概念比较模糊，在解决一些传统概念和问题时遇到困难。所以如何建立更为完善的功率定义和理论为大家所接受，还需做出更多努力[5]。

　　三相电路瞬时无功功率理论已经成功地应用到三相三线制系统并取得了良好的补偿效果，在国外有源电力滤波器已被广泛使用[4]。有源电力滤波器的应用领域已从原先的三相三线制系统逐步扩展到其它类型的电路如单相电路、三相四线制电路以及直流输电等更为广泛的领域。

2.2进一步降低装置容量

　　有源电力滤波器容量与其它三相交流电力设备的容量定义相同。有源电力滤波器中最基本的是并联型，其容量取决于与装置连接的交流回路电压有效值与补偿电流有效值的乘积。并联型有源电力滤波器与谐波源负载所接的交流电压相同，因此装置的容量主要由补偿电流决定，而补偿电流的大小和装置的补偿目的有关，即有源电力滤波器仅仅是只补偿谐波还是要同时补偿谐波和无功。只补偿谐波时，有源电力滤波器的补偿电流与负载电流的谐波分量大小相等而方向相反，两者的有效值是一样的，这种情况下，装置的容量取决于负载电流中谐波的大小。如果要求有源电力滤波器同时补偿谐波和无功，则装置容量由补偿对象中谐波组成及要求补偿无功的程度共同决定。

　　由于有源电力滤波器的价格要远远高于无源滤波器，为降低补偿装置的投资，主要办法就是降低有源电力滤波器的容量。目前的主要思路是将有源电力滤波器和无源滤波器混合使用，用无源滤波器滤除谐波源中主要的谐波电流，用有源电力滤波器来提高总体的补偿效果，这就是混合型有源电力滤波器。还有学者提出其他方法，如注入回路方式等等，其主要目的也是降低有源滤波器的容量，但尚未进入实用阶段[4]。

2.3控制系统的简化

　　有源电力滤波器为了能及时产生补偿电流以抵消谐波源负载的谐波电流，要求其控制电路必须实时检测、计算补偿对象的谐波电流。目前完成这部分工作的主要是基于瞬时无功功率理论的各种检测计算电路。实现时多为模拟电路，其线路较为繁琐、结构较为复杂。许多学者一直在寻找比较简单的方法来完成这部分工作。另外，随着高速数据处理芯片DSP接口功能的日趋完善，采用数字化方法来实现这部分工作的研究也在积极地进行。

2.4补偿装置的多功能化

有源电力滤波器本身除能补偿谐波外，通过在控制电路上加以改造还可以补偿基波无功、电压闪变以及电压的不平衡等功能。有关这部分的研究也引起许多学者的关心并取得了许多研究成果[4]。

3有源电力滤波器的分类及应用情况

3．1分类

图1给出了有源电力滤波器的分类，图中APF为有源电力滤波器的英文缩写。用户使用的电源类型包括直流电源和交流电源两类，故有源电力滤波器按供电的类型可分为交流有源电力滤波器和直流有源电力滤波器[6]。从与负载联接形式的角度可分为并联型有源电力滤波器和串联型有源电力滤波器两大类。目前，有源电力滤波器的研究主要集中在交流有源电力滤波器，直流有源电力滤波器的研究也在逐步开展，典型的研究之一是在直流输电系统中的应用。

图1有源电力滤波器的分类

（a）串联型有源电力滤波器（b）并联型有源电力滤波器

（c）串联混合型有源电力滤波器（d）并联混合型有源电力滤波器

（e）统一电能质量调节器(f)直流输电用有源电力滤波器

图2不同形式有源电力滤波器与负载之间的连接原理图

　　图2给出了有源电力滤波器与供电系统和负载之间连接的原理示意图。

3.2应用情况

　　有源电力滤波器技术在日本已经成熟，其产品开始进入实用化阶段[4]，从1983年到1995年，共有455套有源电力滤波器投入实际使用。下面就几个方面给出一些基本情况。

　　⑴生产台数和容量

从1991年到1995年累计生产355台，与1983年到1991年约7年间共生产了近100台相比，产量有了大幅度上升，图3给出了生产台数与容量的基本情况图示。从图中可以看出，200kVA以下的占70％左右，超过1000kVA的约为7％。实际上，近1～2年50kVA以下的台数增加显著，也反映了对谐波抑制重要性的认识在提高。

图31991～1995年出厂的台数和容量的比率

　　⑵用途

　　图4给出了有源电力滤波器在实际中不同行业的使用情况，使用在供水和污水处理设备中的约占40％，建筑约占17％。

图41991～1995年不同行业使用的台数比率

　　⑶使用的类型

　　从实际投入的设备来看，有源电力滤波器与负载连接的大多将并联型作为一种标准方式，主电路多为电压型，在生产出的355台设备中，仅有4台与负载的连接为串联型或串联混合型。在有源电力滤波器实用化初期所选用的电流型主回路基本上未再采用。

　　⑷谐波的检测方法

　　谐波的检测方法可以有负载电流检测、电源电流检测、电源电压检测等检测方法，在这些方法中，用负载电流的检测方法与用电源电流的检测方法之比为10:1，从这5年的情况变化可以看出，今后，负载电流的检测方法为主要使用方法，同时，应用电压检测方法的比例也有所增加，设置检测电压的目的在于补偿闪变。

　　⑸其它控制功能

　　有源电力滤波器除补偿谐波电流外，还可补偿基波无功、平衡三相电压、抑制电压闪变等功能，在这355台设备中有76台（21％）附有补偿基波无功的功能。

　　⑹与LC无源滤波器混用情况

　　从有源电力滤波器的本身工作原理来看，它完全可以补偿低次谐波，但由于使用LC滤波器可以使有源部分的容量大大减小。所以，采用混合使用方式的实例逐步增加。

　　⑺使用的器件

　　大部分中小容量的有源电力滤波器中，主回路采用的器件基本为IGBT，只有当容量达到MW级的大容量装置才使用GTO。

参考文献

1赤木泰文，金泽喜平.藤田光悦.瞬时无效电力の一般化理论とその应用日本电气学会论文志B.1983.103(7):p483～490

B.1983.103(7):p483～ 490

2 Akagi H, Kanazawa Y, Nabae A. Generalized theory of the instantaneous reactive power in three－ phase circuits. IEEE ＆ JIEE. Proceedings IPEC. Toky IEEE, 1983. p1375～ 1386

3 Gyugyi L, Strycula E. C. Active ac power filters. Proc of IEEE/IAS Annual Meeting, 1976.p529～ 535

4アクティブフィルタを有する电力变换回路とシステム调查专门委员会.アクティブフィルタ机能を有する电力变换回路とシステム，1997

5王兆安，杨君，刘进军等.谐波抑制和无功功率补偿.北京:机械工业出版社,1998

6MalcomM.Cameron.Trendsinpowerfactorcorrectionwithharmonicfiltering.IEEETransIndAppl,1993,vol.29(1)