隨著大功率開關器件的日益廣泛應用，電力系統諧波抑制及無功補償問題變得日益迫切，電力有源濾波技術是解決上述問題的有效手段。本文簡要介紹電力有源濾波技術的原理、分類和控制策略，并對電子有源濾波技術的國內外發展狀況和應用中應考慮的一些問題作一些簡要介紹。

1　引言

電力電子技術是未來科學技術發展的重要支柱，有人預言：電力電子技術連同運動控制將和計算機技術一起成為21世紀最重要的兩大技術。然而，電力電子技術帶來方便、高效的巨大利益的同時，它的非線性、沖擊性和不平衡用電特性，也給公用電網的供電質量造成嚴重污染，對公用電網注入大量的諧波和無功功率。另一方面，隨著以計算機為代表的大量敏感設備的普及應用，人們對公用電網的供電質量要求越來越高，對電網中的諧波含量及用電設備的功率因數提出了更嚴格的要求。

傳統的諧波抑制和無功補償方法是無源濾波技術，即使用由電力電容器等無源器件構成無源濾波器，該無源濾波器與需補償的非線性負載并聯，為諧波提供一個低阻通路的同時也提供負載所需要的無功功率。雖然無源濾波器具有簡單、方便的優點，但它也存在如下缺點： ①只能抑制固定的幾次諧波，并對某次諧波在一定條件下會產生諧振而使諧波放大；②只能補償固定的無功功率，對變化的無功負載不能進行精確補償；③其濾波特性受系統參數影響較大，并且其濾波特性有時很難與調壓要求相協調；④重量與體積較大等等。

針對無源濾波技術的上述缺點，1976年，L·Gyugi提出用PWM逆變器構成“電力有源濾波器”(active power filter,簡稱APF)。80年代以后，由于電力電子器件及其控制技術的發展，APF技術的發展逐步走向成熟，在國外已得到廣泛應用。與無源濾波器相比，APF具有高度可控制和快速響應特性，并且能跟蹤補償各次諧波、自動產生所需變化的無功功率，其特性不受系統影響，無諧波放大危險，相對體積重量較小等突出優點，因而已成為電力諧波抑制和無功補償的重要手段。APF的推廣應用也必將給我國電力工業帶來巨大的經濟效益和社會效益。

本文首先簡要介紹電力有源濾波技術的基本原理和分類：然后著 重介紹APF中已提出的幾種主要控制策略；最后，對APF技術的國內外發展狀況及應用時應考慮的一些問題作簡單介紹，以便引起大家對APF推廣應用的興趣。

2　電力有源濾波器的基本原理

圖1所示為最基本的電力有源濾波器系統構成的原理圖。圖中，Us表示交流電源，負載為非線性負載，它產生諧波并消耗無功功率。

電力有源濾波器系統主要由兩大部分組成，即指令電流運算電路和補償電流發生電路(由電流跟蹤控制電路、驅動電路和主電路三部分構成)。

指令電流運算電路的功能主要是從負載電流i L 中分離出諧波電流分量i Lh和基波無功電流i Lg，然后將其反極性作用后發生補償電流的指令信號i c=(i Lh＋i Lq)。電流跟蹤控制電路的功能是根據主電路產生的補償電流 i c o應跟蹤i c的原則，計算出主電路各開關器件的觸發脈沖，此脈沖經驅動電路后作用于主電路，產生補償電流i c o， 由于i c≈i c o, 所以

i S=i L＋i c=i L＋i c o=i L－（i Lh＋i Lq）=i Lp

即電源電流i S中只含有基波的有功分量i Lp，從而達到消除諧波與進行無功補償的目的。根據同樣的原理，電力有源濾波器還能對不對稱三相電路的負序電流分量進行補償。

電力有源濾波器的主電路一般由PWM逆變器構成。根據逆變器直流側儲能元件的不同，可分為電壓型APF(儲能元件為電容)和電流型APF(儲能元件為電感)。電壓型APF在工作時需對直流側電容電壓控制，使直流側電壓維持不變，因而逆變器交流側輸出為PWM電壓波。而電流型APF在工作時需對直流側電感電流進行控制，使直流側電流維持不變，因而逆變器交流側輸出為PWM電流波。電壓型APF的優點是損耗較少，效率高，是目前國內外絕大多數APF采用的主電路結構。電流型APF由于電流側電感上始終有電流流過，該電流在電感內阻上將產生較大損耗，所以目前較少采用。但是電流型APF由于開關器件不會發生直通短路現象，隨著超導儲能磁體研究的進展，也將促進多功能電流型APF投入實用。

從上述原理可以看出，電力有源濾波器是運用瞬時濾波形成技術，對包含諧波和無功分量的非正弦波進行“矯正”，這與基于穩態頻譜的“濾波”概念已有很大的不同，而類似于自適應濾波技術中的“干擾抵消器”。因此，電力有源濾波器有很快的響應速度，對變化的諧波和無功功率都能實施動態補償，并且其補償特性受電網阻抗參數影響較小。

3　電力有源濾波器的分類

(1) 按電路拓樸結構分類，電力有源濾波器可分為并聯型、串聯型、串－并聯型和混合型。

圖1所示為并聯型APF的基本結構。它主要適用于電流源型非線性負載的諧波電流抵消、無功補償以及平衡三相系統中的不平衡電流等。目前并聯型APF在技術上已較成熟，它也是當前應用最為廣泛的一種APF拓樸結構。

圖2所示為串聯型APF的基本結構。它通過一個匹配變壓器將APF串聯于電源和負載之間，以消除電壓諧波，平衡或調整負載的端電壓。與并聯型APF相比，串聯型APF損耗較大，且各種保護電路也較復雜，因此，很少研究單獨使用的串聯型APF，而大多數將它作為混合型APF的一部分予以研究。

圖3所示為混合型APF的基本結構。它是在串聯型APF的基礎上使用一些大容量的無源L-C濾波網絡來承擔消除低次諧波，進行無功補償的任務。而串聯型APF只承擔消除高次諧振及阻尼無源LC網絡與線路阻抗產生的諧波諧振的任務。從而使串聯型APF的電流、電壓額定值大大減少(功率容量可減少到負載容量的5％以下)，降低了APF的成本和體積。從經濟角度而言，這種結構形式在目前是一種值得推薦的方案。但隨著電力電子器件性能的不斷提高，成本不斷下降，混合型APF可能被下面一種性能價格比更高的APF代替。

圖4所示為串－并聯型APF的基本結構。它組合了串聯APF和并聯APF的優點，能解決電氣系統發生的大多數電能質量問題，所以又稱之為萬能APF或統一電能質量調節器(UPQC)，該類APF的主要問題是控制復雜、造價較高。

(2) 按電源類型分類，APF可分為單相APF、三相三線制APF、三相四線制APF及有源線路調節器(APLC)等。

三相四線制APF主要是為了補償電源中線上的電流諧波、無功功率及三相之間的不平衡問題。當功率額定值較小時，其主電路可直接采用三相逆變器，而將直流側電容中點聯接到電源中點上。當負載功率較大時可用四橋臂的逆變器，將第四橋臂單獨用于補償中線；為了實現三相獨立調節，還可使用更復雜的三個單相橋式逆變器進行分別補償。 有源線路調節器是向電網中的某個(或幾個)優選節點注入消諧波補償電流，以達到在一定范圍內電網的電能質量綜合治理。目前更高層次的電力有源濾波技術在國外尚處于研究階段。

4　電力有源濾波器的控制

如上所述，電力有源濾波器的控制主要是指令電流的運算和補償電流的產生。

(1) 指令電流的運算

指令電流i C的運算方法主要有以下幾種：

① 基于頻域運算的方法：這是最早應用于指令電流運算的一類方法。其基本思想是用頻域濾波的方法(使用帶通濾波器)，首先分離負載電流中的基波分量和諧波分量，然后再使用電路理論中的計算方法將基波電流分解為基波有功分量和基波無功分量。由于需要采用銳截止的高階帶通濾波器，所以附加相移較大。另外，其濾波器特性對電網頻率波動和電路元件參數也較敏感。所以該方法已較少采用，而轉向以快速付里葉變換為基礎的全數字頻域濾波方法，并且能自動跟蹤電網頻率的波動而自適應提取基波分量。但該方法仍存在較大時延、實時性較差、補償效果不好等問題。

② 瞬時空間矢量法：基于無功功率理論的瞬間矢量法是目前三相電力有源濾波器中應用最廣的一種指令電流運算方法。最早是由日本學者H·Akagi于1984年提出，僅適用于對稱三相電路，后經不斷改進，現已包括p－q法、ip－iq法以及d－q法等。p－q法最早應用，僅適用于對稱三相且無畸變的電網；ip－iq法不僅對電源電壓畸變有效，而且也適用于不對稱三相電網；基于同步旋轉park變換的d－q法不僅簡化了對稱無畸變下的指令電流運算，而且也適用于不對稱、有畸變的電網。

③ 基于現代控制理論的方法：最早應用的有基于P－I控制器的方法，因P－I控制器的特性不能適應負載及電網的變化，后來又提出了基于滑模控制及模糊控制等現代控制方法。它們都是直接根據逆變器直流側的電壓(電壓型APF)或電流(電流型APF)，求出所需的電網電流的基波有功分量幅值，從而求出所需補償電流的指令值i c 。這種方法適用于單相和三相APF，也適用于電網電壓畸變的情況。

④ 自適應檢測法：該方法基于自適應濾波中的自適應干擾抵消原理，從負載電流中消去基波有功分量，從而得到所需的補償電流指令值。該方法的突出優點是對電網電壓畸變、頻率偏移及電網參數變化有較好的自適應調整能力， 但目前其動態響應速度還較慢。后來又提出了用神經網絡實現的自適應檢測法。

(2) 補償電流的產生

對于采用PWM電壓源逆變器的電力有源濾波器，其補償電流的產生方法目前主要有以下三種：

① 三角載波線性控制。這是一種最簡單的線性控制方法。它以指令電流i c 與實際補償電流 i c o 之間的差值作為調整信號，與高頻三角載波相比較，從而得到逆變器開關器件所需的控制信號。其優點是動態響應好，開關頻率固定，電路簡單。其缺點是開關損耗較大，且輸出波形中含有載波頻率及其諧波頻率的高頻畸變分量。

② 滯環比較控制。該方法將指令電流與實際補償電流的差值輸入到具有滯環特性的比較器中，然后用比較器的輸出來控制逆變器的開關器件。與三角載波控制方式相比，該方法開關損耗小，動態響應快。但是，該方法使開關頻率變化較大，容易引起脈沖電流和開關噪聲。后來，為限定開關頻率的最大值而提出了變滯環帶寬改進算法，這必將影響響應速度和補償電流跟蹤精度。

③ 無差拍控制。該方法是一種全數字化的控制技術。它利用前一時刻的指令電流值和實際補償電流值，根據空間矢量理論計算出逆變器下一時刻應滿足的開關模式。其優點是動態響應很快，易于計算機執行。但缺點是計算量大，且對系統參數依賴性較大。后來，又有一些簡化其計算的改進方法出現，隨著數字信號處理單機片(DSP)應用的不斷普及，這是一種很有前途的控制方法。 上述控制策略，只是迄今為止筆者所見到的幾種主要的方法。有關APF的控制策略正隨著DSP技術和智能控制理論的發展不斷涌現。隨著控制策略的改進，APF的特性也將不斷提高，而相應的價格也必將下降。

5　電力有源濾波器的應用

電力有源濾波器作為改善供電質量的一項關鍵技術，在國外已日趨成熟。僅在日本就有500多臺APF投入運行，其容量已達到60MVA。在APF的應用中，一般應考慮以下幾個方面的問題：

(1) 元件參數的選擇

首先是開關器件的選擇，對于容量小于2MVA的APF一般采用IGBT，而容量大于5MVA時可采用GTO及多重化技術；其次，為減小逆變器向電網注入的開關紋波又不降低APF的補償特性，電壓型逆變器的輸出電感及無源紋波濾波器應仔細設計；最后，為保證逆變器直流側電壓的穩定，應適當選擇直流側電容值。

(2) 經濟的考慮

APF的技術構想早在70年代就已提出，但直到90年代APF技術才進入實際應用，其中一個重要原因就在于APF的實際成本價格太高。因此在選擇應用APF時必須考慮其成本價格。就當前技術水平而言，采用小額定值APF結合無源濾波器的混合型電力有源濾波器是一種切實可行的方案。當然隨著開關器件和DSP芯片價格的下降，串_并聯電力有源濾波器也是很有發展前途的。

電力有源濾波器的研究與應用， 國內遠落后于國外，除少數幾臺APF已投入工業試運行外，其它大部分尚處于研制階段。 但隨著我國對電網諧波污染治理日益重視，“綠色電力電子”的呼聲愈來愈高，電力有源濾波器必然會得到廣泛地推廣應用。■