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、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。

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.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

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Ih，供电系统一般为被保护对象；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。

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。

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。

（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，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。

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 据该参考值产生相应的脉冲，控制主电路产生补偿电流或者电压跟踪该参考值，起到补偿效果，有源电力滤波器通过耦合变压器接入系统。

电网负载耦合变压器谐波检测 环节主电路控制系统 图 7 有源电力滤波器的系统构成

下面对有源滤波器的四个部分进行介绍：

4.1 谐波检测

谐波检测环节的原理框图如图8所示

CTPT预处理预处理采样保持A/D转换微处理器8 有源电力滤波器的谐波检测环节原理 图 基本工作原理为：预处理环节将电压或电流互感器输出的电流信号转化为电压信号并进行适

当的滤波与放大（实际中总存在一定的高频噪音，因此一般都要对信号进行一定的滤波及进行放大或缩小），有源电力滤波器对谐波信号的时间同时性要求较高，因此一般情况下应该对所需信号进行同步采样，所以需要加采样保持电路，即在同一时刻对输入信号进行采样。将采样信号保持起来，然后分别进行A/D转换，将模拟量转化为数字量。

4.2 控制系统

有源电力滤波器的控制系统及选用的控制算法是其滤波效果好坏的关键。有源电力滤波

器的控制系统主要有模拟控制系统、数字控制系统以及数字模拟混合控制系统三类。近年来随着微电子技术的快速发展，各种数字处理芯片的性能大大提高，因此有源电力滤波器的控制系统逐步由模拟控制系统转化为模拟数字混合控制系统及纯数字控制系统。下面主要介绍有源电力滤波器的数字模拟混合控制系统与数字控制系统。 4.2.1数字模拟混合控制系统

有源电力滤波器的控制系统一般由两个部分组成，即控制算法部分和触发脉冲产生部分，如图9所示。

其中控制算法处理部分对谐波检测环节送来的数字信号进行处理，采用谐波检测算法，快速检测出需要的谐波与有源滤波器产生的谐波进行比较，根据其差值采用一定的控制方法产生触发脉冲信号送给触发脉冲发生部分。而触发脉冲发生部分根据该信号产生适当的驱动脉冲去驱动有源电力滤波器的变流器，使其产生的谐波电流或电压与所需的谐波电流或电压相同，从而达到谐波补偿的效果。所谓数字模拟混合控制就是通过数字电路检测并产生所需补偿的参考谐波信号，获得参考谐波信号后，通过模拟电路实现谐波跟踪（通常为比例积分PI控制）和PWM脉冲控制具有更快的速度和更高的分辨率。

图10给出了在并联型有源电力滤波器中经常采用的一种数字模拟混合控制器的模拟部分。其中参考电流信号由微处理器通过D/A转换变成模拟信号送到模拟控制部分。有源电力滤波器的补偿电流与参考电流进行比较，通过比例积分环节后成为调整信号，与三角波发生电路产生的作为载波信号的三角波进行比较，获得驱动有源滤波器逆变器的PWM驱动脉冲。

此类控制器中滞环比较器由于产生的补偿电流参考信号能够快速准确地跟踪谐波电流变化，具有很好的实时性，所以在有源滤波器中得到了广泛的应用。滞环比较器的控制框图如图11所示。

滞环比较控制采用滞环比较器，把检测出的补偿电流信号ic与实际产生的补偿电流ic进行比较，两者的偏差作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路中开关通断的PWM信号，从而控制补偿电流ic的变化。



滞环比较控制的原理如图12所示。S1和S2是两个开关，E1和E2等效于直流侧电压源。对于S1和S2不同的开关状态，有不同的电压源E1和E2接入回路，从而控制电流i的变化。在具体的操作中，当产生的实际补偿电流低于参考电流ic时，S1闭合，S2打开，加在电感L上的电压为正，i增加；当产生的实际补偿电流高于参考电流ic时，加在电感L上的电压为负，i减少。通过控制S1和S2的开关状态来控制注入电流的变化。

4.2.2数字控制系统

随着微电子技术的快速发展，产生PWM脉冲的数字电路和具有可编程功能的器件快速发

展因而通过专门电路或通过可编程逻辑器件实现PWM脉冲发生器已非常方便而且在速度和分辨率方面有看显著的提高，因此有源电力滤波器的控制系统已经逐步变成纯数字的控制系统。与其他的电力电子装置类似，根据有源滤波器控制算法的复杂性我们可以选择不同的数字控制系统来实现。通常的控制系统一般有基于单数字信号处理芯片的带有PWM信号的控制系统，即如图13所示的控制系统。由于DSP本身带有PWM脉冲产生部分，因此采用单片的DSP就可以实现有源电力滤波器的控制系统。

DSP控制芯片PWM脉冲发生开关器件驱动板有源滤波器的变流器图13 基于单DSP的有源电力滤波器的控制系统 当然，由于DSP芯片既要处理控制算法又要产生脉冲，因此只能实现简单的控制算法。如果要实现更加复杂与先进的算法，采用多DSP芯片的控制系统或者DSP+FPGA（现场可编程逻辑阵列）的通用控制系统。具体的控制系统这里不做介绍。

4.3主电路

有源电力滤波器的主电路型式多种多样，有很多种分类方法。按照电力系统应用的需要一般可以分为三相三线制结构和三相四线制结构两种，而在三相三线制与三相四线制结构中又有许多其他的结构，下面简单的介绍并指出其特点与优缺点，可以根据电力系统的实际情况加以选用。

由于许多负荷本身只是三相三线制接线，因此针对此类负荷的有源电力滤波器也只需采用三相三线制主电路即可。目前大量功率开关模块都已经让三相三桥臂结构制作，因此实现三相三线制主电路结构非常方便。图14所示为三相三线制结构的有源电力滤波器。

我国380V系统均为三相四线制系统，而负荷通常也为三相四线制即存在中线，因而三相电流之和通常不为零即存在零序电流，零序电流中既可能存在零序基波分量也可能存在零序谐波分量，此时采用并联型三相三线制主电路的电力滤波器无法消除线路中的零序基波电流和谐波电流以及中线中的电流。在许多情况下，为了保持三相电流的平衡，在大型办公楼

中通常会在三相中合理分配负荷，使三相电流尽量平衡。但是由于单相负荷如计算机、工作站等信息设备的大量使用，以及大量设备是后来增加的，因此实际中要合理的分配三相负荷是很难做到的。所以在许多大型的办公楼出现了三相电流严重不平衡，中线电流很大。并联型三相四线制有源电力滤波器就是解决这种非线性不平衡问题和谐波问题的有力手段，图15所示为目前常见的三相四线制结构的并联型有源电力滤波器。直流电容中线点与系统中线相连，全部的中线电流都流经直流侧的电容器，其数值较大。同时由于中线接在电容器中间，因此有源电力滤波器运行中还可能出现电容电压不平衡问题，所以在有源滤波器控制中还应该加入直流侧电容电压平衡控制。这种结构主要用于小容量系统。

4.4 耦合变压器

前面讲到的两种主电路结构都通过连接电抗直接接入系统。对于电压较高的情况，由于各种开关器件耐压水平的限制，变流器输出电压不可能太高，因此通常采用变压器接入方式。采用耦合变压器接入电力系统的好处有：

（1）可以灵活地改变逆变器的输出电压和电流，从而充分利用开关器件的电压与电流容量。

（2）可以提供绝缘隔离。变压器的电气与原副边的绝缘隔离可以防止出现不必要的电气连接，可以提高有源电力滤波器的可靠性，还可以防止电力系统中的各种干扰直接进入到有源电力滤波器中。

5.应用情况及前景展望

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.A；国内对有源电力滤波器的研究尚处于起步阶段。

现在有源电力滤波器在日本应用越来越广泛，1994年之前就有300多台投入使用，下表是投入使用的有源电力滤波器的基本情况，包括使用目的、容量、使用的开关器件、应用领域。

从表中可以看出有源电力滤波器的使用目的有谐波补偿、闪变补偿以及电压调节。（1）谐波补偿

图16所示为一个办公楼系统，安装了一个容量为300KVA的有源电力滤波器，用来补偿八台自调速电机所产生的谐波电流。图17所示为6.6KV母线上补偿前后的电流波形，从图中可以看出补偿前电流失真率为38.4%，补偿后降到了7.4%，补偿效果明显。 （2）电压调节

图18所示为日本铁路公司安装在Shintakatsuki变电站的三个容量分别为16MVA的并联型有源电力滤波器，目的是补偿一个154KV电力系统终端电压跌落和电压波动。因为与不平衡的列车负载相连的变压器会产生大量的负序电流和变化的无功功率，从而造成电压跌落和电压变化，严重影响与之接在同一系统中的其他装置的运行。使用情况表明该有源电力滤波器能够很好地补偿电压跌落和变化并能将电压不平衡因数从3.6%降到1%。

在电力电子工程师和研究人员不断的努力下，有源电力滤波技术取得了长足的发展，有源电力滤波器的价格也不断降低，随着人们对谐波污染认识的不断加深，有源电力滤波器的应用前景是相当光明的。

参考文献：

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