有源電力濾波器的發展與應用

摘要：介紹有源電力濾波器在國外近年來的一些發展情況，介紹有源電力濾波器目前的主要研究問題、分類及其應用情況。

關鍵詞：諧波有源電力濾波器

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

　　電力電子裝置和非線性負載的普遍使用，使諧波電流和無功電流大量注入電網，嚴重威脅電網和電氣設備的安全運行與正常使用，對諧波無功進行濾波和補償已成為電力電子技術、電力系統、電氣自動化、理論電工等領域中的重要研究課題。

　　使用無源濾波裝置來解決無功和諧波問題存在許多缺點。如無源濾波器的設計大多針對特定頻率的諧波，只能濾除特定次諧波，存在著與電網發生諧振的可能性；并且對電網阻抗和頻率變化十分敏感；體積大、損耗大等等。為解決這一問題，人們做了許多研究與探討，其中具有代表意義的是有源電力濾波器[1]。從目前國外的使用情況來看，利用有源電力濾波器進行諧波和無功補償是今后的一個發展趨勢。

　　有源電力濾波器是一種動態抑制諧波和補償無功的電力電子裝置，它能對頻率和大小都變化的諧波和無功進行補償，可以彌補無源濾波器的缺點，獲得比無源濾波器更好的補償特性，是一種理想的補償諧波裝置[2]。早在70年代，有源電力濾波器的基本原理和主電路拓撲結構就已被確定[3]，但由于受當時的技術條件限制，未能使有源電力濾波器得以實施。進入80年代后，新型電力電子器件的出現、PWM控制技術的發展以及瞬時無功功率理論的提出，極大地促進了有源電力濾波器技術的發展。近年來，國外已開始在工業和民用設備上廣泛使用有源電力濾波器[4]，并且單機裝置的容量逐步提高，其應用領域從補償用戶自身的諧波向改善整個電力系統供電質量的方向發展。

2有源電力濾波器近期的發展動向

　　關于有源電力濾波器技術近期的研究主要集中在以下幾個方面：

　　⑴諧波理論的進一步研究；

　　⑵進一步降低補償裝置的容量;

　　⑶控制系統的簡化與數字化;

　　⑷補償裝置的多功能化

　　其中⑴與系統的諧波理論有關；⑵、⑶的目的是進一步減小補償裝置的制造成本和損耗，進一步提高裝置的可靠性；⑷是指有源電力濾波器除能補償諧波外還具備其它的功能。2.1諧波理論的進一步研究

　　采用傅里葉級數對非正弦連續的時間周期函數進行變換是諧波分析最基本和常用的方法。這種方法根據采集到的一個電周期的電流值進行計算，得到該電流所包含的諧波次數。其缺點是需要一定的時間采樣并且要進行兩次變換，計算量大、實時性不好，因此該方法大多用于諧波的離線分析，難以用于有源電力濾波器所要求的實時檢測。該方法早期曾在有源電力濾波器中用過，80年代瞬時無功功率理論出現后已不再采用。

　　為了能在線實時檢測和補償諧波，日本學者赤木泰文等人提出了瞬時無功功率理論[1]。該理論突破了傳統的以平均值為基礎的功率定義，系統地定義了瞬時無功功率、瞬時有功功率等瞬時功率量。以該理論為基礎，可以得出用于有源電力濾波器的諧波和無功電流的實時檢測方法，對于諧波和無功補償裝置的研究和開發起了極大的推動作用。但這一理論也存在一些缺點，一些量的物理概念比較模糊，在解決一些傳統概念和問題時遇到困難。所以如何建立更為完善的功率定義和理論為大家所接受，還需做出更多努力[5]。

　　三相電路瞬時無功功率理論已經成功地應用到三相三線制系統并取得了良好的補償效果，在國外有源電力濾波器已被廣泛使用[4]。有源電力濾波器的應用領域已從原先的三相三線制系統逐步擴展到其它類型的電路如單相電路、三相四線制電路以及直流輸電等更為廣泛的領域。

2.2進一步降低裝置容量

　　有源電力濾波器容量與其它三相交流電力設備的容量定義相同。有源電力濾波器中最基本的是并聯型，其容量取決于與裝置連接的交流回路電壓有效值與補償電流有效值的乘積。并聯型有源電力濾波器與諧波源負載所接的交流電壓相同，因此裝置的容量主要由補償電流決定，而補償電流的大小和裝置的補償目的有關，即有源電力濾波器僅僅是只補償諧波還是要同時補償諧波和無功。只補償諧波時，有源電力濾波器的補償電流與負載電流的諧波分量大小相等而方向相反，兩者的有效值是一樣的，這種情況下，裝置的容量取決于負載電流中諧波的大小。如果要求有源電力濾波器同時補償諧波和無功，則裝置容量由補償對象中諧波組成及要求補償無功的程度共同決定。

　　由于有源電力濾波器的價格要遠遠高于無源濾波器，為降低補償裝置的投資，主要辦法就是降低有源電力濾波器的容量。目前的主要思路是將有源電力濾波器和無源濾波器混合使用，用無源濾波器濾除諧波源中主要的諧波電流，用有源電力濾波器來提高總體的補償效果，這就是混合型有源電力濾波器。還有學者提出其他方法，如注入回路方式等等，其主要目的也是降低有源濾波器的容量，但尚未進入實用階段[4]。

2.3控制系統的簡化

　　有源電力濾波器為了能及時產生補償電流以抵消諧波源負載的諧波電流，要求其控制電路必須實時檢測、計算補償對象的諧波電流。目前完成這部分工作的主要是基于瞬時無功功率理論的各種檢測計算電路。實現時多為模擬電路，其線路較為繁瑣、結構較為復雜。許多學者一直在尋找比較簡單的方法來完成這部分工作。另外，隨著高速數據處理芯片DSP接口功能的日趨完善，采用數字化方法來實現這部分工作的研究也在積極地進行。

2.4補償裝置的多功能化

有源電力濾波器本身除能補償諧波外，通過在控制電路上加以改造還可以補償基波無功、電壓閃變以及電壓的不平衡等功能。有關這部分的研究也引起許多學者的關心并取得了許多研究成果[4]。

3有源電力濾波器的分類及應用情況

3．1分類

圖1給出了有源電力濾波器的分類，圖中APF為有源電力濾波器的英文縮寫。用戶使用的電源類型包括直流電源和交流電源兩類，故有源電力濾波器按供電的類型可分為交流有源電力濾波器和直流有源電力濾波器[6]。從與負載聯接形式的角度可分為并聯型有源電力濾波器和串聯型有源電力濾波器兩大類。目前，有源電力濾波器的研究主要集中在交流有源電力濾波器，直流有源電力濾波器的研究也在逐步開展，典型的研究之一是在直流輸電系統中的應用。

圖1有源電力濾波器的分類

（a）串聯型有源電力濾波器（b）并聯型有源電力濾波器

（c）串聯混合型有源電力濾波器（d）并聯混合型有源電力濾波器

（e）統一電能質量調節器(f)直流輸電用有源電力濾波器

圖2不同形式有源電力濾波器與負載之間的連接原理圖

　　圖2給出了有源電力濾波器與供電系統和負載之間連接的原理示意圖。

3.2應用情況

　　有源電力濾波器技術在日本已經成熟，其產品開始進入實用化階段[4]，從1983年到1995年，共有455套有源電力濾波器投入實際使用。下面就幾個方面給出一些基本情況。

　　⑴生產臺數和容量

從1991年到1995年累計生產355臺，與1983年到1991年約7年間共生產了近100臺相比，產量有了大幅度上升，圖3給出了生產臺數與容量的基本情況圖示。從圖中可以看出，200kVA以下的占70％左右，超過1000kVA的約為7％。實際上，近1～2年50kVA以下的臺數增加顯著，也反映了對諧波抑制重要性的認識在提高。

圖31991～1995年出廠的臺數和容量的比率

　　⑵用途

　　圖4給出了有源電力濾波器在實際中不同行業的使用情況，使用在供水和污水處理設備中的約占40％，建筑約占17％。

圖41991～1995年不同行業使用的臺數比率

　　⑶使用的類型

　　從實際投入的設備來看，有源電力濾波器與負載連接的大多將并聯型作為一種標準方式，主電路多為電壓型，在生產出的355臺設備中，僅有4臺與負載的連接為串聯型或串聯混合型。在有源電力濾波器實用化初期所選用的電流型主回路基本上未再采用。

　　⑷諧波的檢測方法

　　諧波的檢測方法可以有負載電流檢測、電源電流檢測、電源電壓檢測等檢測方法，在這些方法中，用負載電流的檢測方法與用電源電流的檢測方法之比為10:1，從這5年的情況變化可以看出，今后，負載電流的檢測方法為主要使用方法，同時，應用電壓檢測方法的比例也有所增加，設置檢測電壓的目的在于補償閃變。

　　⑸其它控制功能

　　有源電力濾波器除補償諧波電流外，還可補償基波無功、平衡三相電壓、抑制電壓閃變等功能，在這355臺設備中有76臺（21％）附有補償基波無功的功能。

　　⑹與LC無源濾波器混用情況

　　從有源電力濾波器的本身工作原理來看，它完全可以補償低次諧波，但由于使用LC濾波器可以使有源部分的容量大大減小。所以，采用混合使用方式的實例逐步增加。

　　⑺使用的器件

　　大部分中小容量的有源電力濾波器中，主回路采用的器件基本為IGBT，只有當容量達到MW級的大容量裝置才使用GTO。

參考文獻

1赤木泰文，金澤喜平.藤田光悅.瞬時無效電力の一般化理論とその應用日本電氣學會論文志B.1983.103(7):p483～490

B.1983.103(7):p483～ 490

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

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