有源電力濾波器是當(dāng)前電力電子技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)熱點(diǎn)，它為電力諧波治理和改善電能質(zhì)量提供了重要的技術(shù)手段。本文重點(diǎn)從三個(gè)方面介紹當(dāng)前我國有源電力濾波器技術(shù)發(fā)展情況：有源電力濾波技術(shù)的應(yīng)用背景，有源電力濾波器的技術(shù)發(fā)展方向，以及有源電力濾波器的行業(yè)發(fā)展與市場前景。
關(guān)鍵詞：有源電力濾波器 電能質(zhì)量 諧波治理
1引言
隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，用電需求不斷提升，電能在工業(yè)生產(chǎn)與日常生活中扮演著日益重要的角色。如何控制電網(wǎng)電能質(zhì)量，改善用電環(huán)境，正成為電力行業(yè)和電力用戶所關(guān)注的焦點(diǎn)。“諧波治理”是改善電能質(zhì)量的重要方面。而由于傳統(tǒng)無源濾波器的技術(shù)局限性，以及有源電力濾波器技術(shù)的不斷進(jìn)步，有源電力濾波器在諧波治理中的作用日益顯著。本文將從有源電力濾波技術(shù)的應(yīng)用背景，有源電力濾波器的技術(shù)發(fā)展方向，以及有源電力濾波器的行業(yè)應(yīng)用與市場前景等幾個(gè)方面進(jìn)行綜述。
2有源電力濾波技術(shù)的應(yīng)用背景
理想公用電網(wǎng)提供的電壓應(yīng)是一固定頻率和幅值的正弦波。而在實(shí)際電網(wǎng)中，由于發(fā)電、傳輸及負(fù)載的非線性因素導(dǎo)致了諧波電流和諧波電壓的出現(xiàn)。諧波對電網(wǎng)的正常運(yùn)行造成危害，影響用電設(shè)備的正常工作，增大了電能損耗，嚴(yán)重影響了公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量，被公認(rèn)為是公用電網(wǎng)的主要污染源 [1]。
從我國的公用電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 14549-93 《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》），國際電工委員會和各國制定的限制電力系統(tǒng)諧波的標(biāo)準(zhǔn)中，可以看出其控制諧波的共同原則為：限制諧波源注入電網(wǎng)的諧波電流及其在電網(wǎng)接入點(diǎn)產(chǎn)生的諧波電壓，把電網(wǎng)中的諧波電壓控制在允許的范圍內(nèi)，從而保證供電網(wǎng)的電能質(zhì)量。
控制電網(wǎng)諧波，抑制非線性負(fù)載對電網(wǎng)的諧波污染，一般有兩個(gè)思路：一是主動(dòng)減少諧波，即從產(chǎn)生諧波的諧波源裝置入手，在電力電子裝置完成自身主要功能任務(wù)的同時(shí)，對電力電子裝置本體進(jìn)行技術(shù)改造，使其不產(chǎn)生或少產(chǎn)生諧波。該方法對新增設(shè)備比較有效，而對已有設(shè)備改造難度較大。**種思路是被動(dòng)式地補(bǔ)償諧波，即通過濾波或補(bǔ)償?shù)姆绞竭_(dá)到抑制由各種非線性負(fù)載所產(chǎn)生的諧波的目的。在這種思路下，目前研究與應(yīng)用*多的主要有兩種方案：采用傳統(tǒng)的包含電容、電抗和電阻組成的無源濾波器進(jìn)行諧波濾波，以及應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)的有源電力濾波器進(jìn)行諧波補(bǔ)償 [2]。
無源濾波器（PF: Passive Filter），有時(shí)也稱LC濾波器，是由電容器、電抗器和電阻器適當(dāng)組合而成的諧振電路。無源濾波器是目前電網(wǎng)中大量采用的諧波抑制設(shè)備，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，容量大，成本低，但受限于其濾波原理，無源濾波器的濾波效果受電網(wǎng)阻抗及諧波源變化的影響較大，且僅固定對某些次頻率的諧波有好的濾波效果?？梢哉f，無源濾波器是“粗放型”的諧波抑制[3]。
有源電力濾波器（APF: Active Power Filter）則是通過動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)姆绞较螂娋W(wǎng)中注入反向諧波，從而對幅值和頻率都變化的諧波進(jìn)行補(bǔ)償。有源電力濾波器是一種應(yīng)用現(xiàn)代電力電子理論，進(jìn)行“精細(xì)”諧波抑制的電力電子裝置。
有源電力濾波器（APF）的工作原理如圖1所示：APF檢測負(fù)載的電壓和電流，通過指令運(yùn)算電路得出補(bǔ)償指令信號；跟蹤控制電路根據(jù)補(bǔ)償指令信號驅(qū)動(dòng)主電路產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償電流iC。補(bǔ)償電流iC與負(fù)載電流iL中諧波電流的大小相等，相位相反，從而使網(wǎng)側(cè)電流iS中只含有基波成分，達(dá)到消除諧波的效果。
圖1 有源電力濾波器原理示意圖
現(xiàn)代有源電力濾波器系統(tǒng)一般由以下幾個(gè)部分組成：指令電流運(yùn)算電路、電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和主電路。指令電流運(yùn)算電路的核心是諧波檢測，給出補(bǔ)償電流的指令值；而其它三個(gè)部分組成的補(bǔ)償電流發(fā)生電路則補(bǔ)償電流的指令信號，產(chǎn)生實(shí)際的補(bǔ)償電流。主電路目前均采用PWM變流器。
根據(jù)不同的電路特征可以對目前在用的有源電力濾波器進(jìn)行不同的分類，而這些分類有時(shí)又互有交叉。
（１）根據(jù)用戶使用的電源類型，可分為交流有源電力濾波器（即通常所說的APF）和直流有源電力濾波器（典型應(yīng)用是在直流輸電系統(tǒng)中）。
（２）根據(jù)APF接入電網(wǎng)的方式可分為并聯(lián)型APF、串聯(lián)型APF、串－并聯(lián)型APF以及混合型APF（如圖2所示），其中并聯(lián)型APF是使用*為廣泛的。
并聯(lián)型APF主要適用于電流型負(fù)載的諧波補(bǔ)償；串聯(lián)型APF主要消除電壓型諧波源對系統(tǒng)的影響。
與并聯(lián)型APF相比，由于串聯(lián)型APF中流過的是全部負(fù)載電流，因此損耗較大。同時(shí)，其投切和故障后的退出也較并聯(lián)型APF復(fù)雜，所以，使用范圍受到局限。
串－并聯(lián)型APF是將并聯(lián)型和串聯(lián)型有源電力濾波器結(jié)合使用，集合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，補(bǔ)償效果好，但控制復(fù)雜，成本高。串－并聯(lián)型APF也被稱做統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（Unified power quality conditioner）。
（３）根據(jù)主電路PWM逆變器中直流側(cè)儲能元件的不同，有源電力濾波器又可分為電壓型APF（儲能元件為電容）和電流型APF（儲能元件為電感）。
電流型APF在工作時(shí)，其電感上始終有電流流過，會在電感內(nèi)阻上產(chǎn)生較大損耗。雖然電流型APF有控制簡單、性能可靠、易于保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，但其損耗大、體積大的缺點(diǎn)十分明顯，所以目前較少采用。
電壓型APF在直流側(cè)采用并聯(lián)電容作為儲能元件，儲能密度較大，具有體積小、損耗小、效率高等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)其電壓源的特性，方便實(shí)現(xiàn)多個(gè)小容量APF并聯(lián)擴(kuò)容的目的。由于電壓型APF技術(shù)相對成熟、完善，所以目前國內(nèi)外絕大多數(shù)APF采用這類主電路結(jié)構(gòu)形式。
（4）根據(jù)主電路所使用PWM變流器的數(shù)量分類可分為單個(gè)主電路和多重化主電路有源電力濾波器。多重化技術(shù)可以提高裝置的容量，降低單個(gè)器件的工作頻率。
（5）根據(jù)接入系統(tǒng)的不同可分為單相及三相有源電力濾波器，三相有源電力濾波器又可分為三相三線制和三相四線制兩種。
３有源電力濾波器技術(shù)的發(fā)展
3.1有源電力濾波器的接入拓?fù)?/span>
有源電力濾波器的接入拓?fù)涞幕拘问綖椴⒙?lián)型APF和串聯(lián)型APF，如圖3所示。
并聯(lián)型有源濾波器主要用于感性電流源型負(fù)載的補(bǔ)償，它也是工業(yè)上已投入運(yùn)行*多的一種方案，但由于電源電壓直接加在逆變橋上，因此對開關(guān)元件的電壓等級要求較高。
為克服單獨(dú)使用時(shí)面臨的缺點(diǎn)，并聯(lián)型APF常常與PF混合使用。就與PF混合使用的形式來說又可分為兩種：APF與PF并聯(lián)及APF與PF串聯(lián)，如圖4所示。
3.2諧波檢測技術(shù)
有源電力濾波器的補(bǔ)償效果在很大程度上依賴于能否檢測到真實(shí)反映欲補(bǔ)償?shù)闹C波分量的參考信號。因此，有源電力濾波器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)之一就是找到一種可由負(fù)載電流中**地提取諧波分量的幅值和相位的算法。同時(shí)，這種檢測方法的速度也是需要考量的重要因素。通常，諧波的檢測提取技術(shù)可分為直接法和間接法兩種。
直接法的原理是通過濾波的方式，去除采樣信號中不需補(bǔ)償?shù)幕ǔ煞?，將剩余信號作為諧波參考信號，如陷波器（帶通濾波器）檢測法。因此種方法誤差較大，已很少采用。
間接法的原理是將采樣信號進(jìn)行解耦，然后重新將所需的分量進(jìn)行組合后作為參考信號。目前較為常見的諧波檢測方法包括：
（1）基于傅立葉變換（Fourier）的檢測方法
采用傅立葉變換（FFT）對電網(wǎng)電流進(jìn)行計(jì)算，得到電網(wǎng)電流中的諧波分量。它是一種純頻域的分析方法，其優(yōu)點(diǎn)是可以任意選擇擬消除的諧波次數(shù)，但是計(jì)算量大，具有較長的時(shí)間延遲，實(shí)時(shí)性較差。
（2）瞬時(shí)無功功率法
基于瞬時(shí)無功功率理論（日本學(xué)者H.Akagi1983年提出）的諧波檢測法及其改進(jìn)法。以瞬時(shí)實(shí)功率P和瞬時(shí)虛功率Q的定義為基礎(chǔ)（即PQ理論），后又發(fā)展為以瞬時(shí)有功電流 i_p和瞬時(shí)無功電流 i_q為基礎(chǔ)的理論體系。此方法的實(shí)時(shí)性較好，但由于檢測時(shí)采用了數(shù)字低通濾波器，因此檢測出的結(jié)果會有一定的延時(shí)。瞬時(shí)無功功率理論是目前有源電力濾波器中采用*多的一種諧波檢測方法。
（3）基于自適應(yīng)的檢測方法
基于自適應(yīng)干擾抵消原理，具檢測精度高和對電網(wǎng)電壓畸變及電網(wǎng)參數(shù)變化不敏感的優(yōu)點(diǎn)，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢。其改進(jìn)方法包括用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的自適應(yīng)檢測法。
檢測精度和實(shí)時(shí)性是判斷諧波檢測方法的重要指標(biāo)，各種檢測方法都有其優(yōu)點(diǎn)，但也都存在局限性。隨著各種諧波檢測方法的不斷改進(jìn)，以及新的檢測方法，如基于小波變換（Wavelet）等現(xiàn)代數(shù)字信號處理的方法的推出，諧波檢測技術(shù)在不斷進(jìn)步中。而基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波檢測法及其改進(jìn)法是目前相對較成熟，應(yīng)用*廣泛的方法。
3.3有源電力濾波器的電流跟蹤控制策略
當(dāng)準(zhǔn)確地檢測出電網(wǎng)中的諧波電流后，如何控制APF主電路，使APF輸出電流跟蹤諧波電流變化，是電流跟蹤控制策略所需完成的工作。由于諧波電流具有時(shí)變和高變化率（di/dt）的特點(diǎn)，這就要求APF電流控制器具有較快動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和較高的控制精度，同時(shí)，電流控制器的穩(wěn)定性也是必須要考慮的因素。
目前對APF電流控制方法的研究比較多，主要有三角載波線性控制、滯環(huán)比較控制、無差拍控制、滑?？刂频?、單周控制等[4]。
（1）三角載波電流控制（Triangular Carrier Current Control）方法
這是*為簡單的一種線性控制方法。以指令電流與實(shí)際補(bǔ)償電流之間的差值作為調(diào)整信號，與高頻三角載波相比較，從而得到逆變器開關(guān)器件所需的控制信號。 此方法的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，實(shí)現(xiàn)電路簡單，缺點(diǎn)是逆變器始終處于高頻工作狀態(tài)，產(chǎn)生高頻噪音和造成較大的開關(guān)損耗。
（2）滯環(huán)電流控制方法（Hysteresis Current Control）
這是目前使用十分廣泛的一種閉環(huán)控制方法。根據(jù)給定的補(bǔ)償信號與測得的逆變器輸出電流的誤差來控制逆變器開關(guān)的動(dòng)作，使實(shí)際電流始終保持在滯環(huán)帶內(nèi)，圍繞參考信號上下波動(dòng)。 此方法的特點(diǎn)是硬件電路簡單、開關(guān)損耗小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，但系統(tǒng)的開關(guān)頻率、響應(yīng)速度及電流的跟蹤精度會受滯環(huán)寬帶影響。
（3）無差拍控制方法（Dead-Beat Control）
無差拍控制方法是一種全數(shù)字化的控制技術(shù)。利用前一時(shí)刻的指令電流值和實(shí)際補(bǔ)償電流值，根據(jù)空間矢量理論計(jì)算出逆變器下一時(shí)刻應(yīng)滿足的開關(guān)模式。其特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于執(zhí)行，但計(jì)算量大，且對系統(tǒng)參數(shù)依賴性較大。
（4）單周控制法（One-Cycle Control）
單周控制法是一種通用型非線性大信號控制方法，特別適合于開關(guān)電路的控制。其基本思想是: 控制開關(guān)占空比，在每個(gè)周期內(nèi)使逆變器開關(guān)變量的平均值與控制參考值相等或成一定比例，從而消除穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)誤差。它具有反應(yīng)快、控制精度高、控制電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是抗干擾性能較差。
（5）滑?？刂疲?/span>Sliding Mode Control, SMC）
滑?？刂朴址Q為變結(jié)構(gòu)控制（variable structure），具有響應(yīng)快速、動(dòng)態(tài)品質(zhì)好的優(yōu)點(diǎn)，并有較強(qiáng)的魯棒性。
除了上述介紹的多種電流跟蹤控制策略外，還有如空間矢量控制法（Space Vector Control）、預(yù)測控制等的許多現(xiàn)代控制方法。在設(shè)計(jì)有源電力濾波器系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)諧波負(fù)載情況，從控制精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間及系統(tǒng)穩(wěn)定性這些關(guān)鍵因素綜合進(jìn)行考慮。
3.4主電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)
目前，有源電力濾波器主電路主要采用PWM變流器的形式，當(dāng)采用單個(gè)變流器不能滿足系統(tǒng)容量要求時(shí)，可以采用多重化或多電平（Multi-level）的主電路結(jié)構(gòu)形式[5]。
（1）單個(gè)PWM變流器的主電路結(jié)構(gòu)
根據(jù)主電路直流側(cè)儲能元件的不同，可以分為電壓型和電流型兩種。電壓型PWM變流器（如圖5）直流側(cè)電容損耗較小、體積較小，適合構(gòu)成大容量有源電力濾，也是目前主流的PWM結(jié)構(gòu)。實(shí)際設(shè)計(jì)中，儲能電容和接入電感的大小對APF裝置的成本和性能有很大的影響。
（2）多重化主電路結(jié)構(gòu)形式
多重化結(jié)構(gòu)是通過將多個(gè)PWM變流器串聯(lián)或并聯(lián)的方法，以實(shí)現(xiàn)使用較低開關(guān)頻率，較小容量的開關(guān)器件，組成大容量、高效率變流器的目的。
（3）多電平主電路結(jié)構(gòu)形式
通過增加電力電子器件，設(shè)計(jì)多電平主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將變流器的輸出由傳統(tǒng)的兩電平輸出變?yōu)槎嚯娖捷敵?。其?yōu)點(diǎn)是開關(guān)頻率低，開關(guān)器件所承受的電壓應(yīng)力小，同時(shí)，由于不使用變壓器和電抗器，體積減小而效率提高。，多電平主電路控制方法較為復(fù)雜，是目前研究和應(yīng)用的方向。
（4）參數(shù)設(shè)計(jì)
由于APF結(jié)構(gòu)多樣，補(bǔ)償?shù)闹C波源也多種多樣，對APF的容量和諧波補(bǔ)償?shù)男阅苤笜?biāo)也有不同的要求。目前，對于APF主電路各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)計(jì)沒有統(tǒng)一的理論，參數(shù)的選取步驟為：
a主要根據(jù)被補(bǔ)償?shù)闹C波源選擇主電路結(jié)構(gòu)形式；
b根據(jù)主電路結(jié)構(gòu)、開關(guān)器件的開關(guān)頻率、電壓等級、電流等級選擇合適的開關(guān)器件；
c根據(jù)APF裝置的性能和成本設(shè)計(jì)直流側(cè)電壓、電容值和交流側(cè)電感值；
（5）有源電力濾波技術(shù)的研究方向
關(guān)于有源電力濾波器技術(shù)近期的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：
a諧波的檢測：如何通過對諧波理論的進(jìn)一步研究，找出更好的諧波檢測算法是提高APF性能的有效手段；
b優(yōu)化系統(tǒng)控制策略：尋求更好的控制策略，如基于系統(tǒng)能量平衡的控制策略，達(dá)到對輸出電流/電壓的準(zhǔn)確控制；
c優(yōu)化電路設(shè)計(jì)：改善補(bǔ)償性能，控制系統(tǒng)成本，如多電平主電路結(jié)構(gòu)的研究；
d補(bǔ)償裝置的多功能化：如使APF具備補(bǔ)償無功、平衡三相電壓、抑制電壓閃變等功能。
這些研究的主要目的是提高系統(tǒng)運(yùn)行的效率，進(jìn)一步減少補(bǔ)償裝置的制造成本和損耗，提高裝置的可靠性和易用性，并實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。
4有源電力濾波器的行業(yè)應(yīng)用與市場前景
目前，隨著用戶側(cè)非線性負(fù)載的快速增長（如在節(jié)能減排政策的推動(dòng)下，高耗能行業(yè)為自身節(jié)能需求大量使用高壓變頻調(diào)速設(shè)備），有源電力濾波器己成為滿足公用電網(wǎng)**性、用電設(shè)備可靠性與降耗增效等市場需求的必然選擇。
諧波治理的主要應(yīng)用行業(yè)與主要應(yīng)用場景包括[6]：
（1）鋼鐵行業(yè)：鋼鐵行業(yè)中常用的中頻爐、軋機(jī)、電弧爐等設(shè)備都會產(chǎn)生大量諧波；
（2）石化行業(yè)：大量泵類負(fù)載，且配有變頻器（6脈沖整流為主），因此所產(chǎn)生的諧波以5次、7次、11次諧波為主；
（3）半導(dǎo)體行業(yè)：大量單相整流設(shè)備的使用，使3次諧波非常嚴(yán)重；
（4）汽車制造行業(yè)：焊機(jī)是諧波主要來源，同時(shí)還引起閃變、電壓跌等問題；
（5）通信行業(yè)： UPS、開關(guān)電源、變頻空調(diào)等的大量使用，使3次、5次、7次、11次諧波嚴(yán)重；
（6）直流電機(jī)的諧波治理：由于整流設(shè)備的使用，產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波污染；
（7）諧波影響精密設(shè)備（如實(shí)驗(yàn)室或自動(dòng)化生產(chǎn)線）、醫(yī)院設(shè)備的運(yùn)行，造成設(shè)備故障。
在節(jié)能及電網(wǎng)清潔化等政策的推動(dòng)下，我國電能質(zhì)量市場增長迅速。尤其是濾波和無功補(bǔ)償設(shè)備，復(fù)合年增長率超過16%。2009年，中國電能質(zhì)量市場總銷售額為了67億元人民幣。預(yù)計(jì)到2015年，電能質(zhì)量市場規(guī)模將超過120億元人民幣，年增長率將保持在12%以上[6]。
技術(shù)發(fā)展水平的差距，導(dǎo)致了大部分**電能質(zhì)量產(chǎn)品市場仍然被外資企業(yè)占據(jù)，而國內(nèi)企業(yè)則在一些技術(shù)含量較低的產(chǎn)品市場上相互競爭。以低壓電能質(zhì)量治理設(shè)備為例：低壓濾波器，特別是有源電力濾波器市場，80%的市場份額被外資企業(yè)所占據(jù)；而低壓無功補(bǔ)償設(shè)備市場上則是大量本土企業(yè)的競爭。
目前，有源電力濾波行業(yè)尚處于市場培育期，競爭格局尚處初級階段。有源濾波設(shè)備市場仍以國外產(chǎn)品為主，ABB、西門子、施耐德等歐美龍頭企業(yè)占據(jù)國內(nèi)市場主流地位，但因進(jìn)口產(chǎn)品單價(jià)與維保費(fèi)用極高，國內(nèi)用戶承受能力有限導(dǎo)致有源濾波市場尚未形成。國內(nèi)一些電氣企業(yè)正逐步進(jìn)入有源濾波市場。
５ 結(jié)束語
有源電力濾波器是諧波治理，改善電能質(zhì)量的重要技術(shù)手段，其應(yīng)用領(lǐng)域幾乎涉及到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。因此，該技術(shù)應(yīng)用具有廣闊的市場前景。隨著我國在有源電力濾波器的技術(shù)研發(fā)與市場引導(dǎo)方面的不斷投入，有源電力濾波器市場將迎來快速發(fā)展的黃金時(shí)期。