有源電力濾波器研究現狀綜述

鄧 佳， 李澤文

（1. 長沙理工大學 電氣與信息工程學院，長沙 410114；2. 國網湖南省電力有限公司永州供電分公司，湖南永州 425000）

0 引言

由于智能配電網的廣泛推廣，電力電子技術成為供電系統無法缺少的一份子，出現在各個專業領域[1-3]。而電力電子裝置具有非線性，運行中也會帶來多種頻次的諧波，干擾電力系統穩定可靠運行。目前有源電力濾波器在濾除諧波、隔離諧波、補償無功功率及負載不平衡具有重要的作用。有源電力濾波器主要有以下好處：①容易控制，狀態變化時也能很快應答；②特征和性質穩定，不受供電電網中各參數變動的波擾，可追蹤和遏制多種頻次的諧波，同時，按照系統無功功率的情況實時不斷地進行補償；③體積重量相對較小。

由于它的這些優點，有源電力濾波器在抑制電力系統諧波的領域占有重要地位。

1 有源電力濾波器分類及部分典型主電路拓撲

有源電力濾波器按作用原理和在電網中的連接情況，其可分為并聯、串聯、混合和其他四種類型。這4種類型可細分為如圖1所示的幾小類。

圖1 有源電力濾波細分類

1.1 獨立使用的并聯型有源電力濾波器

圖2為獨立使用的并聯型有源電力濾波器構造圖。它包含諧波查找部分，作用是發現負載的諧波電流，諧波指令信號可以用電流跟蹤控制策略進行跟蹤，根據不同情況對逆變器脈沖的寬度進行調節，使其產生補償電流，來進行諧波抑制或無功補償。其中，電流控制策略一般有三角波對比控制方式、基于空間矢量的方式、滯環調制方式、無差拍方式、PR方式等。

圖2 獨立使用的并聯型有源濾波器

其余類型有源電力濾波器均以并聯型為根本拓撲組成，對電流源類型的諧波源起作用，電路圖等效為圖3。在并聯型APF 中，指令信號經諧波檢測獲得后，使用電流控制策略。諧波電流或無功電流由逆變器產生，該電流的方向跟負載電流中存在的諧波電流反向。然而，電壓型諧波負載不適合使用獨立的并聯型APF，例如，有的整流器有濾波電容，其直流部分若使用這種整流器，濾波電容較大時，補償電流會很大[9-12]。

圖3 等效結構原理圖

1.2 LC并聯諧振注入式電路方式的有源濾波器

圖4為LC 并聯諧振注入式電路模式的有源電力濾波器的構造圖[13]，當電源電壓的頻率為基頻時，電感和電容會產生并聯諧振，此時產生諧振的電路上的電壓基本等于基波電壓，降落在有源濾波器上的電壓僅僅是極其低的基波電壓。在基頻諧振的L1-C濾波器接入有源濾波器和電網之間，諧振部分主要承載基波電壓，其他被有源濾波器和L2承載。

圖4 LC并聯諧振注入式電路有源濾波器

1.3 LC串聯諧振注入式電路方式的有源濾波器

圖5為LC 串聯諧振注入模式的有源濾波器，其主電路由電壓型逆變器（VSI）、輸出濾波器、耦合變壓器以及注入支路構成。其中，有源部分包括直流側的電容與電壓型逆變器，電容和電感形成的電路在基波時產生諧振，其中電容主要用來補償電網的基波無功，將濾波器產生的電流導入電網系統，實現控制電網中現有諧波。這種APF 發揮串聯諧振注入方式與并聯混合方式兩種APF 的優勢，避開各自的缺點，使該APF 無功補償能力有較大容量，同時逆變器容量較小。圖中下半部分的LC 在系統基頻時產生串聯諧振，耦合變壓器和逆變器將不會有注入支路的基波電流流入，全部從基波阻抗近似為0 的諧振支路流過。因此，無源部分對系統產生無功作用，有源跟無源部分聯合作用于諧波注入支路，為諧波產生低阻抗通道，把電網電壓分離的同時還調節無功；APF 主要用來加強濾波的功效，防止串聯與并聯諧振在電網的電感跟無源濾波器中產生。

圖5 LC串聯諧振注入式電路有源濾波器

高壓系統中存在的大容量無功和諧波綜合治理的問題可由LC 串聯諧振注入模式的有源濾波有效解決，同時傳統注入式結構中存在的基波環流得到抑制，裝置的安全可靠性提升顯著。

1.4 基于雙諧振注入支路的有源電力濾波器

圖6是基于雙諧振注入支路的有源電力濾波器的構造。串聯諧振支路由L2-C2濾波器組成，有源部分與諧振的串聯支路由耦合變壓器并在一起，并聯基波諧振由L2-C2濾波器組成，將其注入支路串聯[13]。在這種結構中，并聯和串聯支路并行，兩者共同構成兩道保護防線。假如并聯支路全諧振，此時的基波電壓完全在并聯諧振支路上。雖然并聯支路不能在基頻諧振，但串聯諧振支路依然可以流入基本電流，從而確保基波電壓的一部分由有源部分承擔。因此，有源器件的額定值在這種結構中將得到大幅降低，解決傳統注入電路結構中的基波環流抑制問題[14]。但是L1-C1濾波器產生的并聯諧振會導致無功功率無法在注入支路得到補償。

圖6 基于雙諧振注入支路的有源電力濾波器

通過該結構的應用，高壓系統無功補償和諧波抑制兩大問題以及傳統注入式電路結構中的基波環流抑制問題都能得到很好的解決方案，系統的安全與可靠性能得到顯著升高。

1.5 獨立使用的串聯型有源電力濾波器

圖7為獨立使用的串聯型有源電力濾波器構造圖。串聯型有源電力濾波器由串聯變壓器、濾波電路和逆變器三部分組成，該系列可看成“諧波電壓源”對電壓源類型的負載濾波。濾波器與系統串聯以產生諧波電壓，此諧波電壓的幅值和非線性負載所產生的諧波負載電壓相同，相位和非線性負載產生的諧波負載電壓相反，因此不需要電網電壓提供諧波分量就可以調節系統電壓或電流的波形。

圖7 獨立使用的串聯型有源電力濾波器

1.6 與LC 濾波器混合使用的串聯型有源電力濾波器

圖8為串聯類型有源電力濾波器跟LC 濾波器混合的構造圖。負載、LC 濾波器與電源相并，再將有源電力濾波器與它們相串。諧波主要被LC 濾波器過濾，而串接有源電力濾波器能增強過濾性質和效用。有源電力濾波器的阻抗在基頻時為0，遇到各頻次諧波變高，由此可見是截然相反的兩種效果。在這種機理下諧波電流被可靠導進LC 濾波器，阻擋在電網之外，它對應于起諧波絕緣作用的諧波絕緣體，避免系統跟LC 濾波器產生諧振，最大限度地減少網絡阻抗對LC 濾波器的影響，LC 濾波器濾除諧波能力大幅增強。

圖8 與LC濾波器混合使用的串聯型有源電力濾波器原理圖

2 其他有源濾波器

除上述典型的有源濾波器外，國內外已經開發了許多其他種類的有源電力濾波器[15]。根據原理敘述如下。

2.1 基于單周原理衰減諧波的有源濾波器

基于單周原理衰減諧波的有源濾波器的基本電路只含有電容器、電感器和一個H 橋[15]。H 橋用于平衡諧波電流和補償無功功率，與非線性負載一同等效為純阻性負載。如果從供電單元的邊緣看向電網，非線性負載則只吸收供電單元基波中的能量，而不產生任何諧波。它具有結構簡單、可靠性高、特性和功能優質、價格低廉等優點，輸入電流補償可在一個開關周期內完成，前一個開關周期的誤差不會在下一周期累積，易于控制，反應迅速，動態性好。但是，控制效果引起的局部穩定性和實際直流分量存在問題。

2.2 基于基波磁通補償諧波的串聯混合類型有源濾波器

電力系統和諧波源直接通過變壓器一次側串連接，作用原理是在檢測到變壓器的初級基波電流后，生成一個信號，對逆變器進行控制，使其產生跟蹤基波補償電流，導進次級部分。對系統不同頻次的諧波電流分量，變壓器一次側將呈現不同的阻抗，基波呈漏阻抗，諧波呈勵磁阻抗，提高系統中的諧波阻抗，從而隔離諧波并補償無功效應。

2.3 電力感應濾波器

變壓器具有內部連接的耦合繞組，對電源系統中的諧波頻率具有安匝平衡效果。根據這一原理將諧波隔離在變壓器的二次側繞組，從而避免諧波帶來的磁勢影響變壓器的正常使用。電力感應濾芯波器只對諧波電壓有抑制作用，而對基波電壓不產生影響。

2.4 直流有源濾波器

目前有源濾波技術逐漸廣泛地應用于輸電系統中。高壓直流輸電過程中涉及的整流和逆變環節會存在諧波，該種濾波器應用在高壓直流輸電系統中對直流側的諧波可以起到很好的抑制作用。對照無源方式，它的長處還有很多，除了有替換其余次諧波的濾波功能外，還能通過降低諧振點處的濾波器阻抗達到更好的濾波效果。

2.5 在并網逆變器中的集成式電能質量控制器

在微電網或配電網中安裝了許多電力電子接口的分布式發電機組，這給電能質量帶來了亟待解決的干擾問題。然而，假如用安裝特殊的電力濾波器的辦法改進電能質量，將產生很高昂的成本。目前并網逆變器中集成電能質量控制器的方法已成為當前研究的熱點，提出了DG 并網變流器在柔性微電網電能質量改善中的一些有效應用方法。例如，一種自適應的混合電壓和電流控制方法已應用于分布式發電（DG）單元電力電子接口中，以實現諧波抑制。另外，基于改進的電流控制方法在實現諧波抑制功能的同時還可以實現功率控制。

3 有源濾波器的發展現狀、存在的問題及前景

各類改善電能質量的技術里，有源濾波器對推動我國能源體系持續完善非常關鍵。然而經過國內外多年來的鉆研和實踐，現有的有源濾波器還存在如下問題。

（1）對于大電網或新建電力接入系統產生的背景諧波，并聯種類的有源濾波器很難克服。大量的新能源接入帶有一定的諧波(主要為電壓源性質)，該諧波表現為電網的背景諧波，目前的并聯型有源電力濾波器無法有效地濾除來自上一電壓等級的電源背景諧波電壓。

（2）普通有源電力濾波器很難解決25次及以上較高次諧波的補償問題。對于超高次諧波補償問題，普通有源濾波器則完全沒有辦法解決。

（3）電壓跟電流類型的諧波源是最普遍的諧波來源，針對不同的諧波來源需用不同的有源或無源濾波器進行濾波，電壓類型的諧波源通常使用串聯型，而電流類型的諧波源常用并聯型。如今產業化方案主要是采用普通并聯有源電力濾波器。

（4）制作有源濾波器的費用高昂。由于運用了基于升壓原理的高頻變換器，直流側的母線承擔電壓偏高，導致系統穩固性變低。在本金和穩固性的制約下，多用在低壓側。

負載交流側的諧波電流放大現象會在電壓型諧波源的諧波補償使用并聯型有源濾波器時出現。負載跟系統等值阻抗的比值影響著諧波增益，對電壓型諧波源，在其直流側濾波，電容量較大，等效阻抗較小，造成諧波有非常明顯的放大現象出現在負載交流側，甚至會直接導致負載不穩定而影響負載的正常運行。若改善電流類型的諧波源生成的諧波，使用并聯類型的有源濾波器，這種現象就不明顯。利用電能質量分析儀分別對電流型諧波源治理前后進行檢測，將得到的數據進行對比分析，如圖9 所示。從圖9(a)可知，在治理之前，電流的THD為37.214%，各次諧波比較分散，是適用有源濾波器的情況；由圖9(b)可知，在有源電力濾波器治理下，電流的THD 降低到3.476%。通過治理前后數據檢測對比，可知治理效果較好。因此，電壓類型跟電流類型的諧波源相比，有源濾波器中并聯類型能更好地改善電流類型諧波源生成的諧波。

圖9 加裝并聯型有源濾波器前后電流諧波柱狀圖

從理論和實用上的意義及價值出發，根據有源濾波器最新研究情況，以及當前發展及應用所存在的問題，有源濾波器有如下發展前景：①解決背景諧波問題；②把電能質量控制功能單一的功能控制器集一體，能夠同時消除諧波、校正功率因數、補償電壓畸變等；③超高次諧波的諧波衰減技術開發。

4 結束語

隨著時代發展，電網電子化程度提升，電能品質問題日漸尖銳。為了追求電網電能高品質，有源電力濾波器非常關鍵，功效顯著。本文按類別總結了有源電力濾波器的基本拓撲構造、作用機理、長處、短板等。現在，有源電力濾波器不光能衰減諧波，還向背景諧波隔離、無功補償、電壓調節、潮流控制以及故障電流限制等多功能方向發展。順著這些關鍵的發展趨勢，具體說明了現今有源電力濾波器的主流類別。超諧波和背景諧波的抑制、有源電力濾波器在中高壓電力系統中的推廣應用、多功能電能質量控制器等都需要進一步的發展和完善。同時，怎么平衡好濾波性能、效能提升與減少本金投入間的關系，值得未來進一步的探討和學習。