鄧 佳， 李澤文

（1. 長沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，長沙 410114；2. 國網(wǎng)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(wǎng)的廣泛推廣，電力電子技術(shù)成為供電系統(tǒng)無法缺少的一份子，出現(xiàn)在各個專業(yè)領(lǐng)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(tǒng)穩(wěn)定可靠運行。目前有源電力濾波器在濾除諧波、隔離諧波、補(bǔ)償無功功率及負(fù)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(tài)變化時也能很快應(yīng)答；②特征和性質(zhì)穩(wěn)定，不受供電電網(wǎng)中各參數(shù)變動的波擾，可追蹤和遏制多種頻次的諧波，同時，按照系統(tǒng)無功功率的情況實時不斷地進(jìn)行補(bǔ)償；③體積重量相對較小。

由于它的這些優(yōu)點，有源電力濾波器在抑制電力系統(tǒng)諧波的領(lǐng)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?fù)?/h2>

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

圖1 有源電力濾波細(xì)分類

1.1 獨立使用的并聯(lián)型有源電力濾波器

圖2為獨立使用的并聯(lián)型有源電力濾波器構(gòu)造圖。它包含諧波查找部分，作用是發(fā)現(xiàn)負(fù)載的諧波電流，諧波指令信號可以用電流跟蹤控制策略進(jìn)行跟蹤，根據(jù)不同情況對逆變器脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其產(chǎn)生補(bǔ)償電流，來進(jìn)行諧波抑制或無功補(bǔ)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(huán)調(diào)制方式、無差拍方式、PR方式等。

圖2 獨立使用的并聯(lián)型有源濾波器

其余類型有源電力濾波器均以并聯(lián)型為根本拓?fù)浣M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(lián)型APF 中，指令信號經(jīng)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(chǎn)生，該電流的方向跟負(fù)載電流中存在的諧波電流反向。然而，電壓型諧波負(fù)載不適合使用獨立的并聯(lián)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(bǔ)償電流會很大[9-12]。

圖3 等效結(jié)構(gòu)原理圖

1.2 LC并聯(lián)諧振注入式電路方式的有源濾波器

圖4為LC 并聯(lián)諧振注入式電路模式的有源電力濾波器的構(gòu)造圖[13]，當(dāng)電源電壓的頻率為基頻時，電感和電容會產(chǎn)生并聯(lián)諧振，此時產(chǎn)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(wǎng)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(lián)諧振注入式電路有源濾波器

1.3 LC串聯(lián)諧振注入式電路方式的有源濾波器

圖5為LC 串聯(lián)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(gòu)成。其中，有源部分包括直流側(cè)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(chǎn)生諧振，其中電容主要用來補(bǔ)償電網(wǎng)的基波無功，將濾波器產(chǎn)生的電流導(dǎo)入電網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)控制電網(wǎng)中現(xiàn)有諧波。這種APF 發(fā)揮串聯(lián)諧振注入方式與并聯(lián)混合方式兩種APF 的優(yōu)勢，避開各自的缺點，使該APF 無功補(bǔ)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(tǒng)基頻時產(chǎn)生串聯(lián)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(tǒng)產(chǎn)生無功作用，有源跟無源部分聯(lián)合作用于諧波注入支路，為諧波產(chǎn)生低阻抗通道，把電網(wǎng)電壓分離的同時還調(diào)節(jié)無功；APF 主要用來加強(qiáng)濾波的功效，防止串聯(lián)與并聯(lián)諧振在電網(wǎng)的電感跟無源濾波器中產(chǎn)生。

圖5 LC串聯(lián)諧振注入式電路有源濾波器

高壓系統(tǒng)中存在的大容量無功和諧波綜合治理的問題可由LC 串聯(lián)諧振注入模式的有源濾波有效解決，同時傳統(tǒng)注入式結(jié)構(gòu)中存在的基波環(huán)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(gòu)造。串聯(lián)諧振支路由L2-C2濾波器組成，有源部分與諧振的串聯(lián)支路由耦合變壓器并在一起，并聯(lián)基波諧振由L2-C2濾波器組成，將其注入支路串聯(lián)[13]。在這種結(jié)構(gòu)中，并聯(lián)和串聯(lián)支路并行，兩者共同構(gòu)成兩道保護(hù)防線。假如并聯(lián)支路全諧振，此時的基波電壓完全在并聯(lián)諧振支路上。雖然并聯(lián)支路不能在基頻諧振，但串聯(lián)諧振支路依然可以流入基本電流，從而確?；妷旱囊徊糠钟捎性床糠殖袚?dān)。因此，有源器件的額定值在這種結(jié)構(gòu)中將得到大幅降低，解決傳統(tǒng)注入電路結(jié)構(gòu)中的基波環(huán)流抑制問題[14]。但是L1-C1濾波器產(chǎn)生的并聯(lián)諧振會導(dǎo)致無功功率無法在注入支路得到補(bǔ)償。

圖6 基于雙諧振注入支路的有源電力濾波器

通過該結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，高壓系統(tǒng)無功補(bǔ)償和諧波抑制兩大問題以及傳統(tǒng)注入式電路結(jié)構(gòu)中的基波環(huán)流抑制問題都能得到很好的解決方案，系統(tǒng)的安全與可靠性能得到顯著升高。

1.5 獨立使用的串聯(lián)型有源電力濾波器

圖7為獨立使用的串聯(lián)型有源電力濾波器構(gòu)造圖。串聯(lián)型有源電力濾波器由串聯(lián)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(fù)載濾波。濾波器與系統(tǒng)串聯(lián)以產(chǎn)生諧波電壓，此諧波電壓的幅值和非線性負(fù)載所產(chǎn)生的諧波負(fù)載電壓相同，相位和非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波負(fù)載電壓相反，因此不需要電網(wǎng)電壓提供諧波分量就可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓或電流的波形。

圖7 獨立使用的串聯(lián)型有源電力濾波器

1.6 與LC 濾波器混合使用的串聯(lián)型有源電力濾波器

圖8為串聯(lián)類型有源電力濾波器跟LC 濾波器混合的構(gòu)造圖。負(fù)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(qiáng)過濾性質(zhì)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(jī)理下諧波電流被可靠導(dǎo)進(jìn)LC 濾波器，阻擋在電網(wǎng)之外，它對應(yīng)于起諧波絕緣作用的諧波絕緣體，避免系統(tǒng)跟LC 濾波器產(chǎn)生諧振，最大限度地減少網(wǎng)絡(luò)阻抗對LC 濾波器的影響，LC 濾波器濾除諧波能力大幅增強(qiáng)。

圖8 與LC濾波器混合使用的串聯(lián)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(nèi)外已經(jīng)開發(fā)了許多其他種類的有源電力濾波器[15]。根據(jù)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(bǔ)償無功功率，與非線性負(fù)載一同等效為純阻性負(fù)載。如果從供電單元的邊緣看向電網(wǎng)，非線性負(fù)載則只吸收供電單元基波中的能量，而不產(chǎn)生任何諧波。它具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、特性和功能優(yōu)質(zhì)、價格低廉等優(yōu)點，輸入電流補(bǔ)償可在一個開關(guān)周期內(nèi)完成，前一個開關(guān)周期的誤差不會在下一周期累積，易于控制，反應(yīng)迅速，動態(tài)性好。但是，控制效果引起的局部穩(wěn)定性和實際直流分量存在問題。

2.2 基于基波磁通補(bǔ)償諧波的串聯(lián)混合類型有源濾波器

電力系統(tǒng)和諧波源直接通過變壓器一次側(cè)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(jìn)行控制，使其產(chǎn)生跟蹤基波補(bǔ)償電流，導(dǎo)進(jìn)次級部分。對系統(tǒng)不同頻次的諧波電流分量，變壓器一次側(cè)將呈現(xiàn)不同的阻抗，基波呈漏阻抗，諧波呈勵磁阻抗，提高系統(tǒng)中的諧波阻抗，從而隔離諧波并補(bǔ)償無功效應(yīng)。

2.3 電力感應(yīng)濾波器

變壓器具有內(nèi)部連接的耦合繞組，對電源系統(tǒng)中的諧波頻率具有安匝平衡效果。根據(jù)這一原理將諧波隔離在變壓器的二次側(cè)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(yīng)濾芯波器只對諧波電壓有抑制作用，而對基波電壓不產(chǎn)生影響。

2.4 直流有源濾波器

目前有源濾波技術(shù)逐漸廣泛地應(yīng)用于輸電系統(tǒng)中。高壓直流輸電過程中涉及的整流和逆變環(huán)節(jié)會存在諧波，該種濾波器應(yīng)用在高壓直流輸電系統(tǒng)中對直流側(cè)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(dá)到更好的濾波效果。

2.5 在并網(wǎng)逆變器中的集成式電能質(zhì)量控制器

在微電網(wǎng)或配電網(wǎng)中安裝了許多電力電子接口的分布式發(fā)電機(jī)組，這給電能質(zhì)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(jìn)電能質(zhì)量，將產(chǎn)生很高昂的成本。目前并網(wǎng)逆變器中集成電能質(zhì)量控制器的方法已成為當(dāng)前研究的熱點，提出了DG 并網(wǎng)變流器在柔性微電網(wǎng)電能質(zhì)量改善中的一些有效應(yīng)用方法。例如，一種自適應(yīng)的混合電壓和電流控制方法已應(yīng)用于分布式發(fā)電（DG）單元電力電子接口中，以實現(xiàn)諧波抑制。另外，基于改進(jìn)的電流控制方法在實現(xiàn)諧波抑制功能的同時還可以實現(xiàn)功率控制。

3 有源濾波器的發(fā)展現(xiàn)狀、存在的問題及前景

各類改善電能質(zhì)量的技術(shù)里，有源濾波器對推動我國能源體系持續(xù)完善非常關(guān)鍵。然而經(jīng)過國內(nèi)外多年來的鉆研和實踐，現(xiàn)有的有源濾波器還存在如下問題。

（1）對于大電網(wǎng)或新建電力接入系統(tǒng)產(chǎn)生的背景諧波，并聯(lián)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(zhì))，該諧波表現(xiàn)為電網(wǎng)的背景諧波，目前的并聯(lián)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(bǔ)償問題。對于超高次諧波補(bǔ)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(jìn)行濾波，電壓類型的諧波源通常使用串聯(lián)型，而電流類型的諧波源常用并聯(lián)型。如今產(chǎn)業(yè)化方案主要是采用普通并聯(lián)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(cè)的母線承擔(dān)電壓偏高，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)固性變低。在本金和穩(wěn)固性的制約下，多用在低壓側(cè)。

負(fù)載交流側(cè)的諧波電流放大現(xiàn)象會在電壓型諧波源的諧波補(bǔ)償使用并聯(lián)型有源濾波器時出現(xiàn)。負(fù)載跟系統(tǒng)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(cè)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(xiàn)象出現(xiàn)在負(fù)載交流側(cè)，甚至?xí)苯訉?dǎo)致負(fù)載不穩(wěn)定而影響負(fù)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(lián)類型的有源濾波器，這種現(xiàn)象就不明顯。利用電能質(zhì)量分析儀分別對電流型諧波源治理前后進(jìn)行檢測，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)據(jù)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(lián)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(lián)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(fā)，根據(jù)有源濾波器最新研究情況，以及當(dāng)前發(fā)展及應(yīng)用所存在的問題，有源濾波器有如下發(fā)展前景：①解決背景諧波問題；②把電能質(zhì)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(shù)、補(bǔ)償電壓畸變等；③超高次諧波的諧波衰減技術(shù)開發(fā)。

4 結(jié)束語

隨著時代發(fā)展，電網(wǎng)電子化程度提升，電能品質(zhì)問題日漸尖銳。為了追求電網(wǎng)電能高品質(zhì)，有源電力濾波器非常關(guān)鍵，功效顯著。本文按類別總結(jié)了有源電力濾波器的基本拓?fù)錁?gòu)造、作用機(jī)理、長處、短板等?，F(xiàn)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(bǔ)償、電壓調(diào)節(jié)、潮流控制以及故障電流限制等多功能方向發(fā)展。順著這些關(guān)鍵的發(fā)展趨勢，具體說明了現(xiàn)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(tǒng)中的推廣應(yīng)用、多功能電能質(zhì)量控制器等都需要進(jìn)一步的發(fā)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(guān)系，值得未來進(jìn)一步的探討和學(xué)習(xí)。