有源電力濾波器是當前電力電子技術應用的一個熱點，它為電力諧波治理和改善電能質量提供了重要的技術手段。本文重點從三個方面介紹當前我國有源電力濾波器技術發展情況：有源電力濾波技術的應用背景，有源電力濾波器的技術發展方向，以及有源電力濾波器的行業發展與市場前景。
關鍵詞：有源電力濾波器 電能質量 諧波治理
1引言
隨著我國社會經濟的快速發展，用電需求不斷提升，電能在工業生產與日常生活中扮演著日益重要的角色。如何控制電網電能質量，改善用電環境，正成為電力行業和電力用戶所關注的焦點。“諧波治理”是改善電能質量的重要方面。而由于傳統無源濾波器的技術局限性，以及有源電力濾波器技術的不斷進步，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的應用背景，有源電力濾波器的技術發展方向，以及有源電力濾波器的行業應用與市場前景等幾個方面進行綜述。
2有源電力濾波技術的應用背景
理想公用電網提供的電壓應是一固定頻率和幅值的正弦波。而在實際電網中，由于發電、傳輸及負載的非線性因素導致了諧波電流和諧波電壓的出現。諧波對電網的正常運行造成危害，影響用電設備的正常工作，增大了電能損耗，嚴重影響了公用電網的電能質量，被公認為是公用電網的主要污染源 [1]。
從我國的公用電網諧波標準（GB/T 14549-93 《電能質量 公用電網諧波》），國際電工委員會和各國制定的限制電力系統諧波的標準中，可以看出其控制諧波的共同原則為：限制諧波源注入電網的諧波電流及其在電網接入點產生的諧波電壓，把電網中的諧波電壓控制在允許的范圍內，從而保證供電網的電能質量。
控制電網諧波，抑制非線性負載對電網的諧波污染，一般有兩個思路：一是主動減少諧波，即從產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的同時，對電力電子裝置本體進行技術改造，使其不產生或少產生諧波。該方法對新增設備比較有效，而對已有設備改造難度較大。**種思路是被動式地補償諧波，即通過濾波或補償的方式達到抑制由各種非線性負載所產生的諧波的目的。在這種思路下，目前研究與應用*多的主要有兩種方案：采用傳統的包含電容、電抗和電阻組成的無源濾波器進行諧波濾波，以及應用現代電力電子技術的有源電力濾波器進行諧波補償 [2]。
無源濾波器（PF: Passive Filter），有時也稱LC濾波器，是由電容器、電抗器和電阻器適當組合而成的諧振電路。無源濾波器是目前電網中大量采用的諧波抑制設備，其優點是結構簡單，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。可以說，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）則是通過動態補償的方式向電網中注入反向諧波，從而對幅值和頻率都變化的諧波進行補償。有源電力濾波器是一種應用現代電力電子理論，進行“精細”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檢測負載的電壓和電流，通過指令運算電路得出補償指令信號；跟蹤控制電路根據補償指令信號驅動主電路產生相應的補償電流iC。補償電流iC與負載電流iL中諧波電流的大小相等，相位相反，從而使網側電流iS中只含有基波成分，達到消除諧波的效果。
圖1 有源電力濾波器原理示意圖
現代有源電力濾波器系統一般由以下幾個部分組成：指令電流運算電路、電流跟蹤控制電路、驅動電路和主電路。指令電流運算電路的核心是諧波檢測，給出補償電流的指令值；而其它三個部分組成的補償電流發生電路則補償電流的指令信號，產生實際的補償電流。主電路目前均采用PWM變流器。
根據不同的電路特征可以對目前在用的有源電力濾波器進行不同的分類，而這些分類有時又互有交叉。
（１）根據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（典型應用是在直流輸電系統中）。
（２）根據APF接入電網的方式可分為并聯型APF、串聯型APF、串－并聯型APF以及混合型APF（如圖2所示），其中并聯型APF是使用*為廣泛的。
并聯型APF主要適用于電流型負載的諧波補償；串聯型APF主要消除電壓型諧波源對系統的影響。
與并聯型APF相比，由于串聯型APF中流過的是全部負載電流，因此損耗較大。同時，其投切和故障后的退出也較并聯型APF復雜，所以，使用范圍受到局限。
串－并聯型APF是將并聯型和串聯型有源電力濾波器結合使用，集合了兩者的優點，補償效果好，但控制復雜，成本高。串－并聯型APF也被稱做統一電能質量調節器（Unified power quality conditioner）。
（３）根據主電路PWM逆變器中直流側儲能元件的不同，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，其電感上始終有電流流過，會在電感內阻上產生較大損耗。雖然電流型APF有控制簡單、性能可靠、易于保護等優點，但其損耗大、體積大的缺點十分明顯，所以目前較少采用。
電壓型APF在直流側采用并聯電容作為儲能元件，儲能密度較大，具有體積小、損耗小、效率高等優點。同時其電壓源的特性，方便實現多個小容量APF并聯擴容的目的。由于電壓型APF技術相對成熟、完善，所以目前國內外絕大多數APF采用這類主電路結構形式。
（4）根據主電路所使用PWM變流器的數量分類可分為單個主電路和多重化主電路有源電力濾波器。多重化技術可以提高裝置的容量，降低單個器件的工作頻率。
（5）根據接入系統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的發展
3.1有源電力濾波器的接入拓撲
有源電力濾波器的接入拓撲的基本形式為并聯型APF和串聯型APF，如圖3所示。
并聯型有源濾波器主要用于感性電流源型負載的補償，它也是工業上已投入運行*多的一種方案，但由于電源電壓直接加在逆變橋上，因此對開關元件的電壓等級要求較高。
為克服單獨使用時面臨的缺點，并聯型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并聯及APF與PF串聯，如圖4所示。
3.2諧波檢測技術
有源電力濾波器的補償效果在很大程度上依賴于能否檢測到真實反映欲補償的諧波分量的參考信號。因此，有源電力濾波器設計中的關鍵技術之一就是找到一種可由負載電流中**地提取諧波分量的幅值和相位的算法。同時，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償的基波成分，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行解耦，然后重新將所需的分量進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）對電網電流進行計算，得到電網電流中的諧波分量。它是一種純頻域的分析方法，其優點是可以任意選擇擬消除的諧波次數，但是計算量大，具有較長的時間延遲，實時性較差。
（2）瞬時無功功率法
基于瞬時無功功率理論（日本學者H.Akagi1983年提出）的諧波檢測法及其改進法。以瞬時實功率P和瞬時虛功率Q的定義為基礎（即PQ理論），后又發展為以瞬時有功電流 i_p和瞬時無功電流 i_q為基礎的理論體系。此方法的實時性較好，但由于檢測時采用了數字低通濾波器，因此檢測出的結果會有一定的延時。瞬時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）基于自適應的檢測方法
基于自適應干擾抵消原理，具檢測精度高和對電網電壓畸變及電網參數變化不敏感的優點，但動態響應速度較慢。其改進方法包括用神經網絡實現的自適應檢測法。
檢測精度和實時性是判斷諧波檢測方法的重要指標，各種檢測方法都有其優點，但也都存在局限性。隨著各種諧波檢測方法的不斷改進，以及新的檢測方法，如基于小波變換（Wavelet）等現代數字信號處理的方法的推出，諧波檢測技術在不斷進步中。而基于瞬時無功功率理論的諧波檢測法及其改進法是目前相對較成熟，應用*廣泛的方法。
3.3有源電力濾波器的電流跟蹤控制策略
當準確地檢測出電網中的諧波電流后，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變和高變化率（di/dt）的特點，這就要求APF電流控制器具有較快動態響應性能和較高的控制精度，同時，電流控制器的穩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、滯環比較控制、無差拍控制、滑模控制等、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。以指令電流與實際補償電流之間的差值作為調整信號，與高頻三角載波相比較，從而得到逆變器開關器件所需的控制信號。 此方法的優點是動態響應好，實現電路簡單，缺點是逆變器始終處于高頻工作狀態，產生高頻噪音和造成較大的開關損耗。
（2）滯環電流控制方法（Hysteresis Current Control）
這是目前使用十分廣泛的一種閉環控制方法。根據給定的補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的動作，使實際電流始終保持在滯環帶內，圍繞參考信號上下波動。 此方法的特點是硬件電路簡單、開關損耗小、動態響應快，但系統的開關頻率、響應速度及電流的跟蹤精度會受滯環寬帶影響。
（3）無差拍控制方法（Dead-Beat Control）
無差拍控制方法是一種全數字化的控制技術。利用前一時刻的指令電流值和實際補償電流值，根據空間矢量理論計算出逆變器下一時刻應滿足的開關模式。其特點是動態響應快，易于執行，但計算量大，且對系統參數依賴性較大。
（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，特別適合于開關電路的控制。其基本思想是: 控制開關占空比，在每個周期內使逆變器開關變量的平均值與控制參考值相等或成一定比例，從而消除穩態和瞬態誤差。它具有反應快、控制精度高、控制電路簡單等優點。缺點是抗干擾性能較差。
（5）滑模控制（Sliding Mode Control, SMC）
滑模控制又稱為變結構控制（variable structure），具有響應快速、動態品質好的優點，并有較強的魯棒性。
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）、預測控制等的許多現代控制方法。在設計有源電力濾波器系統時，應根據諧波負載情況，從控制精度、動態響應時間及系統穩定性這些關鍵因素綜合進行考慮。
3.4主電路結構及參數設計
目前，有源電力濾波器主電路主要采用PWM變流器的形式，當采用單個變流器不能滿足系統容量要求時，可以采用多重化或多電平（Multi-level）的主電路結構形式[5]。
（1）單個PWM變流器的主電路結構
根據主電路直流側儲能元件的不同，可以分為電壓型和電流型兩種。電壓型PWM變流器（如圖5）直流側電容損耗較小、體積較小，適合構成大容量有源電力濾，也是目前主流的PWM結構。實際設計中，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）多重化主電路結構形式
多重化結構是通過將多個PWM變流器串聯或并聯的方法，以實現使用較低開關頻率，較小容量的開關器件，組成大容量、高效率變流器的目的。
（3）多電平主電路結構形式
通過增加電力電子器件，設計多電平主電路拓撲結構，將變流器的輸出由傳統的兩電平輸出變為多電平輸出。其優點是開關頻率低，開關器件所承受的電壓應力小，同時，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雜，是目前研究和應用的方向。
（4）參數設計
由于APF結構多樣，補償的諧波源也多種多樣，對APF的容量和諧波補償的性能指標也有不同的要求。目前，對于APF主電路各項參數的設計沒有統一的理論，參數的選取步驟為：
a主要根據被補償的諧波源選擇主電路結構形式；
b根據主電路結構、開關器件的開關頻率、電壓等級、電流等級選擇合適的開關器件；
c根據APF裝置的性能和成本設計直流側電壓、電容值和交流側電感值；
（5）有源電力濾波技術的研究方向
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：
a諧波的檢測：如何通過對諧波理論的進一步研究，找出更好的諧波檢測算法是提高APF性能的有效手段；
b優化系統控制策略：尋求更好的控制策略，如基于系統能量平衡的控制策略，達到對輸出電流/電壓的準確控制；
c優化電路設計：改善補償性能，控制系統成本，如多電平主電路結構的研究；
d補償裝置的多功能化：如使APF具備補償無功、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運行的效率，進一步減少補償裝置的制造成本和損耗，提高裝置的可靠性和易用性，并實現一機多用。
4有源電力濾波器的行業應用與市場前景
目前，隨著用戶側非線性負載的快速增長（如在節能減排政策的推動下，高耗能行業為自身節能需求大量使用高壓變頻調速設備），有源電力濾波器己成為滿足公用電網**性、用電設備可靠性與降耗增效等市場需求的必然選擇。
諧波治理的主要應用行業與主要應用場景包括[6]：
（1）鋼鐵行業：鋼鐵行業中常用的中頻爐、軋機、電弧爐等設備都會產生大量諧波；
（2）石化行業：大量泵類負載，且配有變頻器（6脈沖整流為主），因此所產生的諧波以5次、7次、11次諧波為主；
（3）半導體行業：大量單相整流設備的使用，使3次諧波非常嚴重；
（4）汽車制造行業：焊機是諧波主要來源，同時還引起閃變、電壓跌等問題；
（5）通信行業： UPS、開關電源、變頻空調等的大量使用，使3次、5次、7次、11次諧波嚴重；
（6）直流電機的諧波治理：由于整流設備的使用，產生嚴重的諧波污染；
（7）諧波影響精密設備（如實驗室或自動化生產線）、醫院設備的運行，造成設備故障。
在節能及電網清潔化等政策的推動下，我國電能質量市場增長迅速。尤其是濾波和無功補償設備，復合年增長率超過16%。2009年，中國電能質量市場總銷售額為了67億元人民幣。預計到2015年，電能質量市場規模將超過120億元人民幣，年增長率將保持在12%以上[6]。
技術發展水平的差距，導致了大部分**電能質量產品市場仍然被外資企業占據，而國內企業則在一些技術含量較低的產品市場上相互競爭。以低壓電能質量治理設備為例：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所占據；而低壓無功補償設備市場上則是大量本土企業的競爭。
目前，有源電力濾波行業尚處于市場培育期，競爭格局尚處初級階段。有源濾波設備市場仍以國外產品為主，ABB、西門子、施耐德等歐美龍頭企業占據國內市場主流地位，但因進口產品單價與維保費用極高，國內用戶承受能力有限導致有源濾波市場尚未形成。國內一些電氣企業正逐步進入有源濾波市場。
５ 結束語
有源電力濾波器是諧波治理，改善電能質量的重要技術手段，其應用領域幾乎涉及到國民經濟的各個工業領域。因此，該技術應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研發與市場引導方面的不斷投入，有源電力濾波器市場將迎來快速發展的黃金時期。