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摘 要：随着非线性负荷的不断增多，电力系统中的谐波已成为一个普遍的、亟需解决的电能质量问题，而有源电力滤波器则是最具潜力的谐波治理手段。本文总结了各种拓扑结构下有源滤波器的补偿原理、补偿对象、关键实施技术及其固有不足的改进措施。在此基础上展望了未来有源滤波器的发展方向。
关键词：谐波；电能质量；有源电力滤波器；拓扑结构
0 引言
近年来，各种基于电力电子技术的非线性装置在电力系统中的应用日益广泛，使得谐波危害日益严重。为了保证电力系统的安全经济运行，必须对谐波污染进行治理，以改善电能质量[1]。
就当前的工业现实而言，抑制谐波的基本手段是装设各类滤波补偿装置，如无源滤波器和有源滤波器。无源滤波器的结构简单，经济性好，但易受电网阻抗和运行状态影响而与系统发生谐振，且仅能补偿固定频率的谐波。而有源滤波器（Active Power Filter，APF）则可以解决这些问题，并且可以自动跟踪补偿变化的谐波，具有高度可控性，因而具有极高的发展前景[1]。
本文结合近些年国内外有源滤波器的研究情况，重点对其拓扑结构进行总结和分析。在此基础上对其发展前景进行了展望。
1 APF的拓扑结构和原理
根据接入电网方式分类的各种交流有源滤波器如图1所示。
并联型表现出电流源特性，向电网注入补偿电流，抵消谐波源产生的电流谐波，使电源电流成为正弦波。主要用于补偿电流型谐波源，如直流侧为阻感负载的整流电路，也可以补偿三相不对称电流和供电点电压波动[2]。其主要缺点是：交流电源的基波电压直接（或经变压器）施加到逆变器上，补偿电流基本由逆变器提供，因此对逆变器的容量要求较高。
Figure1 AC active filter classified by modes of switching in power network
串联型有源滤波器作为受控电压源输出补偿电压，用来补偿电压型谐波源（如电容滤波型整流电路）或抑制电源电压畸变，使供电点电压变为理想正弦工频电压。其缺点主要有：
（1） 输出电压等于电网谐波电流乘以系数K。较大的K值会提高补偿性能但却要求更大的容量，且可能引起系统不稳定，因而K值一般只能取2-8。
（2） 为使有源滤波器的输出频带较宽，要求开关器件工作在较高的开关频率下，增大了开关损耗并产生较严重的电磁干扰。
（3） 耦合变压器对各次谐波应有较高的线性度，增大了变压器设计的难度[3]。
为了兼顾经济成本和滤波效果，各种混合型有源滤波器应运而生。其主要思路是：用无源滤波器滤除谐波源中的主要谐波，用有源滤波器提高总体补偿效果。
并联混合型有两种形式：其一是用APF滤除低次谐波，将无源滤波器选为高通滤波器来补偿较高次谐波，从而使APF主电路中的器件开关频率降低。由于无源滤波器只补偿了少部分谐波，所以其对降低APF容量的作用并不明显。但由于对器件的开关频率要求不高，所以实现大容量相对容易些；其二是用无源滤波器滤除大部分谐波，用APF改善整个系统的性能，因此APF的容量可以很小。但是电网与APF以及APF与无源滤波器之间存在谐波通道，特别是APF与无源滤波器之间的谐波通道，可能使APF注入的谐波又流入无源滤波器及电网中。因此在使用时，需对APF进行有效控制，以抑制可能发生的谐振。就并联混合型APF的控制方式而言，可采用综合了负载电流与电源电流的复合控制方式。文[4]提出了一种新颖的谐波注入式电路，通过在无源环节和有源环节之间增加基波谐振电路来进一步减小了有源滤波部分的容量，达到了工程应用的目的。
在串联混合型APF中，大部分谐波由无源滤波器滤除，APF则被看作一个对基波呈现低阻抗而对谐波呈现高阻抗的可变阻抗，起到了谐波隔离器的作用（电网谐波电压不会加到负载和无源滤波器上；负载谐波电流也不会流入电网，而是被迫流入无源滤波器）。这种APF抑制了电网阻抗对无源滤波器的影响，防止了电网与无源滤波器之间可能发生的谐振。这种APF的缺点是：
（1） 在低次谐波及其他频率处，要使APF的等效阻抗远远大于无源滤波器的等效阻抗十分困难，因此该方案不能隔绝电网中的闪变分量。
（2） 当负载电流中存在无源滤波器不能滤除的谐波时，由于APF强制这部分谐波流入LC滤波器，将会在负载输入端产生谐波电压。
（3） 由于APF串联在电路中，所以其绝缘困难且安装维修不便。
统一电能质量调节器（Unified Power Quality Controller，UPQC）的思路是：串聯APF将电源和负载相隔离，阻止电源谐波电压串入负载端和负载谐波电流流入电网。并联APF提供一个零阻抗的谐波支路，补偿负载中的谐波电流。该方案在电网与公共连接点之间实现了电压和电流的净化。这种有源滤波器兼具串、并联有源滤波器的功能，可解决配电系统发生的绝大多数电能质量问题。但是，由于需要两个APF，所以成本比较高。另外，当有不平衡负荷向共同耦合节点处注入不平衡电流时，不能修正线路的不平衡电流。
2前景展望与总结
从近年来的研究和应用可以看出 APF 具有以下的发展前景：
（1） 并联型APF主要补偿电流源型谐波源，串联型APF主要补偿电压源型谐波源。各种混合型APF兼顾了经济成本和滤波效果，主要补偿电流源型谐波源。
（2） 采用多电平或多重化主电路来实现大容量APF。近几年，多电平逆变技术以及多电平级联技术由于其在输出波形质量、开关损耗、器件应力等方面的突出优点，引起了广泛的关注。
参考文献
[1] 王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].机械工业出版社，1998.
[2] 王群，姚为正，刘进军，等.电压型谐波源与串联型有源电力滤波器[J].电力系统自动化，2000，24（7）：30-35.
Wang Qun，Yao Weizheng，Liu Jinjun，et al.Voltage type harmonic source and series active power filter[J].Automation electric power systems，2000，24（7）：30-35.
[3] 王轩，朱东起，姜新建.三相四线制下串联混合型滤波器的研究[J].电力系统自动化，2004，28（3）：45-48.
Wang Xuan，Zhu Dongqi，Jiang Xinjian.Study on series hybrid active power filter in a three-phase four-wire system[J].Automation electric power systems，2004，28（3）：45-48.
[4] 谭甜源，罗安，唐欣，等.大功率并联混合型有源电力滤波器的研制[J].中国电机工程学报，2004，24（3）：41-45.
Tan Tian-yuan，Luo An ，Tang Xin ，et al.Development of high-capacity hybrid power filter[J]. Proceedings of the Csee，2004，24（3）：41-45.
作者简介：
杨林莉，女，1984年生，硕士，现工作于中国矿业大学徐海学院信息与电气工程系。
关键词：谐波；电能质量；有源电力滤波器；拓扑结构
0 引言
近年来，各种基于电力电子技术的非线性装置在电力系统中的应用日益广泛，使得谐波危害日益严重。为了保证电力系统的安全经济运行，必须对谐波污染进行治理，以改善电能质量[1]。
就当前的工业现实而言，抑制谐波的基本手段是装设各类滤波补偿装置，如无源滤波器和有源滤波器。无源滤波器的结构简单，经济性好，但易受电网阻抗和运行状态影响而与系统发生谐振，且仅能补偿固定频率的谐波。而有源滤波器（Active Power Filter，APF）则可以解决这些问题，并且可以自动跟踪补偿变化的谐波，具有高度可控性，因而具有极高的发展前景[1]。
本文结合近些年国内外有源滤波器的研究情况，重点对其拓扑结构进行总结和分析。在此基础上对其发展前景进行了展望。
1 APF的拓扑结构和原理
根据接入电网方式分类的各种交流有源滤波器如图1所示。
并联型表现出电流源特性，向电网注入补偿电流，抵消谐波源产生的电流谐波，使电源电流成为正弦波。主要用于补偿电流型谐波源，如直流侧为阻感负载的整流电路，也可以补偿三相不对称电流和供电点电压波动[2]。其主要缺点是：交流电源的基波电压直接（或经变压器）施加到逆变器上，补偿电流基本由逆变器提供，因此对逆变器的容量要求较高。
Figure1 AC active filter classified by modes of switching in power network
串联型有源滤波器作为受控电压源输出补偿电压，用来补偿电压型谐波源（如电容滤波型整流电路）或抑制电源电压畸变，使供电点电压变为理想正弦工频电压。其缺点主要有：
（1） 输出电压等于电网谐波电流乘以系数K。较大的K值会提高补偿性能但却要求更大的容量，且可能引起系统不稳定，因而K值一般只能取2-8。
（2） 为使有源滤波器的输出频带较宽，要求开关器件工作在较高的开关频率下，增大了开关损耗并产生较严重的电磁干扰。
（3） 耦合变压器对各次谐波应有较高的线性度，增大了变压器设计的难度[3]。
为了兼顾经济成本和滤波效果，各种混合型有源滤波器应运而生。其主要思路是：用无源滤波器滤除谐波源中的主要谐波，用有源滤波器提高总体补偿效果。
并联混合型有两种形式：其一是用APF滤除低次谐波，将无源滤波器选为高通滤波器来补偿较高次谐波，从而使APF主电路中的器件开关频率降低。由于无源滤波器只补偿了少部分谐波，所以其对降低APF容量的作用并不明显。但由于对器件的开关频率要求不高，所以实现大容量相对容易些；其二是用无源滤波器滤除大部分谐波，用APF改善整个系统的性能，因此APF的容量可以很小。但是电网与APF以及APF与无源滤波器之间存在谐波通道，特别是APF与无源滤波器之间的谐波通道，可能使APF注入的谐波又流入无源滤波器及电网中。因此在使用时，需对APF进行有效控制，以抑制可能发生的谐振。就并联混合型APF的控制方式而言，可采用综合了负载电流与电源电流的复合控制方式。文[4]提出了一种新颖的谐波注入式电路，通过在无源环节和有源环节之间增加基波谐振电路来进一步减小了有源滤波部分的容量，达到了工程应用的目的。
在串联混合型APF中，大部分谐波由无源滤波器滤除，APF则被看作一个对基波呈现低阻抗而对谐波呈现高阻抗的可变阻抗，起到了谐波隔离器的作用（电网谐波电压不会加到负载和无源滤波器上；负载谐波电流也不会流入电网，而是被迫流入无源滤波器）。这种APF抑制了电网阻抗对无源滤波器的影响，防止了电网与无源滤波器之间可能发生的谐振。这种APF的缺点是：
（1） 在低次谐波及其他频率处，要使APF的等效阻抗远远大于无源滤波器的等效阻抗十分困难，因此该方案不能隔绝电网中的闪变分量。
（2） 当负载电流中存在无源滤波器不能滤除的谐波时，由于APF强制这部分谐波流入LC滤波器，将会在负载输入端产生谐波电压。
（3） 由于APF串联在电路中，所以其绝缘困难且安装维修不便。
统一电能质量调节器（Unified Power Quality Controller，UPQC）的思路是：串聯APF将电源和负载相隔离，阻止电源谐波电压串入负载端和负载谐波电流流入电网。并联APF提供一个零阻抗的谐波支路，补偿负载中的谐波电流。该方案在电网与公共连接点之间实现了电压和电流的净化。这种有源滤波器兼具串、并联有源滤波器的功能，可解决配电系统发生的绝大多数电能质量问题。但是，由于需要两个APF，所以成本比较高。另外，当有不平衡负荷向共同耦合节点处注入不平衡电流时，不能修正线路的不平衡电流。
2前景展望与总结
从近年来的研究和应用可以看出 APF 具有以下的发展前景：
（1） 并联型APF主要补偿电流源型谐波源，串联型APF主要补偿电压源型谐波源。各种混合型APF兼顾了经济成本和滤波效果，主要补偿电流源型谐波源。
（2） 采用多电平或多重化主电路来实现大容量APF。近几年，多电平逆变技术以及多电平级联技术由于其在输出波形质量、开关损耗、器件应力等方面的突出优点，引起了广泛的关注。
参考文献
[1] 王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].机械工业出版社，1998.
[2] 王群，姚为正，刘进军，等.电压型谐波源与串联型有源电力滤波器[J].电力系统自动化，2000，24（7）：30-35.
Wang Qun，Yao Weizheng，Liu Jinjun，et al.Voltage type harmonic source and series active power filter[J].Automation electric power systems，2000，24（7）：30-35.
[3] 王轩，朱东起，姜新建.三相四线制下串联混合型滤波器的研究[J].电力系统自动化，2004，28（3）：45-48.
Wang Xuan，Zhu Dongqi，Jiang Xinjian.Study on series hybrid active power filter in a three-phase four-wire system[J].Automation electric power systems，2004，28（3）：45-48.
[4] 谭甜源，罗安，唐欣，等.大功率并联混合型有源电力滤波器的研制[J].中国电机工程学报，2004，24（3）：41-45.
Tan Tian-yuan，Luo An ，Tang Xin ，et al.Development of high-capacity hybrid power filter[J]. Proceedings of the Csee，2004，24（3）：41-45.
作者简介：
杨林莉，女，1984年生，硕士，现工作于中国矿业大学徐海学院信息与电气工程系。