有源电力滤波器是当前电力电子技术应用的一个热点，它为电力谐波治理和改善电能质量提供了重要的技术手段。本文重点从三个方面介绍当前我国有源电力滤波器技术发展情况：有源电力滤波技术的应用背景，有源电力滤波器的技术发展方向，以及有源电力滤波器的行业发展与市场前景。
关键词：有源电力滤波器 电能质量 谐波治理
1引言
随着我国社会经济的快速发展，用电需求不断提升，电能在工业生产与日常生活中扮演着日益重要的角色。如何控制电网电能质量，改善用电环境，正成为电力行业和电力用户所关注的焦点。“谐波治理”是改善电能质量的重要方面。而由于传统无源滤波器的技术局限性，以及有源电力滤波器技术的不断进步，有源电力滤波器在谐波治理中的作用日益显著。本文将从有源电力滤波技术的应用背景，有源电力滤波器的技术发展方向，以及有源电力滤波器的行业应用与市场前景等几个方面进行综述。
2有源电力滤波技术的应用背景
理想公用电网提供的电压应是一固定频率和幅值的正弦波。而在实际电网中，由于发电、传输及负载的非线性因素导致了谐波电流和谐波电压的出现。谐波对电网的正常运行造成危害，影响用电设备的正常工作，增大了电能损耗，严重影响了公用电网的电能质量，被公认为是公用电网的主要污染源 [1]。
从我国的公用电网谐波标准（GB/T 14549-93 《电能质量 公用电网谐波》），国际电工委员会和各国制定的限制电力系统谐波的标准中，可以看出其控制谐波的共同原则为：限制谐波源注入电网的谐波电流及其在电网接入点产生的谐波电压，把电网中的谐波电压控制在允许的范围内，从而保证供电网的电能质量。
控制电网谐波，抑制非线性负载对电网的谐波污染，一般有两个思路：一是主动减少谐波，即从产生谐波的谐波源装置入手，在电力电子装置完成自身主要功能任务的同时，对电力电子装置本体进行技术改造，使其不产生或少产生谐波。该方法对新增设备比较有效，而对已有设备改造难度较大。第二种思路是被动式地补偿谐波，即通过滤波或补偿的方式达到抑制由各种非线性负载所产生的谐波的目的。在这种思路下，目前研究与应用最多的主要有两种方案：采用传统的包含电容、电抗和电阻组成的无源滤波器进行谐波滤波，以及应用现代电力电子技术的有源电力滤波器进行谐波补偿 [2]。
无源滤波器（PF: Passive Filter），有时也称LC滤波器，是由电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的谐振电路。无源滤波器是目前电网中大量采用的谐波抑制设备，其优点是结构简单，可靠性高，容量大，成本低，但受限于其滤波原理，无源滤波器的滤波效果受电网阻抗及谐波源变化的影响较大，且仅固定对某些次频率的谐波有好的滤波效果。可以说，无源滤波器是“粗放型”的谐波抑制[3]。
有源电力滤波器（APF: Active Power Filter）则是通过动态补偿的方式向电网中注入反向谐波，从而对幅值和频率都变化的谐波进行补偿。有源电力滤波器是一种应用现代电力电子理论，进行“精细”谐波抑制的电力电子装置。
有源电力滤波器（APF）的工作原理如图1所示：APF检测负载的电压和电流，通过指令运算电路得出补偿指令信号；跟踪控制电路根据补偿指令信号驱动主电路产生相应的补偿电流iC。补偿电流iC与负载电流iL中谐波电流的大小相等，相位相反，从而使网侧电流iS中只含有基波成分，达到消除谐波的效果。
图1 有源电力滤波器原理示意图
现代有源电力滤波器系统一般由以下几个部分组成：指令电流运算电路、电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路。指令电流运算电路的核心是谐波检测，给出补偿电流的指令值；而其它三个部分组成的补偿电流发生电路则补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流。主电路目前均采用PWM变流器。
根据不同的电路特征可以对目前在用的有源电力滤波器进行不同的分类，而这些分类有时又互有交叉。
（１）根据用户使用的电源类型，可分为交流有源电力滤波器（即通常所说的APF）和直流有源电力滤波器（典型应用是在直流输电系统中）。
（２）根据APF接入电网的方式可分为并联型APF、串联型APF、串－并联型APF以及混合型APF（如图2所示），其中并联型APF是使用最为广泛的。
并联型APF主要适用于电流型负载的谐波补偿；串联型APF主要消除电压型谐波源对系统的影响。
与并联型APF相比，由于串联型APF中流过的是全部负载电流，因此损耗较大。同时，其投切和故障后的退出也较并联型APF复杂，所以，使用范围受到局限。
串－并联型APF是将并联型和串联型有源电力滤波器结合使用，集合了两者的优点，补偿效果好，但控制复杂，成本高。串－并联型APF也被称做统一电能质量调节器（Unified power quality conditioner）。
（３）根据主电路PWM逆变器中直流侧储能元件的不同，有源电力滤波器又可分为电压型APF（储能元件为电容）和电流型APF（储能元件为电感）。
电流型APF在工作时，其电感上始终有电流流过，会在电感内阻上产生较大损耗。虽然电流型APF有控制简单、性能可靠、易于保护等优点，但其损耗大、体积大的缺点十分明显，所以目前较少采用。
电压型APF在直流侧采用并联电容作为储能元件，储能密度较大，具有体积小、损耗小、效率高等优点。同时其电压源的特性，方便实现多个小容量APF并联扩容的目的。由于电压型APF技术相对成熟、完善，所以目前国内外绝大多数APF采用这类主电路结构形式。
（4）根据主电路所使用PWM变流器的数量分类可分为单个主电路和多重化主电路有源电力滤波器。多重化技术可以提高装置的容量，降低单个器件的工作频率。
（5）根据接入系统的不同可分为单相及三相有源电力滤波器，三相有源电力滤波器又可分为三相三线制和三相四线制两种。
３有源电力滤波器技术的发展
3.1有源电力滤波器的接入拓扑
有源电力滤波器的接入拓扑的基本形式为并联型APF和串联型APF，如图3所示。
并联型有源滤波器主要用于感性电流源型负载的补偿，它也是工业上已投入运行最多的一种方案，但由于电源电压直接加在逆变桥上，因此对开关元件的电压等级要求较高。
为克服单独使用时面临的缺点，并联型APF常常与PF混合使用。就与PF混合使用的形式来说又可分为两种：APF与PF并联及APF与PF串联，如图4所示。
3.2谐波检测技术
有源电力滤波器的补偿效果在很大程度上依赖于能否检测到真实反映欲补偿的谐波分量的参考信号。因此，有源电力滤波器设计中的关键技术之一就是找到一种可由负载电流中精确地提取谐波分量的幅值和相位的算法。同时，这种检测方法的速度也是需要考量的重要因素。通常，谐波的检测提取技术可分为直接法和间接法两种。
直接法的原理是通过滤波的方式，去除采样信号中不需补偿的基波成分，将剩余信号作为谐波参考信号，如陷波器（带通滤波器）检测法。因此种方法误差较大，已很少采用。
间接法的原理是将采样信号进行解耦，然后重新将所需的分量进行组合后作为参考信号。目前较为常见的谐波检测方法包括：
（1）基于傅立叶变换（Fourier）的检测方法
采用傅立叶变换（FFT）对电网电流进行计算，得到电网电流中的谐波分量。它是一种纯频域的分析方法，其优点是可以任意选择拟消除的谐波次数，但是计算量大，具有较长的时间延迟，实时性较差。
（2）瞬时无功功率法
基于瞬时无功功率理论（日本学者H.Akagi1983年提出）的谐波检测法及其改进法。以瞬时实功率P和瞬时虚功率Q的定义为基础（即PQ理论），后又发展为以瞬时有功电流 i_p和瞬时无功电流 i_q为基础的理论体系。此方法的实时性较好，但由于检测时采用了数字低通滤波器，因此检测出的结果会有一定的延时。瞬时无功功率理论是目前有源电力滤波器中采用最多的一种谐波检测方法。
（3）基于自适应的检测方法
基于自适应干扰抵消原理，具检测精度高和对电网电压畸变及电网参数变化不敏感的优点，但动态响应速度较慢。其改进方法包括用神经网络实现的自适应检测法。
检测精度和实时性是判断谐波检测方法的重要指标，各种检测方法都有其优点，但也都存在局限性。随着各种谐波检测方法的不断改进，以及新的检测方法，如基于小波变换（Wavelet）等现代数字信号处理的方法的推出，谐波检测技术在不断进步中。而基于瞬时无功功率理论的谐波检测法及其改进法是目前相对较成熟，应用最广泛的方法。
3.3有源电力滤波器的电流跟踪控制策略
当准确地检测出电网中的谐波电流后，如何控制APF主电路，使APF输出电流跟踪谐波电流变化，是电流跟踪控制策略所需完成的工作。由于谐波电流具有时变和高变化率（di/dt）的特点，这就要求APF电流控制器具有较快动态响应性能和较高的控制精度，同时，电流控制器的稳定性也是必须要考虑的因素。
目前对APF电流控制方法的研究比较多，主要有三角载波线性控制、滞环比较控制、无差拍控制、滑模控制等、单周控制等[4]。
（1）三角载波电流控制（Triangular Carrier Current Control）方法
这是最为简单的一种线性控制方法。以指令电流与实际补偿电流之间的差值作为调整信号，与高频三角载波相比较，从而得到逆变器开关器件所需的控制信号。 此方法的优点是动态响应好，实现电路简单，缺点是逆变器始终处于高频工作状态，产生高频噪音和造成较大的开关损耗。
（2）滞环电流控制方法（Hysteresis Current Control）
这是目前使用十分广泛的一种闭环控制方法。根据给定的补偿信号与测得的逆变器输出电流的误差来控制逆变器开关的动作，使实际电流始终保持在滞环带内，围绕参考信号上下波动。 此方法的特点是硬件电路简单、开关损耗小、动态响应快，但系统的开关频率、响应速度及电流的跟踪精度会受滞环宽带影响。
（3）无差拍控制方法（Dead-Beat Control）
无差拍控制方法是一种全数字化的控制技术。利用前一时刻的指令电流值和实际补偿电流值，根据空间矢量理论计算出逆变器下一时刻应满足的开关模式。其特点是动态响应快，易于执行，但计算量大，且对系统参数依赖性较大。
（4）单周控制法（One-Cycle Control）
单周控制法是一种通用型非线性大信号控制方法，特别适合于开关电路的控制。其基本思想是: 控制开关占空比，在每个周期内使逆变器开关变量的平均值与控制参考值相等或成一定比例，从而消除稳态和瞬态误差。它具有反应快、控制精度高、控制电路简单等优点。缺点是抗干扰性能较差。
（5）滑模控制（Sliding Mode Control, SMC）
滑模控制又称为变结构控制（variable structure），具有响应快速、动态品质好的优点，并有较强的鲁棒性。
除了上述介绍的多种电流跟踪控制策略外，还有如空间矢量控制法（SPACe Vector Control）、预测控制等的许多现代控制方法。在设计有源电力滤波器系统时，应根据谐波负载情况，从控制精度、动态响应时间及系统稳定性这些关键因素综合进行考虑。
3.4主电路结构及参数设计
目前，有源电力滤波器主电路主要采用PWM变流器的形式，当采用单个变流器不能满足系统容量要求时，可以采用多重化或多电平（Multi-level）的主电路结构形式[5]。
（1）单个PWM变流器的主电路结构
根据主电路直流侧储能元件的不同，可以分为电压型和电流型两种。电压型PWM变流器（如图5）直流侧电容损耗较小、体积较小，适合构成大容量有源电力滤，也是目前主流的PWM结构。实际设计中，储能电容和接入电感的大小对APF装置的成本和性能有很大的影响。
（2）多重化主电路结构形式
多重化结构是通过将多个PWM变流器串联或并联的方法，以实现使用较低开关频率，较小容量的开关器件，组成大容量、高效率变流器的目的。
（3）多电平主电路结构形式
通过增加电力电子器件，设计多电平主电路拓扑结构，将变流器的输出由传统的两电平输出变为多电平输出。其优点是开关频率低，开关器件所承受的电压应力小，同时，由于不使用变压器和电抗器，体积减小而效率提高。，多电平主电路控制方法较为复杂，是目前研究和应用的方向。
（4）参数设计
由于APF结构多样，补偿的谐波源也多种多样，对APF的容量和谐波补偿的性能指标也有不同的要求。目前，对于APF主电路各项参数的设计没有统一的理论，参数的选取步骤为：
a主要根据被补偿的谐波源选择主电路结构形式；
b根据主电路结构、开关器件的开关频率、电压等级、电流等级选择合适的开关器件；
c根据APF装置的性能和成本设计直流侧电压、电容值和交流侧电感值；
（5）有源电力滤波技术的研究方向
关于有源电力滤波器技术近期的研究主要集中在以下几个方面：
a谐波的检测：如何通过对谐波理论的进一步研究，找出更好的谐波检测算法是提高APF性能的有效手段；
b优化系统控制策略：寻求更好的控制策略，如基于系统能量平衡的控制策略，达到对输出电流/电压的准确控制；
c优化电路设计：改善补偿性能，控制系统成本，如多电平主电路结构的研究；
d补偿装置的多功能化：如使APF具备补偿无功、平衡三相电压、抑制电压闪变等功能。
这些研究的主要目的是提高系统运行的效率，进一步减少补偿装置的制造成本和损耗，提高装置的可靠性和易用性，并实现一机多用。
4有源电力滤波器的行业应用与市场前景
目前，随着用户侧非线性负载的快速增长（如在节能减排政策的推动下，高耗能行业为自身节能需求大量使用高压变频调速设备），有源电力滤波器己成为满足公用电网安全性、用电设备可靠性与降耗增效等市场需求的必然选择。
谐波治理的主要应用行业与主要应用场景包括[6]：
（1）钢铁行业：钢铁行业中常用的中频炉、轧机、电弧炉等设备都会产生大量谐波；
（2）石化行业：大量泵类负载，且配有变频器（6脉冲整流为主），因此所产生的谐波以5次、7次、11次谐波为主；
（3）半导体行业：大量单相整流设备的使用，使3次谐波非常严重；
（4）汽车制造行业：焊机是谐波主要来源，同时还引起闪变、电压跌等问题；
（5）通信行业： UPS、开关电源、变频空调等的大量使用，使3次、5次、7次、11次谐波严重；
（6）直流电机的谐波治理：由于整流设备的使用，产生严重的谐波污染；
（7）谐波影响精密设备（如实验室或自动化生产线）、医院设备的运行，造成设备故障。
在节能及电网清洁化等政策的推动下，我国电能质量市场增长迅速。尤其是滤波和无功补偿设备，复合年增长率超过16%。2009年，中国电能质量市场总销售额为了67亿元人民币。预计到2015年，电能质量市场规模将超过120亿元人民币，年增长率将保持在12%以上[6]。
技术发展水平的差距，导致了大部分高端电能质量产品市场仍然被外资企业占据，而国内企业则在一些技术含量较低的产品市场上相互竞争。以低压电能质量治理设备为例：低压滤波器，特别是有源电力滤波器市场，80%的市场份额被外资企业所占据；而低压无功补偿设备市场上则是大量本土企业的竞争。
目前，有源电力滤波行业尚处于市场培育期，竞争格局尚处初级阶段。有源滤波设备市场仍以国外产品为主，ABB、西门子、施耐德等欧美龙头企业占据国内市场主流地位，但因进口产品单价与维保费用极高，国内用户承受能力有限导致有源滤波市场尚未形成。国内一些电气企业正逐步进入有源滤波市场。
５ 结束语
有源电力滤波器是谐波治理，改善电能质量的重要技术手段，其应用领域几乎涉及到国民经济的各个工业领域。因此，该技术应用具有广阔的市场前景。随着我国在有源电力滤波器的技术研发与市场引导方面的不断投入，有源电力滤波器市场将迎来快速发展的黄金时期。
