摘要：該文介紹了有源電力濾波器的工作原理和基本控制方法，并闡述有源電力濾波器的現(xiàn)狀及發(fā)展前景等等。

關(guān)鍵詞：有源電力濾波器；諧波；工作原理；應(yīng)用及前景

有源電力濾波器是一種用于動(dòng)態(tài)治理諧波、補(bǔ)償無(wú)功的新型電力電子裝置，它能對(duì)大小和頻率都變化的諧波以及變化的無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，可以克服無(wú)源濾波器等傳統(tǒng)的諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)。

有源電力濾波器的分類情況如圖1所示，根據(jù)不同的接入方式，可分為三類。

以下主要以并聯(lián)型有源電力濾波器為介紹對(duì)象。

1 并聯(lián)型有源電力濾波器

并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示，es表示交流電源，負(fù)載為諧波源，它產(chǎn)生諧波并消耗無(wú)功。如圖2所示，有源電力濾波器的系統(tǒng)由兩部分組成，即指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路（電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和主電路三部分）。基本工作原理：檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象中含有諧波的電流，經(jīng)指令電流運(yùn)算電路得出補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，該指令信號(hào)經(jīng)過(guò)跟蹤控制電路，控制電路得出補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中要補(bǔ)償?shù)闹C波電流相互抵消，得到不含諧波的電流。

當(dāng)負(fù)載產(chǎn)生諧波時(shí)，有源電力濾波器檢測(cè)出負(fù)載電流中的諧波分量，將其反性后作為指令信號(hào)，由補(bǔ)償電流發(fā)生電路產(chǎn)生的補(bǔ)償電流，即與負(fù)載電流中諧波分量大小相等、方向相反，在連接點(diǎn)相互抵消，達(dá)到補(bǔ)償諧波的目的，使得電源電流中只含有基波，不含諧波。

2 電流跟蹤控制方法

電流跟蹤控制方法在有源電力濾波系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，它決定了系統(tǒng)的快速性和準(zhǔn)確性。為了得到較好的實(shí)時(shí)性，一般采用跟蹤型PWM控制方式，目前常用的電流跟蹤控制方法有：三角波比較方式和滯環(huán)比較跟蹤控制。

2.1 三角波比較控制

三角波比較方法是較簡(jiǎn)單的一種電流控制方法，其原理如圖3所示。

這種方法將補(bǔ)償電流指令信號(hào)ic*和實(shí)際補(bǔ)償電流信號(hào)ic之間的差Δic經(jīng)放大器A放大之后再與三角波比較，放大器A一般采用比例放大器或者比例積分放大器，控制電路的設(shè)計(jì)目標(biāo)將Δic控制為較小。三角波比較方式的特點(diǎn)是電流響應(yīng)比較慢，跟隨誤差大，硬件復(fù)雜，器件開(kāi)關(guān)頻率固定，輸出電壓中所含的諧波少。

2.2 滯環(huán)比較跟蹤控制

滯環(huán)電流控制具有簡(jiǎn)單靈活，性能與系統(tǒng)參數(shù)無(wú)關(guān)， 動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，魯棒性好，精度較高等優(yōu)點(diǎn)，因此在跟蹤諧波電流或電壓的控制方面應(yīng)用較多。

以單相電流跟蹤控制為例，圖4為采用滯環(huán)比較器的瞬時(shí)比較方式的原理圖。

把補(bǔ)償電流的指令信號(hào)ic*和實(shí)際補(bǔ)償電流信號(hào)ic 進(jìn)行比較，得到兩者的差值Δic，將其差值Δic作為滯環(huán)比較器的輸入，通過(guò)滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制主電路中開(kāi)關(guān)通斷的PWM控制信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制開(kāi)關(guān)的通斷， 從而達(dá)到控制實(shí)際補(bǔ)償電流i 跟蹤指令電流i *變化的目的。

這種控制電路的特點(diǎn)是不需要載波，硬件電路簡(jiǎn)單， 電流響應(yīng)快，若滯環(huán)寬度固定則其電流跟蹤誤差范圍固定。但這種方式中的滯環(huán)寬度H對(duì)補(bǔ)償電流的跟蹤性能有較大的影響：當(dāng)H較大時(shí)，其跟蹤誤差大，跟蹤能力差， 對(duì)主電路中電力半導(dǎo)體器件的開(kāi)關(guān)頻率要求較低；反之， 當(dāng)H較小時(shí)其電流跟蹤誤差小，但同時(shí)對(duì)主電路中電力半導(dǎo)體器件的開(kāi)關(guān)頻率要求就比較高。

3 有源電力濾波器的現(xiàn)狀及發(fā)展前景

3.1 國(guó)外的研究現(xiàn)狀

目前，有源電力濾波器在國(guó)外的研究以日本為代表，已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段，已有很多應(yīng)用實(shí)例。隨著容量的逐步提高，其應(yīng)用范圍也從補(bǔ)償用電戶自身的諧波向改善整個(gè)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的方向發(fā)展。

有源電力濾波器在日美等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)得到了高度的重視和廣泛的應(yīng)用。一些裝置已經(jīng)相當(dāng)成熟，其產(chǎn)品開(kāi)始進(jìn)入大量實(shí)用化階段。如日本的有源電力濾波器使用很普遍，并聯(lián)型有源電力濾波器容量達(dá)50 MVA，采用的是GTO、SCR器件，用于治理電弧引起的閃變。

3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)于補(bǔ)償諧波的有源電力濾波器的研究十分活躍，技術(shù)也相當(dāng)成熟，但仍處于試驗(yàn)階段，且成本較高。并聯(lián)型有源電力濾波器的研究較為成熟，主要以理論和實(shí)驗(yàn)研究為主。雖然我們?cè)诶碚撋弦呀?jīng)取得了一定的成就， 但多數(shù)只是實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，存在容量小、可靠性差、補(bǔ)償效果不理想、造價(jià)高等缺點(diǎn)。

3.3發(fā)展前景

隨著快速、大功率電力電子開(kāi)關(guān)器件的研制成功，基于瞬時(shí)無(wú)功理論的瞬時(shí)空間矢量法的提出，以及微機(jī)控制技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的不斷發(fā)展，有源電力濾波技術(shù)也得到了快速發(fā)展。

目前有源電力濾波器在日美工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)得到了高度的重視和廣泛的應(yīng)用，我國(guó)還處在研究試用階段，而且成本相對(duì)較高。但隨著大功率電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的不斷發(fā)展，APF的成本不斷降低，加上其濾波效果良好，在我國(guó)必將有廣闊的應(yīng)用前景。

4 安科瑞有源電力濾波器介紹

4.1 工作原理

ANAPF系列有源電力濾波器并聯(lián)在含諧波負(fù)載的低壓配電系統(tǒng)中，能夠?qū)?dòng)態(tài)變化的諧波電流進(jìn)行快速實(shí)時(shí)的跟蹤和補(bǔ)償。其原理為：ANAPF系列有源電力濾波器通過(guò)CT采集系統(tǒng)諧波電流，經(jīng)控制器快速計(jì)算并提取各次諧波電流的含量，產(chǎn)生諧波電流指令，通過(guò)功率執(zhí)行器件產(chǎn)生與諧波電流幅值相等方向相反的補(bǔ)償電流，并注入電力系統(tǒng)中，從而抵消非線性負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流。

圖4-1  ANAPF有源電力濾波器原理圖

4.2 產(chǎn)品特點(diǎn)

● DSP+FPGA全數(shù)字控制方式，具有較快的響應(yīng)時(shí)間，主電路拓?fù)浜涂刂扑惴?，精度更高、運(yùn)行更穩(wěn)定；

● 一機(jī)多能，既可補(bǔ)諧波，又可兼補(bǔ)無(wú)功，可對(duì)2～31次諧波進(jìn)行全補(bǔ)償或特定次諧波進(jìn)行補(bǔ)償；

● 具有完善的橋臂過(guò)流保護(hù)、直流過(guò)壓保護(hù)、裝置過(guò)溫保護(hù)功能；

● 模塊化設(shè)計(jì)，體積小，安裝便利，方便擴(kuò)容；

● 采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏以實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和控制，使用方便，易于操作和維護(hù)；

● 輸出端加裝濾波裝置，降低高頻紋波對(duì)電力系統(tǒng)的影響；

● 多機(jī)并聯(lián)，達(dá)到較高的電流輸出等級(jí)；

● 擁有自主技術(shù)。

4.3選型示例

上海某工廠辦公大樓變壓器容量為250KVA，變壓器負(fù)載率為0.8，主要負(fù)載為節(jié)能燈、變頻空調(diào)和電梯等，屬于辦公樓宇。

變壓器容量為250KVA；

變壓器負(fù)載率為0.8；

負(fù)載類型屬于辦公樓宇，根據(jù)表1估算THDi為30%；

查表4可得估算諧波電流值為83A；

如果根據(jù)公式（2）計(jì)算，結(jié)果是一樣的；

考慮到一定的裕量，選擇100A的ANAPF有源電力濾波器。

4.4治理方式分類與說(shuō)明

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理系統(tǒng)針對(duì)不同的場(chǎng)合可選擇不同的治理方案，一般有集中治理、局部治理和就地治理三種技術(shù)方案。

（一）集中治理

集中治理上圖示例

本案例是在變電所低壓電容柜中設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償，同時(shí)在配電前端設(shè)置有源電力濾波器，采用集中治理的方式治理諧波。

集中治理適用于單臺(tái)設(shè)備諧波含量小，但數(shù)量龐大、布局分散的場(chǎng)合，比如辦公大樓(個(gè)人電腦、節(jié)能燈、變頻空調(diào)、電梯等)，雖然單臺(tái)設(shè)備的電流小，諧波含量低，但整棟大樓的總電流大，總諧波電流也大。

（二）局部治理

局部治理上圖示例

本案例是在變電所低壓電容柜中設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償，同時(shí)在局部諧波源前端設(shè)置有源電力濾波器，采用局部治理的方式治理諧波。

局部治理適用于諧波源集中在某一條或幾條饋出支路的配電系統(tǒng)，比如醫(yī)院的儀器、UPS電源等，雖然單臺(tái)設(shè)備的電流小，諧波含量低，但為防止其他設(shè)備產(chǎn)生的諧波對(duì)其干擾，采用局部諧波治理。

（三）就地治理

就地治理上圖示例

本案例是在變電所低壓電容柜中設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償，同時(shí)在主要諧波源的前端設(shè)置有源電力濾波器，采用就地治理方式的治理諧波。

就地治理適用于諧波源比較明確且單臺(tái)設(shè)備諧波含量較大的配電系統(tǒng)，比如大型商業(yè)區(qū)的景觀照明、影劇院的可控硅調(diào)光設(shè)備、工業(yè)區(qū)的變頻器調(diào)速設(shè)備等，單臺(tái)設(shè)備電流大、諧波含量高、諧波電流大，為防止諧波電流影響其他用電設(shè)備，采用就地治理。

4.5安科瑞有源電力濾波器選型

立柜式

5 結(jié)束語(yǔ)

與傳統(tǒng)諧波治理技術(shù)相比，有源電力濾波器作為凈化電網(wǎng)污染，改善供電質(zhì)量的一種裝置，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。大功率電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的不斷發(fā)展，APF的成本逐漸降低，在我國(guó)必將有廣闊的應(yīng)用前景，與此同時(shí)，此裝置在農(nóng)村電網(wǎng)治理上也必然得到廣泛應(yīng)用。