摘 要：随着大功率开关器件的广泛应用，电能质量问题日益严重。文中就谐波治理中的无源及有源滤波技术进行对比，简要介绍了有源滤波器的分类、工作原理以及近年来国内外有源滤波技术研究的最新成果，展望了有源滤波技术在我国的发展前景。
关键词：有源滤波器； 无源滤波器； 电能质量； 谐波
ACTIVE POWER FILTER TECHNOLOGY AND ITS APPLICATION
Hu Ming, Chen Heng
(Southeast University, Nanjing 210096, China)
Abstract：With the wide application of high power electronic switches in power system, the problem of quality of power supply becomes more serious. This paper makes a comparison between the passive filters and active power filters, introduces the classifications, operation principles and new trends of the active power filters, and the prospects of the application of active power filters in China.
Keywords：active power filter; passive filter; power quality; harmonics▲
0 引言
近年来，配电网中整流器、变频调速装置、电弧炉、电气化铁路以及各种电力电子设备不断增加。这些负荷的非线性、冲击性和不平衡的用电特性，对供电质量造成严重污染。另一方面，现代工业、商业及居民用户的用电设备对电能质量更加敏感，对供电质量提出了更高的要求［1］。仅依靠过去无源滤波技术治理谐波已不能满足要求，研究和开发适应这一要求的新技术已成为近年来电力系统研究领域中的新热点。对此，国外提出了“用户电力技术 ”(Custom Power)的新概念［2］，即利用电力电子控制器来提高配电网供电可靠性及电能质量。由于谐波是影响电能质量的最主要因素，因此有源滤波——利用电力电子控制器来抑制谐波也是Custom Power技术实施的主要手段之一，利用有源滤波这一新技术对配电网进行综合电能质量补偿必将会带来显著的经济效益。
本文首先对无源滤波技术和有源滤波技术的优缺点进行比较，接着对有源滤波技术的原理、应用及其发展趋势做了详细介绍。
1 无源和有源滤波技术
采用电力滤波装置就近吸收谐波源所产生的谐波电流，是抑制谐波污染的有效措施。通常采用由电力电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的无源滤波装置进行滤波。由于无源滤波具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，因此无源滤波是目前广泛采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。由于无源滤波器是通过在系统中为谐波提供一并联低阻通路，以起到滤波作用，其滤波特性是由系统和滤波器的阻抗比所决定的，因而存在以下缺点［1，3］：①滤波特性受系统参数的影响较大；②只能消除特定的几次谐波，而对某些次谐波会产生放大作用；③滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调；④谐波电流增大时，滤波器负担随之加重，可能造成滤波器过载；⑤有效材料消耗多，体积大。
由于无源滤波具有以上缺点，随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。早在70年代初期，日本学者就提出了有源滤波器（active power filter，缩写为APF）的概念［4］，即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。1976年美国西屋电气公司的L.Gyugi提出利用大功率晶体管组成的PWM逆变器构成的APF消除电网谐波［5］。由于受到当时功率半导体器件水平的限制，APF的研制一直处在试验研究阶段。进入80年代以后，随着电力电子技术的飞速发展，大功率可关断器件（GTR，GTO，IGBT等）的不断进步，以及对非正弦条件下无功功率补偿理论的深入研究，特别是瞬时无功理论的提出［6］，为APF的实用化提供了必要的条件，使之在工业上得到了广泛的应用。
与无源滤波器相比，APF具有高度可控性和快速响应性，其具体特点如下：
a.不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点，在性价比上较为合理；
b.滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；
c.具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。
尽管APF有着无源滤波器所不具备的巨大技术优势，但目前要想在电力系统中完全取代无源滤波器还不太现实。这是因为与无源滤波器相比较，APF的成本较高，这一点是限制APF推广使用的关键。随着电力电子工业的发展，器件的性价比将不断提高，APF必然会得到广泛应用。2 有源滤波器的分类
目前，有源滤波技术已在日本、美国等少数工业发达国家得到了广泛应用。根据应用场合不同，有源滤波器可分为有源直流滤波器和有源交流滤波器两大类。有源直流滤波器主要用来消除HVDC系统中换流器直流侧的电压、电流谐波；而有源交流滤波器则是应用于交流电力系统各个电压等级的有源滤波器，也就是通常所说的APF。从不同的观点出发，APF具有不同的分类标准［7］。
a.根据APF与系统的连接方式可将APF分为并联型APF、串联型APF、串—并联型APF以及混合型APF。
图1所示为并联型APF，由于其与系统相并联，可等效为一受控电流源。并联型APF可产生与负载谐波大小相等、方向相反的谐波电流，从而将电源侧电流补偿为正弦波。并联型APF主要适用于感性电流源型负载的谐波补偿，目前技术上已相当成熟，工业上已投入运行的APF多采用此方案［8］。
图1 并联型APF
Fig.1 Parallel-type APF
图2所示为串联型APF，通过3个单相变压器串联在电源与负载间，可等效为一受控电压源。其主要用于消除带电容二极管整流电路等电压型谐波源负载对系统的影响，以及系统侧电压谐波与电压波动对敏感负载的影响［8，9］。与并联型APF相比，由于串联型APF中流过的是正常负荷电流，因此损耗较大；此外，串联型APF的投切、故障后的退出及各种保护也较并联型APF复杂［8］。目前单独使用的串联型APF的研究较少，国内外的研究多集中在其与LC无源滤波器所构成的串联混合型APF上［10，11］。
图2 串联型APF
Fig.2 Series-type APF
图3所示为串—并联型APF，这是一种新型APF，其名称尚未统一，文献［12，13］称之为统一电能质量调节器(UPQC)，目前还处在试验阶段。这种APF兼有串、并联APF的功能，可解决配电系统发生的绝大多数电能质量问题，具有较高的性价比，是今后值得推广的一种装置。
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