第３８卷 ２０１０年８月 云南电力技术 Ｖｏ１．３８ Ｎｏ．４ Ａｕｇ．２０１０ ＹＵＮＮＡＮ ＥＬＥＣＴＲＩＣ Ｐ０ＷＥＲ 有源电力滤波器综述 雷鹏 刘柱揆覃日升 昆明６５０２１７） （云南电力试验研究院（集团）有限公司电力研究院，云南摘要：文中根据有源电力滤波器补偿系统的功率等级和响应速度、根据主电路的电路结构和连接方式、 根据补偿变量三个方面对有源电力滤波器进行分类，并阐述各种有源电力滤波器的特点。 关键词：有源电力滤波器 电能质量分类 中图分类号：ＴＭ５ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００６—７３４５（２０１０）０４—００４３－０４ １ 前 言 有源电力滤波器（Ａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｌｔｅｒ，ＡＰＦ） 器，尤其是多脉冲ＰＷＭ电压源逆变器或电流源 逆变器系统，其响应时间比较短，系统的补偿功 率也比较小。 是改善和提高电能质量的有效手段之一，将ＡＰＦ 运用于电力系统，其补偿非线性负载产生的谐波 和无功功率，从而使得电网电流波形保持正弦， 有效提高电网的电能质量。 目前，有很多种方法对ＡＰＦ进行分类，其 中，可以根据补偿系统的功率等级和响应速度、 根据主电路的电路结构和连接方式、根据补偿变 量对ＡＰＦ进行分类。 １）单相有源电力滤波器主要运用于低功率 等级场合，如：计算机负荷较多的商业大楼、教 学大楼、小规模工业等。对于这些应用环境，由 于大量使用单相负荷，使得中性线谐波电流含量 较大，随着负荷的变化应该提供灵活的补偿方式。 因而可以直接在分散的谐波电流源处使用小容量 有源电力滤波器进行补偿，而不需要在电源输入 ２ ＡＰＦ分类方法 ２．１ 根据功率等级和响应速度分类 端使用大容量有源电力滤波器。而且，由于单相 有源电力滤波器处理容量低，因而工作频率较高， 补偿性能较好。 为了实现相应的补偿功能，补偿系统的功率 等级和响应速度决定了ＡＰＦ的控制策略。功率等 级与响应速度之间有着密切的相互联系。通常， 响应速度越快系统花费的成本越高，见图１。 ２）对于三相系统的应用场合，根据三相负载 是否平衡而采用不同的有源电力滤波器电路结构。 当功率等级相对较低时，如：１００ｋＶＡ，可以使用 三套单相系统进行补偿，也可以使用一套三相系统 进行补偿。当三相负荷平衡时，有源电力滤波器不 低功率等级应用 （小于ｌ￣ｋＶ＾） 需要平衡三相负荷的电流或电压，只需对谐波电流 进行补偿，可以采用三相逆变器电路结构。当三相 撩 ｌ一 １单相补偿嚣ｌＩ ｌ 罐ｉ ｌ一黧 ｌ ｛ 一 图１ ＡＰＦ根据功率等级和响应速度的分类图 负载电流不平衡或三相电源电压不对称时，尤其在 三相四线制系统或不需要三相桥逆变器的系统中， 可以采用三套单相逆变器电路结构进行补偿。 ２．１．２中等功率等级应用 ２．１．１低功率等级应用 功率低于１００ｋＶＡ的系统属于低功率等级应 用，使用范围主要包括民用住宅、商业大楼、医 院、小规模到中等规模的工业负载和驱动系统。 这些系统通常采用技术比较复杂的动态有源滤波 收稿日期：２０１０—０６—１５ 功率从１００ｋＶＡ到１０ＭＶＡ的三相系统属于中 等功率等级应用，其范围包括中等电压等级和高 电压等级配电网络、高电压大容量驱动系统。对 于这些系统，其三相不平衡的影响基本可以忽略， 因而主要的补偿目标是减小或消除谐波电流。在 ４３ ２０１０年第４期 云南电力技术 第３８卷 高电压配电网中，由于电压等级较高以及相关的 高压绝缘问题，出于系统运行经济性的考虑，通 合，可以将几组ＡＰＦ并联使用，适用范围较广。 常不使用ＡＰＦ补偿无功功率，而是采用其他的方 法，如：静止无功补偿器、可调谐滤波器、同步 调相机等无功补偿装置。 ２．１．３高功率等级应用 由于高频工作的功率器件所能处理的功率等 图３并联型ＡＰＦ的连接图 级较低，因而制造高功率等级的ＡＰＦ成本较高。 通常，大容量的功率器件只能达到几千伏的耐压， 通过功率器件的串并联可以提高耐压等级，但需 要增加额外的均压电路、保护电路等，实现较困 难，成本高。然而，与低功率等级应用情况不同 的是，对于功率等级超过１０ＭＶＡ的高功率等级 应用场合，如：超高压直流输电线路、超大容量 直流驱动系统等，其谐波污染不是主要问题，主 要的补偿目标是补偿无功功率。低压侧产生的谐 波由小容量或中等容量的ＡＰＦ消除，无功功率补 偿可以使用静止无功补偿器、并联同步调相机组、 采用基于串联多电平逆变器单元的静止无功补偿 装置等。系统的响应时间在１０秒范围内，只要采 用优化的开关控制策略，接触器、断路器都可以 正常工作。日本的“子弹列车”（Ｓｉｎｋａｎｓｅｎ）是 ＡＰＦ在高功率等级应用的实例之一，其将几组 ＡＰＦ并联使用，滤波器组的控制策略和滤波器组 之间的协调机制非常复杂。 ２．２根据主电路的电路结构和连接方式对ＡＰＦ 进行分类 ＡＰＦ主电路的电路结构不同，采用的控制策 略和适用的功率等级也不同，因而主电路的电路 结构决定了ＡＰＦ的应用场合见图３。 图２ 根据电路结构和连接方式的分类图 ２．２．１并联型ＡＰＦ 在工业应用中，大量使用并联型ＡＰＦ，其以并 联的连接方式接人系统，如图３所示，抑制负载注 入系统的谐波电流，也可以使用并联型ＡＰＦ补偿无 功功率、平衡负载的三相电流。其优点为：电流负 荷只包括补偿电流分量，以及用于补偿系统损耗的 基波有功电流分量。在补偿电流数值较高的应用场 并联型ＡＰＦ可以大致分为四种类型，即：桥 式逆变器结构、开关式电容器结构、晶格式滤波 器结构和电压调节器结构。 ２．２．２串联型ＡＰＦ 串联型ＡＰＦ通过所产生的ＰＷＭ电压波与电源 电压相加减，从而使负载的电压波形为正弦波，电 路结构如图４所示，其逆变器采用无电流控制回路 的电压源逆变器。与并联型ＡＰＦ相比，串联型 ＡＰＦ的负荷电流较大，尤其在耦合变压器的低压 侧，从而使得损耗和变压器体积增大，在工业应用 中使用较少。串联型ＡＰＦ主要运用于提高供电系 统的电能质量，如：消除谐波电压、平衡负载的三 相电压，从而为负载提供正弦的电压波形，使得对 电压波形畸变较敏感电子设备能够正常工作。 旺撅 口￡ 吾 非线性负载 几 ｍ 串联型 有源电力滤波器 图４串联型ＡＰＦ的连接图 ２．２．３混合型ＡＰＦ ２．２．３．１并联型ＡＰＦ和串联型ＡＰＦ的结合 为了充分发挥并联型ＡＰＦ和串联型ＡＰＦ各自 的优势，可以将二者结合构成混合型ＡＰＦ系统， 如图５所示。但由于其成本高、控制策略较复杂， 不仅要考虑并联型ＡＰＦ的开关控制模式，还要考 虑串联型ＡＰＦ的开关控制模式。因而，该结构的 ＡＰＦ使用较少，主要运用于柔性交流输电系统 （Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ＡＣ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ，ＦＡＣＴＳ）ｏ 图５并联型ＡＰＦ和串联型ＡＰＦ的结合 第３８卷 有源电力滤波器综述 ２０１０年第４期 ２．２．３．２ 串联型ＡＰＦ和并联型无源滤波器的 结合 为了简化上述混合型ＡＰＦ的控制策略，可以采 用串联型ＡＰＦ和并联型无源滤波器的结合方式。该 结构中，串联型ＡＰＦ对高频谐波分量呈现高阻抗， 因而由并联型无源滤波器为负载的谐波电流提供通 路，如图６所示。通过该组合方式提高了串联型 ＡＰＦ的性能，同时还扩展了其补偿功能，不仅可以 抑制谐波电流，而且还可以消除谐波电压。 图６ 串联型ＡＰＦ和并联型无源滤波器的结合 ２．２．３．３ 并联型ＡＰＦ和并联型无源滤波器的 结合 该结构混合型ＡＰＦ是ＡＰＦ和无源滤波器结合 的重要方式，如图７所示。 在设计滤波器时，并联型ＡＰＦ只需抑制部分 的低次谐波电流，而大量的负载谐波电流由并联 型无源滤波器消除，从而可以提高补偿系统的容 量等级，降低系统成本。但对于该组合方式，功 率器件数量太多，而且无源滤波器始终连接在系 统上，因而只适合于单相静态谐波负载。 ＋＋＋＋ 劫劫蚯蚯 样摧黻黻 ＋ 芜 功 功 率 图７并联型ＡＰＦ和并联型无源滤波器的结合 ２。２．３．４ ＡＰＦ与并联型无源滤波器串联 ＡＰＦ与并联型无源滤波器串联的电路结构如 图８所示。由于ＡＰＦ与并联型无源滤波器串联， 因而ＡＰＦ功率器件的电压应力减小，适合中等电 压等级和高电压等级应用。 图８ ＡＰＦ与并联型无源滤波器串联的结构图 ２．３根据补偿变量对ＡＰＦ进行分类 在电力系统中，安装ＡＰＦ是为了减小电力污 染、改善电能质量等。 对于不同的补偿对象，可以采用不同的系统 参数进行描述，因而，可以根据补偿变量对ＡＰＦ 进行分类，如图９所示。 图９ ＡＰＦ根据补偿变量的分类图 ２．３．１无功功率补偿 一方面，许多学者认为不适宜采用ＡＰＦ对无 功功率进行补偿，但是，在功率因数校正应用场 合，通常都需要同时抑制电流谐波。另一方面， 有许多成本较低、响应速度慢的无功功率补偿装 置可运用于功率因数校正场合，因而，无需使用 ＡＰＦ。如果要采用ＡＰＦ补偿无功功率，也只能运 用于低功率等级场合，因为，补偿无功功率时， ＡＰＦ产生的补偿电流与负载电流幅值相当。如果 不使用其他功率因数校正装置，如：晶闸管控制 电抗器、晶闸管投切电容器等，而仅仅使用ＡＰＦ 补偿无功功率，将增加系统成本，对复杂设备形 成浪费。 ２．３．２谐波抑制 在电力系统中，谐波抑制是非常重要的问题。 通常可以分为两个方面：电压谐波抑制和电流谐 波抑制。 ２．３．２．１电压谐波抑制 供电电源的阻抗通常很小，所以，学者们很 少研究电压谐波抑制问题。而且，对于终端电力 用户而言，电压不会随着负荷的增减而变化太大， 电压相位和总谐波畸变率一般都符合相关的 标准。但是，对电压畸变比较敏感的负载，如： 电力系统继电保护装置、超导磁性存储设备等， 其对电压波形正弦性的要求较高，电压谐波抑制 问题就显得非常重要。而且，对于在谐波频率点 会发生谐振的非线性负载而言，电压谐波抑制和 电流谐波抑制通常同时存在，负载接人点电压谐 波含量的降低，有助于电流谐波含量的降低。 ２．３．２．２电流谐波抑制 在低功率等级和中等功率等级应用中，电流 ４５ ２０１０年第４期 云南电力技术 第３８卷 谐波抑制非常重要，电流谐波抑制的程度与谐波 源接人点电压波形畸变的程度有很大关系。同时， 系统电流幅值的大小和电流波形畸变的程度也是 电力系统设计的依据，由于非线性负载的电流有 效值与各次谐波电流有效值的平方和有关，因而 为了减小系统的损耗，应尽量减小系统总电流的 有效值，即：降低系统的电流谐波含量。 ２．３．３平衡三相系统 率补偿，因而很少采用该ＡＰＦ的综合补偿方式。 而且，该补偿方式只适合运用于低功率等级场合。 ２．３．４．３ 电流谐波抑制和电压谐波抑制 抑制电流谐波和电压谐波的综合补偿方式可 以同时消除谐波对电源端和负载端的影响，但考 虑到电流谐波抑制和电压谐波抑制两方面的因素， 只能采用ＡＰＦ的串一并联混合连接方式，因而通 常只在负载对谐波比较敏感的应用场合使用，如： 在低电压等级和中等电压等级的配电网中， 三相系统的电流和电压经常幅值不相等、空间相 位差不等于１２０。，即：三相系统不平衡。 ２．３．３．１平衡三相系统的电压 系统三相电流不平衡的程度和三相系统电源 阻抗的大小，对三相系统不平衡的状况有很大的 影响，这些因素使得系统三相电压的幅值和空间 相位差不相等。可以根据正弦的电压参考信号波 形，在每一相中加入相应的瞬时电压而平衡三相 系统的电压，其主要适合运用于低容量等级的系 统，因为中等容量等级和高容量等级系统，电源 阻抗对系统性能影响较小。 ２．３．３．２平衡三相系统的电流 类似于平衡三相系统电压的情况，平衡三相 系统的电流通常也只适合于低容量等级的系统。 这是因为在民用低压供电网中，三相系统不平衡 的程度决定了注入电网的电流大小。为了平衡三 相系统的电流，必须提供相应数量等级的补偿电 流，但是，该类用户通常都是采用三套单相Ｈ桥 结构的逆变器构成补偿系统的主电路，因而补偿 系统的容量较低。 ２．３．４综合补偿 采用ＡＰＦ不同的组合方式可以提高系统相应 的性能指标，以下是几种常用的综合补偿方式。 ２．３．４．１ 电流谐波抑制和无功功率补偿 在电力系统中，为了提高功率因数和系统的 效率，使得电源电流不仅与电源电压同相位，而 且波形正弦，通常采用ＡＰＦ抑制电流谐波和补偿 无功功率的综合补偿方式。其由一台ＡＰＦ承担几 项补偿任务，与其他补偿方式比较，优势明显， 但是考虑到高频功率器件的功率等级问题，该补 偿方式主要运用于低功率等级场合。 ２．３．４．２ 电压谐波抑制和无功功率补偿 由于抑制电压谐波通常会问接的影响无功功 ４６ 电力系统继电保护装置、超导磁性存储设备。 ２．３．４．４电流谐波、电压谐波抑制和无功功率 补偿 由于该综合补偿方式不仅要抑制电流谐波和 电压谐波，同时还要补偿无功功率，需要采用 ＡＰＦ的并一串联混合连接方式，其控制策略和电 路结构极其复杂，工业应用中很少采用。 ３ 结束语 提高对电能质量的要求是一个国家工业生产 发达、科技水平提高的表现，是增强用电效率、 节能降耗、改善环境、提高国民经济的总体效益， 以及工业生产可持续发展的技术保证。ＡＰＦ作为 改善和提高电能质量的有效手段，其在电力系统 中的应用将更加广泛。 参考文献 ［１］王晓刚．智能控制方法应用于ＡＰＦ的综 述与展望［Ｊ］．电网技术，２００８，３２（８）：３５ —４１． ［２］Ｗ．Ｍａｃｋ Ｇｒａｄｙ，ｅｔ ａ１．Ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｒｍｏｎｉｅｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｖｉｅｗ，２００１，２１（１１）：８一ｌ１． ［３］童立青．有源电力滤波器电路拓扑研究 综述［Ｊ］．电力电子技术，２００９，４３（１０）：２—４． ［４］林海雪．公用电网谐波国标中的几个问 题［Ｊ］．电网技术，２００３，２７（１）：６５—７０． ［５］王兆安，等．谐波抑制和无功功率补偿 ［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９８． ［６］Ｌ Ｓ．Ｃｚａｒｎｅｃｋｉ，ｅｔ ａ１．Ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ Ｐ——ｑ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ ｓｙｓｔｅｍ『Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ，２００６，２１（１）：３６２—３６７．
