文章摘要：與無(wú)源濾波器相比，有源電力濾波器具有高度可控性和快速響應(yīng)性，其具體特點(diǎn)如下： （1）具有自適應(yīng)功能，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，可對(duì)頻率和大小都變化的諧波及變化的無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)補(bǔ)償?shù)膶?duì)象有極快的響應(yīng)。 （2）可同時(shí)對(duì)諧波和無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償無(wú)功功

與無(wú)源濾波器相比，有源電力濾波器具有高度可控性和快速響應(yīng)性，其具體特點(diǎn)如下：
（1）具有自適應(yīng)功能，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，可對(duì)頻率和大小都變化的諧波及變化的無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)補(bǔ)償?shù)膶?duì)象有極快的響應(yīng)。
（2）可同時(shí)對(duì)諧波和無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償無(wú)功功率時(shí)不需要儲(chǔ)能元件，補(bǔ)償諧波時(shí)所需儲(chǔ)能元件容量不大，且補(bǔ)償無(wú)功功率的大小可以做到連續(xù)調(diào)節(jié)。
（3）受電網(wǎng)阻抗的影響不大，不容易和電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振；且可以跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，故補(bǔ)償性能不受電網(wǎng)頻率變化的影響。
盡管有源電力濾波器有著無(wú)源濾波器所不具備的巨大技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但目前要想在電力系統(tǒng)中完全取代無(wú)源濾波器還不太現(xiàn)實(shí)。這是因?yàn)榕c無(wú)源濾波器相比較，有源電力濾波器的成本較高，這一點(diǎn)是限制有源電力濾波器推廣使用的關(guān)鍵。隨著電力電子工業(yè)的發(fā)展，器件的性?xún)r(jià)比將不斷提高，有源電力濾波器必然會(huì)得到廣泛應(yīng)用。
無(wú)源濾波器和有源濾波器的工程造價(jià)與諧波要求關(guān)系如圖6所示。
 
從圖6中可以看出，諧波標(biāo)準(zhǔn)要求越高，對(duì)無(wú)源濾波器而言，就是濾波支路增多，其硬件造價(jià)幾乎是以指數(shù)速率增長(zhǎng)的。而對(duì)有源電力濾波器而言，主要是增加控制的難度和復(fù)雜度，硬件的造價(jià)基本不受影響。因此，對(duì)于電能質(zhì)量要求越來(lái)越嚴(yán)格的今天，采用有源電力濾波器作為諧波消除裝置的優(yōu)點(diǎn)正在越來(lái)越突出。
4.有源濾波器結(jié)構(gòu)及工作原理
無(wú)論有源電力濾波器如何分類(lèi)，它都是由幾個(gè)共同的部分構(gòu)成，即諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)、控制系統(tǒng)、主電路以及耦合變壓器四個(gè)主要的部分構(gòu)成。如圖7所示，基本工作原理為:首先通過(guò)諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)檢測(cè)出系統(tǒng)中的諧波并給出需要補(bǔ)償諧波的參考值，然后通過(guò)控制系統(tǒng)根
據(jù)該參考值產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖，控制主電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流或者電壓跟蹤該參考值，起到補(bǔ)償效果，有源電力濾波器通過(guò)耦合變壓器接入系統(tǒng)。

下面對(duì)有源濾波器的四個(gè)部分進(jìn)行介紹：
4.1 諧波檢測(cè)
諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)的原理框圖如圖8所示
基本工作原理為：預(yù)處理環(huán)節(jié)將電壓或電流互感器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)并進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波與放大（實(shí)際中總存在一定的高頻噪音，因此一般都要對(duì)信號(hào)進(jìn)行一定的濾波及進(jìn)行放大或縮�。�，有源電力濾波器對(duì)諧波信號(hào)的時(shí)間同時(shí)性要求較高，因此一般情況下應(yīng)該對(duì)所需信號(hào)進(jìn)行同步采樣，所以需要加采樣保持電路，即在同一時(shí)刻對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣。將采樣信號(hào)保持起來(lái)，然后分別進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。
4.2 控制系統(tǒng)
有源電力濾波器的控制系統(tǒng)及選用的控制算法是其濾波效果好壞的關(guān)鍵。有源電力濾波器的控制系統(tǒng)主要有模擬控制系統(tǒng)、數(shù)字控制系統(tǒng)以及數(shù)字模擬混合控制系統(tǒng)三類(lèi)。近年來(lái)隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，各種數(shù)字處理芯片的性能大大提高，因此有源電力濾波器的控制系統(tǒng)逐步由模擬控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為模擬數(shù)字混合控制系統(tǒng)及純數(shù)字控制系統(tǒng)。下面主要介紹有源電力濾波器的數(shù)字模擬混合控制系統(tǒng)與數(shù)字控制系統(tǒng)。
4.2.1數(shù)字模擬混合控制系統(tǒng)
有源電力濾波器的控制系統(tǒng)一般由兩個(gè)部分組成，即控制算法部分和觸發(fā)脈沖產(chǎn)生部分，如圖9所示。
 
其中控制算法處理部分對(duì)諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)送來(lái)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，采用諧波檢測(cè)算法，快速檢測(cè)出需要的諧波與有源濾波器產(chǎn)生的諧波進(jìn)行比較，根據(jù)其差值采用一定的控制方法產(chǎn)生觸發(fā)脈沖信號(hào)送給觸發(fā)脈沖發(fā)生部分。而觸發(fā)脈沖發(fā)生部分根據(jù)該信號(hào)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)脈沖去驅(qū)動(dòng)有源電力濾波器的變流器，使其產(chǎn)生的諧波電流或電壓與所需的諧波電流或電壓相同，從而達(dá)到諧波補(bǔ)償?shù)男Ч�。所謂數(shù)字模擬混合控制就是通過(guò)數(shù)字電路檢測(cè)并產(chǎn)生所需補(bǔ)償?shù)膮⒖贾C波信號(hào)，獲得參考諧波信號(hào)后，通過(guò)模擬電路實(shí)現(xiàn)諧波跟蹤（通常為比例積分PI控制）和PWM脈沖控制具有更快的速度和更高的分辨率。
 
圖10給出了在并聯(lián)型有源電力濾波器中經(jīng)常采用的一種數(shù)字模擬混合控制器的模擬部分。其中參考電流信號(hào)由微處理器通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換變成模擬信號(hào)送到模擬控制部分。有源電力濾波器的補(bǔ)償電流與參考電流進(jìn)行比較，通過(guò)比例積分環(huán)節(jié)后成為調(diào)整信號(hào)，與三角波發(fā)生電路產(chǎn)生的作為載波信號(hào)的三角波進(jìn)行比較，獲得驅(qū)動(dòng)有源濾波器逆變器的PWM驅(qū)動(dòng)脈沖。
此類(lèi)控制器中滯環(huán)比較器由于產(chǎn)生的補(bǔ)償電流參考信號(hào)能夠快速準(zhǔn)確地跟蹤諧波電流變化，具有很好的實(shí)時(shí)性，所以在有源濾波器中得到了廣泛的應(yīng)用。滯環(huán)比較器的控制框圖如圖11所示。
 
滯環(huán)比較控制采用滯環(huán)比較器，把檢測(cè)出的補(bǔ)償電流信號(hào)與實(shí)際產(chǎn)生的補(bǔ)償電流進(jìn)行比較，兩者的偏差作為滯環(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信號(hào)，從而控制補(bǔ)償電流的變化。
 
滯環(huán)比較控制的原理如圖12所示。和是兩個(gè)開(kāi)關(guān)，E1和E2等效于直流側(cè)電壓源。對(duì)于和不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，有不同的電壓源E1和E2接入回路，從而控制電流i的變化。在具體的操作中，當(dāng)產(chǎn)生的實(shí)際補(bǔ)償電流低于參考電流時(shí)，閉合，打開(kāi)，加在電感L上的電壓為正，i增加；當(dāng)產(chǎn)生的實(shí)際補(bǔ)償電流高于參考電流時(shí)，加在電感L上的電壓為負(fù)，i減少。通過(guò)控制和的開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)控制注入電流的變化。
4.2.2數(shù)字控制系統(tǒng)
隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，產(chǎn)生PWM脈沖的數(shù)字電路和具有可編程功能的器件快速發(fā)展因而通過(guò)專(zhuān)門(mén)電路或通過(guò)可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)PWM脈沖發(fā)生器已非常方便而且在速度和分辨率方面有看顯著的提高，因此有源電力濾波器的控制系統(tǒng)已經(jīng)逐步變成純數(shù)字的控制系統(tǒng)。與其他的電力電子裝置類(lèi)似，根據(jù)有源濾波器控制算法的復(fù)雜性我們可以選擇不同的數(shù)字控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常的控制系統(tǒng)一般有基于單數(shù)字信號(hào)處理芯片的帶有PWM信號(hào)的控制系統(tǒng)，即如圖13所示的控制系統(tǒng)。由于DSP本身帶有PWM脈沖產(chǎn)生部分，因此采用單片的DSP就可以實(shí)現(xiàn)有源電力濾波器的控制系統(tǒng)。
   當(dāng)然，由于DSP芯片既要處理控制算法又要產(chǎn)生脈沖，因此只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的控制算法。如果要實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜與先進(jìn)的算法，采用多DSP芯片的控制系統(tǒng)或者DSP+FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列）的通用控制系統(tǒng)。具體的控制系統(tǒng)這里不做介紹。
4.3主電路
有源電力濾波器的主電路型式多種多樣，有很多種分類(lèi)方法。按照電力系統(tǒng)應(yīng)用的需要一般可以分為三相三線制結(jié)構(gòu)和三相四線制結(jié)構(gòu)兩種，而在三相三線制與三相四線制結(jié)構(gòu)中又有許多其他的結(jié)構(gòu)，下面簡(jiǎn)單的介紹并指出其特點(diǎn)與優(yōu)缺點(diǎn)，可以根據(jù)電力系統(tǒng)的實(shí)際情況加以選用。
由于許多負(fù)荷本身只是三相三線制接線，因此針對(duì)此類(lèi)負(fù)荷的有源電力濾波器也只需采用三相三線制主電路即可。目前大量功率開(kāi)關(guān)模塊都已經(jīng)讓三相三橋臂結(jié)構(gòu)制作，因此實(shí)現(xiàn)三相三線制主電路結(jié)構(gòu)非常方便。圖14所示為三相三線制結(jié)構(gòu)的有源電力濾波器。
 
我國(guó)380V系統(tǒng)均為三相四線制系統(tǒng)，而負(fù)荷通常也為三相四線制即存在中線，因而三相電流之和通常不為零即存在零序電流，零序電流中既可能存在零序基波分量也可能存在零序諧波分量，此時(shí)采用并聯(lián)型三相三線制主電路的電力濾波器無(wú)法消除線路中的零序基波電流和諧波電流以及中線中的電流。在許多情況下，為了保持三相電流的平衡，在大型辦公樓中通常會(huì)在三相中合理分配負(fù)荷，使三相電流盡量平衡。但是由于單相負(fù)荷如計(jì)算機(jī)、工作站等信息設(shè)備的大量使用，以及大量設(shè)備是后來(lái)增加的，因此實(shí)際中要合理的分配三相負(fù)荷是很難做到的。所以在許多大型的辦公樓出現(xiàn)了三相電流嚴(yán)重不平衡，中線電流很大。并聯(lián)型三相四線制有源電力濾波器就是解決這種非線性不平衡問(wèn)題和諧波問(wèn)題的有力手段，圖15所示為目前常見(jiàn)的三相四線制結(jié)構(gòu)的并聯(lián)型有源電力濾波器。直流電容中線點(diǎn)與系統(tǒng)中線相連，全部的中線電流都流經(jīng)直流側(cè)的電容器，其數(shù)值較大。同時(shí)由于中線接在電容器中間，因此有源電力濾波器運(yùn)行中還可能出現(xiàn)電容電壓不平衡問(wèn)題，所以在有源濾波器控制中還應(yīng)該加入直流側(cè)電容電壓平衡控制。這種結(jié)構(gòu)主要用于小容量系統(tǒng)。
 
4.4 耦合變壓器
前面講到的兩種主電路結(jié)構(gòu)都通過(guò)連接電抗直接接入系統(tǒng)。對(duì)于電壓較高的情況，由于各種開(kāi)關(guān)器件耐壓水平的限制，變流器輸出電壓不可能太高，因此通常采用變壓器接入方式。采用耦合變壓器接入電力系統(tǒng)的好處有：
（1）可以靈活地改變逆變器的輸出電壓和電流，從而充分利用開(kāi)關(guān)器件的電壓與電流容量。
（2）可以提供絕緣隔離。變壓器的電氣與原副邊的絕緣隔離可以防止出現(xiàn)不必要的電氣連接，可以提高有源電力濾波器的可靠性，還可以防止電力系統(tǒng)中的各種干擾直接進(jìn)入到有源電力濾波器中。


有源濾波器應(yīng)用情況及前景展望:目前，有源濾波技術(shù)已在日本、美國(guó)等少數(shù)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家得到應(yīng)用，有工業(yè)裝置投入運(yùn)行，其裝置容量最高可達(dá)60MV.A；國(guó)內(nèi)對(duì)有源電力濾波器的研究尚處于起步階段。 現(xiàn)在有源電力濾波器在日本應(yīng)用越來(lái)越廣泛，1994年之前就有300多臺(tái)投入使用，下表是投入使用的有源

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