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[摘要]详细论述有源电力滤波器的发展以及发展到当今的一些关键技术。
[关键词]谐波 有源电力滤波器 无功补偿 电流检测
中图分类号：TM-9 文献标识码：A 文章编号：1 671—7597(2009)1010129—01
一、引言
随着电力电子装置和非线性负载的普遍使用，使谐波电流和无功电流大量注入电网，严重威胁了电网和电气设备的正常使用。我国仅由电能质量问题造成的年电能损失就高达400多亿元，对电力系统的谐波无功进行滤波和补偿已成为现在的研究热门。
二、有源电力滤波器的发展
目前，在电力系统中抑制或减少谐波主要从两个方面进行：一方面是从产生谐波的谐波源装置本身入手。但是由于谐波源的多样性，要完全滤除谐波是根难实现的。第二个重要的方面就是研究对系统中的谐波进行有效滤波和补偿的方法和措施。主要采用无源滤波及有源滤波两种方法对谐波进行治理。由于无源滤波器的设计大多针对特定频率的谐波，只能滤除特定次数谐波，存在着与电网发生谐振的可能性。70年代以来，由此基础上发展起来的有源电力滤波器成为一个研究热点。它是一种动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，它能对频率和大小都变化的谐波和无功进行补偿，可以弥补无源滤波器的缺点，是一种理想的补偿谐波装置。
1971年，h.sasaki和T.Machida首次完整地描述了有源电力滤波器的基本原理，但当时是采用线性放大的方法产生补偿电流，其损耗大，成本高，因而仅在实验室研究，未能在工业中实用。1976年，1.gyugyl等人提出了用四象限PWM变流器构成的有源电力滤波器，正式确立了有源滤波的概念，并提出了相应的主电路基本拓扑结构和控制方法。其基本原理是通过向电网注入与原有谐波和无功电流大小相等方向相反的补偿电流，使电网的总谐波和无功电流为零，从而达到净化电网的目的。PWM变流器是一种理想的补偿电流发生电路，但由于当时电力电子技术的发展水平还不高，因而有源电力滤波器仍局限于实验研究。70年代后半期没有得到大的进展。1983年，日本长冈科技大学的akagth等人基于瞬时实功率p和瞬时虚功率q分解理论，提出了三相电路瞬时无功功率理论，为解决三相电力系统畸变电流的瞬时检测提供了理论依据。与此同时新型电力电子器件的出现、PWM控制技术的发展以及瞬时无功功率理论的提出，极大地促进了有源电力滤波器技术的发展。1986年akagih，提出了并联型APF单独使用方式，它是最早期的有源滤波装置。1987年takedam，等人提出用并联型APF和并联PF相结合的混合型APF。1994年，akagih，等提出一种将串联型APF和并联型APF进行混合的方式，也称为统一电能质量调节器。
目前有源电力滤波器在美国、日本等发达工业国家已广泛用于国民经济的各个生产部门，并且谐波补偿的次数逐步提高(典型值达25次)，单机装置的容量也逐步提高(APF的最大容量可达50mva)，其应用领域正从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统供电质量的方向发展。国内有源滤波器的研制始于20世纪80年代中期，1989年华北电力科学研究所研制出中国第一台有源滤波器。此外，西安交通大学、清华大学等高校也陆续有新产品通过试制。20世纪90年代末期，电力滤波器在我国开始实质性应用，20世纪初，电力滤波器开始逐渐普及。2006年，电力滤波器的发展开始加速，无源滤波器，组合滤波器，有源滤波器都已开始实际应用。目前，国内有源滤波器的技术和产品还不完善，时机应用也不成熟。
目前电力谐波器主要应用的行业领域有：冶金行业；化工及电解化行业；机械行业；金属、纸类、塑料加工行业；交通行业。汽车制造行业。2005年全球电力滤波器收入为4.167亿美元，估计到2012年市场规模将达8.89亿美元，年平均增长率在10％左右。
从无功补偿的角度看，在我国每年新增的无功补偿有7000Mvar左右，新增市场容量约为50亿元人民币，保守估算，电力谐波器占有其中10％的市场份额。那么每年因无功补偿的需要，电力滤波器市场新增容量约为5亿元人民币，再加上专项谐波治理的需求，每年电力滤波器的市场总量大概在7-8亿元人民币，估计到2010年，电力滤波器的市场规模将达到10亿元左右。
三、有源电力滤波器的关键技术
有源电力滤波器存在许多待解决的问题为：谐波理论的进一步研究；进一步降低补偿装置的容量(减小制造成本和损耗)；控制系统的简化和数字化(提高装置的可靠性)；电力系统谐波的精密检测与控制技术。
指令电流的检测和补偿电流的产生是有源电力滤波器的两个关键技术：电流的检测是能检测出基波有功电流、基波无功电流、基波负序电流、谐波电流以及任意次谐波电流等。谐波电流的检测有以下几种方法：
(1)模拟滤波器：
(2)基于Fryze传统功率定义的谐波电流检测法；
(3)基于快速傅立叶变换(FFT)的谐波电流检测方法；
(4)基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测法；
(5)基于FBD法的谐波电流检测法；
(6)自适应谐波电流检测法；
(7)基于人工神经网络的自适应谐波电流检测方法。
APF控制系统的主要任务是根据电流检测电路得到的指令电流信号，合理地控制逆变器开关器件的动作，使实际输出补偿电流能够实时跟随指令电流。显然，当APF主电路结构和电流检测方法均已确定后，控制系统成为APF性能和效率的关键环节。APF控制系统主要包括两个方面：
(1)APF出补偿电流的控制；
(2)APF直流母线电压的控制。
补偿电流的产生通常采用基于PWM的电压源逆变器，其电流控制方法主要有以下几种；
(1)滞环电流控制；
(2)三角波调制控制；
(3)空间矢量调制控制；
(4)无差拍控制；
(5)滑模变结构控制；
(6)单周控制；
(7)预测控制。
[关键词]谐波 有源电力滤波器 无功补偿 电流检测
中图分类号：TM-9 文献标识码：A 文章编号：1 671—7597(2009)1010129—01
一、引言
随着电力电子装置和非线性负载的普遍使用，使谐波电流和无功电流大量注入电网，严重威胁了电网和电气设备的正常使用。我国仅由电能质量问题造成的年电能损失就高达400多亿元，对电力系统的谐波无功进行滤波和补偿已成为现在的研究热门。
二、有源电力滤波器的发展
目前，在电力系统中抑制或减少谐波主要从两个方面进行：一方面是从产生谐波的谐波源装置本身入手。但是由于谐波源的多样性，要完全滤除谐波是根难实现的。第二个重要的方面就是研究对系统中的谐波进行有效滤波和补偿的方法和措施。主要采用无源滤波及有源滤波两种方法对谐波进行治理。由于无源滤波器的设计大多针对特定频率的谐波，只能滤除特定次数谐波，存在着与电网发生谐振的可能性。70年代以来，由此基础上发展起来的有源电力滤波器成为一个研究热点。它是一种动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，它能对频率和大小都变化的谐波和无功进行补偿，可以弥补无源滤波器的缺点，是一种理想的补偿谐波装置。
1971年，h.sasaki和T.Machida首次完整地描述了有源电力滤波器的基本原理，但当时是采用线性放大的方法产生补偿电流，其损耗大，成本高，因而仅在实验室研究，未能在工业中实用。1976年，1.gyugyl等人提出了用四象限PWM变流器构成的有源电力滤波器，正式确立了有源滤波的概念，并提出了相应的主电路基本拓扑结构和控制方法。其基本原理是通过向电网注入与原有谐波和无功电流大小相等方向相反的补偿电流，使电网的总谐波和无功电流为零，从而达到净化电网的目的。PWM变流器是一种理想的补偿电流发生电路，但由于当时电力电子技术的发展水平还不高，因而有源电力滤波器仍局限于实验研究。70年代后半期没有得到大的进展。1983年，日本长冈科技大学的akagth等人基于瞬时实功率p和瞬时虚功率q分解理论，提出了三相电路瞬时无功功率理论，为解决三相电力系统畸变电流的瞬时检测提供了理论依据。与此同时新型电力电子器件的出现、PWM控制技术的发展以及瞬时无功功率理论的提出，极大地促进了有源电力滤波器技术的发展。1986年akagih，提出了并联型APF单独使用方式，它是最早期的有源滤波装置。1987年takedam，等人提出用并联型APF和并联PF相结合的混合型APF。1994年，akagih，等提出一种将串联型APF和并联型APF进行混合的方式，也称为统一电能质量调节器。
目前有源电力滤波器在美国、日本等发达工业国家已广泛用于国民经济的各个生产部门，并且谐波补偿的次数逐步提高(典型值达25次)，单机装置的容量也逐步提高(APF的最大容量可达50mva)，其应用领域正从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统供电质量的方向发展。国内有源滤波器的研制始于20世纪80年代中期，1989年华北电力科学研究所研制出中国第一台有源滤波器。此外，西安交通大学、清华大学等高校也陆续有新产品通过试制。20世纪90年代末期，电力滤波器在我国开始实质性应用，20世纪初，电力滤波器开始逐渐普及。2006年，电力滤波器的发展开始加速，无源滤波器，组合滤波器，有源滤波器都已开始实际应用。目前，国内有源滤波器的技术和产品还不完善，时机应用也不成熟。
目前电力谐波器主要应用的行业领域有：冶金行业；化工及电解化行业；机械行业；金属、纸类、塑料加工行业；交通行业。汽车制造行业。2005年全球电力滤波器收入为4.167亿美元，估计到2012年市场规模将达8.89亿美元，年平均增长率在10％左右。
从无功补偿的角度看，在我国每年新增的无功补偿有7000Mvar左右，新增市场容量约为50亿元人民币，保守估算，电力谐波器占有其中10％的市场份额。那么每年因无功补偿的需要，电力滤波器市场新增容量约为5亿元人民币，再加上专项谐波治理的需求，每年电力滤波器的市场总量大概在7-8亿元人民币，估计到2010年，电力滤波器的市场规模将达到10亿元左右。
三、有源电力滤波器的关键技术
有源电力滤波器存在许多待解决的问题为：谐波理论的进一步研究；进一步降低补偿装置的容量(减小制造成本和损耗)；控制系统的简化和数字化(提高装置的可靠性)；电力系统谐波的精密检测与控制技术。
指令电流的检测和补偿电流的产生是有源电力滤波器的两个关键技术：电流的检测是能检测出基波有功电流、基波无功电流、基波负序电流、谐波电流以及任意次谐波电流等。谐波电流的检测有以下几种方法：
(1)模拟滤波器：
(2)基于Fryze传统功率定义的谐波电流检测法；
(3)基于快速傅立叶变换(FFT)的谐波电流检测方法；
(4)基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测法；
(5)基于FBD法的谐波电流检测法；
(6)自适应谐波电流检测法；
(7)基于人工神经网络的自适应谐波电流检测方法。
APF控制系统的主要任务是根据电流检测电路得到的指令电流信号，合理地控制逆变器开关器件的动作，使实际输出补偿电流能够实时跟随指令电流。显然，当APF主电路结构和电流检测方法均已确定后，控制系统成为APF性能和效率的关键环节。APF控制系统主要包括两个方面：
(1)APF出补偿电流的控制；
(2)APF直流母线电压的控制。
补偿电流的产生通常采用基于PWM的电压源逆变器，其电流控制方法主要有以下几种；
(1)滞环电流控制；
(2)三角波调制控制；
(3)空间矢量调制控制；
(4)无差拍控制；
(5)滑模变结构控制；
(6)单周控制；
(7)预测控制。