1．引言

電力負(fù)載向復(fù)雜和多樣性的方向發(fā)展，特別是非線性負(fù)載的日益廣泛的應(yīng)用，電能質(zhì)量有明顯惡化的趨勢。它與工業(yè)生產(chǎn)水平的不斷提高對電能質(zhì)量的要求越來越高的需求之間的矛盾日漸突出，另一方面，目前電力系統(tǒng)的可控性普遍較差，實現(xiàn)靈活、有效的電能控制還較為困難。近年來，電力電子技術(shù)的長足發(fā)展，利用大功率開關(guān)器件、高速計算機技術(shù)實現(xiàn)為電能的控制和改善電能質(zhì)量提供了可能。電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用是電力系統(tǒng)可控化和電力電子裝置大功率化發(fā)展的必然趨勢。

電能質(zhì)量涉及的范圍很廣，主要包括：基波無功、高次諧波、低頻閃變、電壓跌落、頻率偏移、尖峰電壓、EMI等，還包括對潮流、保護、援助等的有效控制。常見的電能質(zhì)量問題的現(xiàn)象。

電能質(zhì)量的每個方面都應(yīng)包含在FACTS（柔**流輸電系統(tǒng)）這一概念中（1，8，12，13）。它*初由美國電力科學(xué)研究院（EPRI）于80年代末提出，即在輸電系統(tǒng)中，利用電力電子技術(shù)（包括功率開關(guān)、高速計算、控制等）對電力系統(tǒng)的重要參數(shù)：如無功、諧波、電壓幅度、相間對稱度、頻率、電抗和功率流等進行調(diào)整和控制。FACTS系統(tǒng)將在功率潮流控制、負(fù)荷率、緊急功率支援、**與故障控制、新型電力市場等方面發(fā)揮重要作用。

目前，電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用主要有：KYSVC、KYSVG（靜態(tài)無功補償裝置）、KYTCS（動態(tài)濾波補償裝置）、KYAPF（有源電力濾波器）、無觸點保護等。鑒于KYAPF有源電力濾波器功能的廣泛性，本文僅就KYAPF有源電力濾波器在電能質(zhì)量中的部分應(yīng)用作簡單介紹。但所討論的方法，適用于其它電能質(zhì)量問題的應(yīng)用。

顧名思義，“濾波”是針對諧波而言的，但有KYAPF有源電力濾波器在FACTS家族中具有廣義性。先，KYAPF有源電力濾波器具有多功能性，或者說電能質(zhì)量的許多問題均可通過不同的控制手段由KYAPF有源電力濾波器來解決。如諧波抑制、無功補償、相間對稱校正等。其次，在時域和頻域分解的觀點上，電能質(zhì)量的諸多問題與諧波是統(tǒng)一的，僅作用頻率不同，如：基波頻率整數(shù)倍的分量為通常意義上的諧波；分?jǐn)?shù)倍、非整數(shù)倍分量分別稱為閃變、間諧波；而基波無功、非周期量可以分別看成是頻率為系統(tǒng)頻率和零頻率的分量等。第三，諸多電能質(zhì)量問題的治理與諧波治理是不可分割的，如SVC／SVG設(shè)備如果采用相控方式，本身就會產(chǎn)生大量諧波，在實際系統(tǒng)中，僅考慮無功補償可能因諧波而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定（諧振）；此外，SVC／SVG與APF均具有FACTS單元的本質(zhì)，因而，APF還廣泛地被稱為AF（ACTIVEFILTER）、APLC／PLC、APQC（有源電能質(zhì)量控制）、IRPC（瞬時無功補償）等（1，8，15）。

2．KYAPF有源電力濾波器諧波抑制（APF）

2.1諧波問題及其危害

中大功率電力電子裝置，如調(diào)速系統(tǒng)、感應(yīng)加熱、整流設(shè)備、電弧爐、開關(guān)電源等的大量應(yīng)用，給電網(wǎng)引入大量諧波。這對供電系統(tǒng)及其它設(shè)備產(chǎn)生**影響，甚至可能造成電力系統(tǒng)癱瘓。

1989年3月，由于磁暴，加拿大魁北克系統(tǒng)中地磁感應(yīng)電流導(dǎo)致系統(tǒng)主變飽和并產(chǎn)生大量諧波，造成SVC電容器組過載，SVC保護動作，系統(tǒng)增加了無功需求，系統(tǒng)電壓失穩(wěn)，繼而導(dǎo)致整個魁北克系統(tǒng)的崩潰的大事故。1991年，在意大利阿爾俾斯山地區(qū)，發(fā)生兩次類似電力事故。一次是在一個2MW直流驅(qū)動的雙纜滑雪纜道工程的驗收測試時，引起電網(wǎng)癱瘓，直到一個12脈整流配電系統(tǒng)啟用才恢復(fù)正常。原因是：當(dāng)?shù)?span lang="EN-US">20KV的電網(wǎng)容量相對較小，諧波電流引起18％的電網(wǎng)電壓畸變。在美國，中西部電網(wǎng)也曾有過負(fù)載為諧波含量較高的調(diào)速系統(tǒng)雖沒有超過額定容量，仍引起主變失敗的報道。

上面列舉的這些電力系統(tǒng)**事故表明，諧波的危害是不可忽視的。諧波的危害主要有：

①消耗無功、增加線路損耗；

②是激勵源，在一定條件下，可能使系統(tǒng)產(chǎn)生諧振；

③降低設(shè)備絕緣等級、加速絕緣老化；

④使電機產(chǎn)生附加力矩及損耗、影響計量準(zhǔn)確度；

⑤對通信系統(tǒng)（包括計算機網(wǎng)絡(luò)）產(chǎn)生電磁干擾（EMI）等；

⑥影響繼電保護等裝置的可靠運行；威脅用電設(shè)備及電網(wǎng)**。

在我國，雖然目前電力電子裝置的應(yīng)用不如發(fā)達(dá)國家普及，但因感應(yīng)加熱裝置、電弧爐、變頻器的諧波引起電網(wǎng)嚴(yán)重污染，無法多臺設(shè)備同網(wǎng)應(yīng)用，測試儀器及計算機網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)場無法正常運行的事例也屢見不鮮。這一存在于電力系統(tǒng)的污染，隨著精細(xì)用電要求的迅速發(fā)展勢必會變得日益嚴(yán)重。據(jù)報道，我國發(fā)電量仍有10％左右尚未得到充分利用，線路的損耗高達(dá)20％，加之電網(wǎng)波動而不得不采用裕量設(shè)計，系統(tǒng)效率較低，存在著很大的節(jié)能潛力。

工業(yè)變頻器和中頻感應(yīng)加熱電源對電網(wǎng)具有嚴(yán)重的諧波污染作用。其它非線性電氣設(shè)備同樣具有相似或其它特征的諧波污染能力。

諧波對供電系統(tǒng)的危害已經(jīng)引起了人們廣泛的重視。許多國家及地區(qū)已經(jīng)制定了各自的諧波標(biāo)準(zhǔn)。我國也分別于1984年及1993年通過了“電力系統(tǒng)諧波管理暫行規(guī)定”及GB／T－14549－93標(biāo)準(zhǔn)，用以限制供電系統(tǒng)及用電設(shè)備的諧波污染（10，11）。

2.2諧波治理

對諧波治理，傳統(tǒng)的方法主要采用被動式的KYLB無源電力濾波器技術(shù)，相對于成熟的信號濾波它的主要區(qū)別在于它要處理能量和濾波器阻抗的不匹配性。隨著電力電子、自動控制和高速計算機等技術(shù)的迅速發(fā)展，KYAPF有源電力濾波器成為電力系統(tǒng)諧波治理的主要方法。KYAPF有源電力濾波器通常要對電網(wǎng)和／或負(fù)載的諧波進行實時計算，通過不同的控制方案，利用高頻逆變器進行諧波功率放大后，將不同補償目的點的諧波電壓、諧波電流抑制到足夠小的水平。與KYLB無源電力濾波器相比，KYAPF有源電力濾波器具有下列優(yōu)勢【1～8】：

①不會因制造誤差、設(shè)備老化、電網(wǎng)頻率變化造成濾波效果下降；

②不容易與電網(wǎng)產(chǎn)生諧振，而且具有諧振抑制作用，不會造成諧波放大；

③可以僅僅對諧波進行抑制而不引入大的無功，或兼有諧波補償和無功補償功能；

④適應(yīng)于多種性質(zhì)（阻、感、容性）的負(fù)載，并可利用現(xiàn)有無功補償設(shè)備容量；

⑤具有處理復(fù)雜頻譜諧波的能力。

2.3國內(nèi)外APF研究和開發(fā)狀況

自80年代中期，發(fā)達(dá)國家在APF領(lǐng)域就取得系列進展。

并聯(lián)有源濾波器是*基本的有源濾波器拓?fù)洹?span lang="EN-US">1986年，H。AKAGI提出用并聯(lián)KYAPF有源電力濾波器消除諧波。在這種裝置中APF相當(dāng)于一個諧波電流發(fā)生器，它能自動跟蹤負(fù)載電流中的諧波分量，產(chǎn)生一個與之大小相等、相位相反的諧波電流，從而使電網(wǎng)側(cè)電流為正弦波。通過不同的控制、處理，該拓?fù)溥€可以對無功，不平衡等分量實現(xiàn)補償。

鑒于用戶對電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量日益苛刻的要求，而目前電力電子器件可控制的能量水平有限，與電力系統(tǒng)要求控制巨大能量之間存在著矛盾，各種不同的KYAPF有源電力濾波器方案和KYLB混合型有源電力濾波器成為現(xiàn)階段APF研究和應(yīng)用的主流。

前者是針對系統(tǒng)和負(fù)載的特點及補償目的不同，采取相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)和原理，以追求較好的單項性能。后者則是將APF和PPF相結(jié)合，共同達(dá)到良好的補償目的，同時又有效地減小了有源部分的容量。

混合有源濾波器的基本結(jié)構(gòu)主要有：1987年TAKEDA等提出的并聯(lián)APF加并聯(lián)PPF的混合有源電力濾波器（HAPF）；1988年，F。Z。PENG等提出的串聯(lián)APF加并聯(lián)PPF的HAPF；1990年，H。FUJIT等提出的APF與PPF相串聯(lián)的HAPF；1994年，H。AKAGI等提出的串聯(lián)APF1和并聯(lián)APF2的HAPF等。

其中，F。Z。PENG的方案可以用較小容量的APF（典型值為補償功率的5～10％）對諧波呈現(xiàn)高阻抗，而對工頻呈低阻，它可以看成是一個電源和負(fù)載之間的諧波隔離裝置，電網(wǎng)的諧波電壓既不會加到負(fù)載和PPF上，而負(fù)載的諧波電流也不會流入電網(wǎng)。

在日本，迄今至少有500多臺APF已在現(xiàn)場應(yīng)用。其中，用GTO實現(xiàn)的APF（20MVA）于1990年用于電弧爐的諧波抑制；用SITH實現(xiàn)的VVVF諧波抑制的APF（200KVA）于1988年投入使用；用IGBT實現(xiàn)的100KVA的APF于1988年用于對建筑物中的供電系統(tǒng)進行補償。據(jù)資料統(tǒng)計，在日本APF的應(yīng)用領(lǐng)域可用圖6表示。

KYAPF有源電力濾波器在我國的應(yīng)用需求廣泛存在于冶金、石化、水處理、電信和其他輕、重工業(yè)中（3－6）（13－16）。但目前除少數(shù)深受其害、又具有技術(shù)和經(jīng)濟實力的企業(yè)外，廣大用戶對諧波存在、危害認(rèn)識還比較缺乏。

3．KYAPF有源電力濾波器對電能質(zhì)量的改善

實際上，有源濾波技術(shù)具有多種電能質(zhì)量的改善作用，如：高次諧波的抑制、無功補償、防止諧振、不對稱補償、電壓跌落控制等。以下就其原理簡要加以說明。

一個補償系統(tǒng)可用一個三支路簡化結(jié)構(gòu)圖說明，如圖7所示，即由電網(wǎng)側(cè)支路、負(fù)載側(cè)支路和并聯(lián)支路組成。圖8是一個稱為“統(tǒng)一（UNIFY）電能調(diào)節(jié)器”，從圖8可見，它是由一個串聯(lián)APF和一個并聯(lián)APF復(fù)合而成，具有多功能的電能質(zhì)量控制功能。下面分別以圖7、圖8為例，討論有源濾波技術(shù)的改善電能質(zhì)量的多種功能。

3.1諧波抑制原理

在圖7中，通過控制設(shè)法增加電源支路的諧波阻抗（保持基波阻抗近似為0）、減小并聯(lián)支路的諧波阻抗或二者同時進行，則可阻止諧波在電源和負(fù)載之間的傳遞，電網(wǎng)的諧波電壓不會加到負(fù)載和并聯(lián)支路上，而負(fù)載的諧波電流也不會流入電網(wǎng)。電網(wǎng)支路、并聯(lián)支路的阻抗控制則可以由無源、有源或其組合實現(xiàn)，如圖5所示各種APF的基本類型等。

IL、IF、IS分別為負(fù)載、并聯(lián)和電網(wǎng)支路電流、VC為串聯(lián)APF輸出電壓

圖9為一個串聯(lián)有源濾波器的工作原理仿真波形圖。從圖9可見，在串聯(lián)HAPF中，負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流在APF的作用下，基本流向并聯(lián)PPF支路。而APF輸出中基本上不含基波，在負(fù)載變動相對固定的場合，APF的容量可以只要**負(fù)載總?cè)萘康?span lang="EN-US">5～10％，成本可以大大降低；這時，電網(wǎng)電流中基本上不含諧波，達(dá)到了抑制諧波電流的目的。

3.2無功補償與諧波抑制【16】

在并聯(lián)型APF電路中，并聯(lián)PPF支路可以通過精心設(shè)計（或?qū)τ性吹目刂疲?，具有基波無功補償功能的原理是直觀的。事實上，在串聯(lián)有源濾波器中，通過較為復(fù)雜的控制，串聯(lián)在電網(wǎng)支路的有源裝置，同樣可具有無功補償?shù)墓δ堋?span lang="EN-US">

負(fù)載無功功率在有源濾波裝置的控制下，在直流儲能環(huán)節(jié)和負(fù)載之間進行交換。如上所述，諧波電流基本通過并聯(lián)支路自成環(huán)路，電網(wǎng)與裝置（包括負(fù)載及APF濾波裝置）僅存在有功能量的交換。同時具有無功補償與諧波抑制的APF裝置的原理波形。

3.3諧振阻尼【15】

如果并聯(lián)支路用無源裝置以減小有源裝置容量，或負(fù)載端存在功率因數(shù)校正電容的話，無源裝置與電網(wǎng)之間則有諧振可能，對系統(tǒng)**十分不利。這時串聯(lián)有源濾波器實際上可視為一個可控電抗，正的等效阻抗可起到諧振阻尼作用。

圖11為某一混合有源濾波器的網(wǎng)絡(luò)傳輸特性仿真示意。

從圖11可見：（1）僅投入無源裝置時，只對裝設(shè)PPF的有限個固定頻率，如5次、7次的諧波有較大的抑制作用，而對電網(wǎng)中的某些頻率則起放大作用（發(fā)生諧振），這是由于PPF儲能元件的加入使系統(tǒng)傳遞函數(shù)會產(chǎn)生多個極值點，它們與電網(wǎng)參數(shù)（阻抗）密切有關(guān)，因此無源裝置的設(shè)計非常困難。（2）投入APF后，對所有頻率段的諧波都有較大的抑制作用。且與諧波源的頻率、分布和變化無關(guān)。（3）具有系統(tǒng)諧振阻尼能力（42、54），阻尼作用使得傳遞函數(shù)中的多個極值點被平滑。當(dāng)然，傳遞特性是與控制參數(shù)密切相關(guān)的，要有效地阻尼諧振，需要正確的控制設(shè)計。

3.4電壓幅度控制【1，8，12，13，15】

圖8所示統(tǒng)一（UNIFY）電能調(diào)節(jié)器，除了具有前述功能以外，還具有電網(wǎng)電壓幅度的調(diào)節(jié)能力，這包括：相間不對稱、電壓跌落等。這是因為，串聯(lián)APF在一定控制下，可產(chǎn)生幅度、相位可控的基波電壓。當(dāng)然，這時需要處理基波，APF必須具備更大的功率容量或更大的直流儲能能力，因?qū)τ泄Ψ至康难a償能力依賴于直流環(huán)節(jié)的儲能能力。

4．有源濾波的高壓大功率技術(shù)（2，14，17）

當(dāng)前電力電子技術(shù)對電力系統(tǒng)應(yīng)用的一個*新發(fā)展動向是中高壓大功率應(yīng)用技術(shù)。中高壓大功率系統(tǒng)，是電力系統(tǒng)一般現(xiàn)實，如6KV甚至更高等級電壓是廣泛存在的。這一方面依賴于高壓大功率器件的發(fā)展；另一方面，在電路結(jié)構(gòu)上，變壓器電壓等級變換是常用的辦法，但目前，一種稱為“多電平變流器”的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對電力電子（有源）裝置的高壓大功率應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實意義。

多電平變流器的優(yōu)點是：降低單個功率管耐壓和功率、輸入和輸出諧波隨級數(shù)增加而減?。ㄒ话?span lang="EN-US">5～9級就可得到滿意的輸入輸出純度）、無須變壓器或輸入／輸出濾波、適合于高壓大功率應(yīng)用等。

多電平變流器有許多拓?fù)洌缰芯€箝位三電平、二極管箝位多電平、電容器箝位多電平以及組合式和疊層式等。其中，疊層結(jié)構(gòu)的多電平變換器，是將多個單相逆變器串聯(lián)構(gòu)成多電平變換器，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖12所示。

還有所謂“混合調(diào)制”的多電平變換器，即采用高壓大容量低頻（如GTO）器件與較高速度而耐壓和容量較低（如IGBT）器件組合，充分利用各自特點的方法以簡單的拓?fù)鋵崿F(xiàn)更高電壓和容量的能量的有源控制。

5．KYAPF有源電力濾波器應(yīng)用

上海坤友電氣有限公司對KYAPF有源電力濾波器進行了多年的深入研究，在理論、新結(jié)構(gòu)，特別是在應(yīng)用技術(shù)等方面取得了一系列成果。

通過長期嚴(yán)格運行試驗，結(jié)果表明：性能良好、運行可靠。以下就此裝置簡要加以介紹。50KVA串聯(lián)KYAPF有源電力濾波器安裝于某一重要工業(yè)現(xiàn)場，實現(xiàn)對變頻調(diào)速裝置產(chǎn)生的諧波進行補償。安裝KYAPF有源電力濾波器前、僅安裝無源裝置和串聯(lián)KYAPF有源電力濾波器投入運行的三種情況下，同一臺非線性負(fù)載的向電網(wǎng)吸取的電流波形分別示于圖15、16和17。

×諧波抑制效果十分顯著；

×峰值電流大幅度下降；

×有效值電流顯著下降；

×大范圍負(fù)載變化下的功率因數(shù)改善。

6．結(jié)論

KYAPF有源電力濾波器具有廣義性，具有多項電能質(zhì)量調(diào)整和控制功能，它由電力電子裝置組成，是FACTS的重要內(nèi)容。KYAPF有源電力濾波器的諧波抑制、無功補償、諧振阻尼、電壓補償和電力電子裝置的高壓大功率應(yīng)用等原理進行了介紹。并介紹了一臺混合有源濾波器實驗樣機在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果。

KYAPF有源電力濾波器對電能質(zhì)量多功能控制的能力，并已達(dá)到處理數(shù)KV電壓和MVA級功率的水平。大力發(fā)展電力電子技術(shù)KYAPF有源電力濾波器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用的時機已趨成熟，加緊對此研究和推廣應(yīng)用，必將對提高電力系統(tǒng)的可控性和電能質(zhì)量帶來巨大作用。