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摘要： 有源电力滤波器（APF）是一种用于动态抑制电力系统谐波，补偿无功功率的新型电力电子装置，它能对大小和频率变化的谐波以及变化的无功进行补偿。本文首先介绍有源滤波器的基本工作原理和分类，然后针对矿山工况的特点，详细介绍一种新型并联混合有源滤波器的结构、原理及研究应用。
关键词： 有源滤波; APF; 谐波; 并联混合
中图分类号： TP13 文献标识码： A
Abstract： Active Power Filter （APF） is a new type of power electronic device used to dynamically suppress harmonics and compensate reactive power in power system. APF can compensate harmonics and varying reactive power with varying size and frequency. Firstly， this paper introduces the basic working principle and classification of active power filter. Then， according to the characteristics of mine working conditions， the structure， principle and application of a new type of parallel hybrid active power filter are introduced in detail.
Key words： active filter; APF; harmonic; parallel hybrid
1 引言
矿山设备有矿井提升机、胶带运输机、通风机等大型设备，这些设备都采用变流器驱动，由于电力电子设备的固有特性，变流器工作过程中产生了大量谐波，对电网造成了严重的谐波污染，需要专门的谐波治理装置来进行抑制。
20世纪80年代以来，随着电力电子技术以及PWM控制技术的发展，对供电质量提出更高的要求。而传统的谐波抑制和无功补偿主要采用LC滤波器，它由于结构简单、成本低，自身存在一定的缺点。而有源电力滤波器（Active Power Filter，简称APF）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对幅值和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿。与无源滤波器相比，APF具有高度可控性和快速响应特性，并能跟踪补偿各次谐波，自动产生所需变化的无功功率。
2 无源滤波器和有源滤波器的性能比较
传统的谐波治理和无功补偿的方法是采用无源滤波器。无源滤波器由电力电容器、电抗器和电阻器组合而成。其优点是经济、实用和可靠。
APF与无源滤波器相比，有如下特点：
（1）可同时对谐波和无功进行补偿，且补偿无功功率的大小可做到连续调节。
（2）有源滤波装置是一个高阻抗电流源，它的接入对系统阻抗不会产生影响。
（3）补偿无功功率时不需要储能元件。
（4）装置可以仅输出所需补偿的高次谐波电流，不输出基波无功功率。
（5）即使补偿对象电流过大，有源滤波器不会发生过载，并且能正常发挥补偿作用。
（6）可实现动态补偿，可对频率和大小均变化的谐波及变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应速度。
3 APF有源滤波器的原理分析：
如下图1所示为最基本的有源电力滤波器系统的构成原理图。
图1中，es表示交流电源，负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功。有源电力滤波器系统由两大部分组成，即指令电流运算電路和补偿电流发生电路。其中，指令电流运补偿电流发生电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量，因此有时也称之为谐波和无功电流检测电路。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流，主电路采用PWM变流器。在产生补偿电流时，主要由逆变器工作。而在电网向有源电力滤波器直流侧储能元件充电时，它就作为整流器工作。两种工作状态无严格区分。
4 电力有源滤波器的分类
图2中，负载为产生谐波的谐波源，变流器和与其相连的电感、直流侧贮能元件（电容）共同组成有源电力滤波器的主回路。与APF并联的小容量的一阶高通滤波器，主要用于滤除APF所产生的补偿电流中开关频率附近的谐波。
图3中，并联型有源电力滤波器主要补偿可看作电流源的谐波源，如直流侧为阻感负载的整流电路。此时，APF向电网注入补偿电流，抵消谐波源产生的谐波，使电源电流为正弦波。
5 新型并联混合滤波器的研究
单独使用有源滤波器可用在小容量非线性负载的场合，但是在大容量场合就得采用混合型电力滤波器。按使用的方式可分为两大类：一类是并联混合型电力滤波器，一类是串联混合型电力滤波器。
在并联混合型电力滤波器中，通常需要一个高带宽的PWM变流器作为有源滤波器，这又使得现有的混合滤波系统只适应于补偿对象在中等功率以下，一般是500KW-10MW。对于功率大于10MW的非线性负载，如何抑制所产生的谐波和无功补偿，一直是混合型滤波器研究的重要内容。在此介绍一种新型的交流并联混合型电力滤波器的拓扑结构，使得有源滤波器的容量大大减小，小于补偿对象容量的1%，使之应用范围可扩展到大功率应用场合。 图4以单相系统为例，图中设置了3次和5次两条调谐支路，APF与一个很小的附加电感La通过耦合变压器并联后串入无源滤波器中，耦合变压器起到隔离、匹配PWM变流器的电压与电流容量的作用。谐波和无功主要由无源滤波器补偿，而APF的作用是改善无源滤波器的滤波特性和抑制电网与无源滤波器之间可能发生的谐振。
从波形图和频谱图可以分析出，新型并联混合滤波器投入后电源电流的谐波成分大大減少。从实验结果得出，在投入新型并联混合滤波器进行补偿后，电网电流中的3次、5次谐波降低，滤波效果明显。
7 谐波治理的意义
谐波的大量存在，会造成电力系统电网畸变，使大型矿山的变压器产生发热现象，网损严重，使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。对电力系统安全运行产生影响和危害，直接危及系统的安全运行，对通讯系统的电磁干扰等。利用有源电力滤波器对煤矿企业电力系统谐波和无功进行补偿的效果明显。谐波的有效治理保证了变压器的正常运行，降低了网损，具有很大的节能降耗意义。
8 结束语
有源电力滤波器是谐波治理，改善电能质量的重要技术手段，其应用领域涉及到各个工业领域。在矿山这样的大容量用电场合下，由于大量的电力电子变流器的使用，使得电网侧电流存在大量的谐波，而单独使用的有源滤波器无法满足谐波抑制的需要，而采用并联混合型APF由于其便于容量扩展，特别适合于矿山工况大容量谐波抑制的需求。因此，该技术应用具有广阔的市场前景。
参考文献：
[1]天津电气传动设计研究所. 电气传动自动化技术手册[M]（第2版）。北京：机械工业出版社，2005：732-784
[2]马小亮著. 大功率交-交变频调速及矢量控制技术[M]（第3版）机械工业出版社，2004：30-38
[3]王清灵，龚幼民等著. 现代矿井提升机电控系统[M]（第1版）。机械工业出版社，1996：44-48
[4]彭海燕，王 宏. 有源电力滤波器的原理介绍及应用[J]. 华北电力技术2010（1）
[5]王兆安，杨 君，刘进军. 谐波抑制和无功功率补偿[M]. 北京：机械工业出版社，1998
[6]钟 山，杨 晟，赵争鸣. 有源电力滤波器技术与发展综述[J]. 变频器世界2011（1）
[7]吴竞昌，孙树勤，宋文南等. 电力系统谐波[M]. 北京：水利出版社，1998
[8]夏道止，沈赞埙等. 高压直流输电系统的谐波分析及滤波[M]. 北京：水利水电出版社，1994
作者简介：
赵兴彦（1984- ）男，甘肃天水人，工程师，现就职于天水电气传动研究所有限责任公司，主要从事电气传动及自动化系统的设计、研究。
收稿日期：2018-10-26
关键词： 有源滤波; APF; 谐波; 并联混合
中图分类号： TP13 文献标识码： A
Abstract： Active Power Filter （APF） is a new type of power electronic device used to dynamically suppress harmonics and compensate reactive power in power system. APF can compensate harmonics and varying reactive power with varying size and frequency. Firstly， this paper introduces the basic working principle and classification of active power filter. Then， according to the characteristics of mine working conditions， the structure， principle and application of a new type of parallel hybrid active power filter are introduced in detail.
Key words： active filter; APF; harmonic; parallel hybrid
1 引言
矿山设备有矿井提升机、胶带运输机、通风机等大型设备，这些设备都采用变流器驱动，由于电力电子设备的固有特性，变流器工作过程中产生了大量谐波，对电网造成了严重的谐波污染，需要专门的谐波治理装置来进行抑制。
20世纪80年代以来，随着电力电子技术以及PWM控制技术的发展，对供电质量提出更高的要求。而传统的谐波抑制和无功补偿主要采用LC滤波器，它由于结构简单、成本低，自身存在一定的缺点。而有源电力滤波器（Active Power Filter，简称APF）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对幅值和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿。与无源滤波器相比，APF具有高度可控性和快速响应特性，并能跟踪补偿各次谐波，自动产生所需变化的无功功率。
2 无源滤波器和有源滤波器的性能比较
传统的谐波治理和无功补偿的方法是采用无源滤波器。无源滤波器由电力电容器、电抗器和电阻器组合而成。其优点是经济、实用和可靠。
APF与无源滤波器相比，有如下特点：
（1）可同时对谐波和无功进行补偿，且补偿无功功率的大小可做到连续调节。
（2）有源滤波装置是一个高阻抗电流源，它的接入对系统阻抗不会产生影响。
（3）补偿无功功率时不需要储能元件。
（4）装置可以仅输出所需补偿的高次谐波电流，不输出基波无功功率。
（5）即使补偿对象电流过大，有源滤波器不会发生过载，并且能正常发挥补偿作用。
（6）可实现动态补偿，可对频率和大小均变化的谐波及变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应速度。
3 APF有源滤波器的原理分析：
如下图1所示为最基本的有源电力滤波器系统的构成原理图。
图1中，es表示交流电源，负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功。有源电力滤波器系统由两大部分组成，即指令电流运算電路和补偿电流发生电路。其中，指令电流运补偿电流发生电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量，因此有时也称之为谐波和无功电流检测电路。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流，主电路采用PWM变流器。在产生补偿电流时，主要由逆变器工作。而在电网向有源电力滤波器直流侧储能元件充电时，它就作为整流器工作。两种工作状态无严格区分。
4 电力有源滤波器的分类
图2中，负载为产生谐波的谐波源，变流器和与其相连的电感、直流侧贮能元件（电容）共同组成有源电力滤波器的主回路。与APF并联的小容量的一阶高通滤波器，主要用于滤除APF所产生的补偿电流中开关频率附近的谐波。
图3中，并联型有源电力滤波器主要补偿可看作电流源的谐波源，如直流侧为阻感负载的整流电路。此时，APF向电网注入补偿电流，抵消谐波源产生的谐波，使电源电流为正弦波。
5 新型并联混合滤波器的研究
单独使用有源滤波器可用在小容量非线性负载的场合，但是在大容量场合就得采用混合型电力滤波器。按使用的方式可分为两大类：一类是并联混合型电力滤波器，一类是串联混合型电力滤波器。
在并联混合型电力滤波器中，通常需要一个高带宽的PWM变流器作为有源滤波器，这又使得现有的混合滤波系统只适应于补偿对象在中等功率以下，一般是500KW-10MW。对于功率大于10MW的非线性负载，如何抑制所产生的谐波和无功补偿，一直是混合型滤波器研究的重要内容。在此介绍一种新型的交流并联混合型电力滤波器的拓扑结构，使得有源滤波器的容量大大减小，小于补偿对象容量的1%，使之应用范围可扩展到大功率应用场合。 图4以单相系统为例，图中设置了3次和5次两条调谐支路，APF与一个很小的附加电感La通过耦合变压器并联后串入无源滤波器中，耦合变压器起到隔离、匹配PWM变流器的电压与电流容量的作用。谐波和无功主要由无源滤波器补偿，而APF的作用是改善无源滤波器的滤波特性和抑制电网与无源滤波器之间可能发生的谐振。
从波形图和频谱图可以分析出，新型并联混合滤波器投入后电源电流的谐波成分大大減少。从实验结果得出，在投入新型并联混合滤波器进行补偿后，电网电流中的3次、5次谐波降低，滤波效果明显。
7 谐波治理的意义
谐波的大量存在，会造成电力系统电网畸变，使大型矿山的变压器产生发热现象，网损严重，使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。对电力系统安全运行产生影响和危害，直接危及系统的安全运行，对通讯系统的电磁干扰等。利用有源电力滤波器对煤矿企业电力系统谐波和无功进行补偿的效果明显。谐波的有效治理保证了变压器的正常运行，降低了网损，具有很大的节能降耗意义。
8 结束语
有源电力滤波器是谐波治理，改善电能质量的重要技术手段，其应用领域涉及到各个工业领域。在矿山这样的大容量用电场合下，由于大量的电力电子变流器的使用，使得电网侧电流存在大量的谐波，而单独使用的有源滤波器无法满足谐波抑制的需要，而采用并联混合型APF由于其便于容量扩展，特别适合于矿山工况大容量谐波抑制的需求。因此，该技术应用具有广阔的市场前景。
参考文献：
[1]天津电气传动设计研究所. 电气传动自动化技术手册[M]（第2版）。北京：机械工业出版社，2005：732-784
[2]马小亮著. 大功率交-交变频调速及矢量控制技术[M]（第3版）机械工业出版社，2004：30-38
[3]王清灵，龚幼民等著. 现代矿井提升机电控系统[M]（第1版）。机械工业出版社，1996：44-48
[4]彭海燕，王 宏. 有源电力滤波器的原理介绍及应用[J]. 华北电力技术2010（1）
[5]王兆安，杨 君，刘进军. 谐波抑制和无功功率补偿[M]. 北京：机械工业出版社，1998
[6]钟 山，杨 晟，赵争鸣. 有源电力滤波器技术与发展综述[J]. 变频器世界2011（1）
[7]吴竞昌，孙树勤，宋文南等. 电力系统谐波[M]. 北京：水利出版社，1998
[8]夏道止，沈赞埙等. 高压直流输电系统的谐波分析及滤波[M]. 北京：水利水电出版社，1994
作者简介：
赵兴彦（1984- ）男，甘肃天水人，工程师，现就职于天水电气传动研究所有限责任公司，主要从事电气传动及自动化系统的设计、研究。
收稿日期：2018-10-26