摘要: 随着新能源的广泛应用，尤其是光伏发电和储能系统在电网中的大量接入，电能质量问题日益突出。有源电力滤波器（APF）作为解决电网谐波污染、无功功率补偿及系统稳定性问题的关键设备，在光伏储能系统中的应用日益增加。本文通过分析APF的基本原理及控制方法，探讨其在光伏发电与储能系统中的作用与优势。同时结合实际案例，对APF在复杂电力系统中的前景进行了展望。

1. 引言

近年来，随着全球能源转型的加速，光伏发电和储能系统逐渐成为电力系统中不可或缺的一部分。然而，由于光伏发电具有随机性、间歇性和波动性，接入电网时容易引发电能质量问题，如谐波失真、无功功率不平衡等。此外，随着非线性负载的增加，这些问题更加严重。为了提高电网的稳定性和电能质量，有源电力滤波器（APF）作为一种动态谐波抑制和无功补偿设备，广泛应用于光伏储能系统及其它新能源场景中。

2. 有源电力滤波器（APF）原理与分类

有源电力滤波器通过实时检测系统中的谐波电流和无功功率，生成相应的补偿电流注入电网，抵消系统中的不平衡和谐波成分，从而改善电网电能质量。

根据应用场景和拓扑结构，APF可分为并联型、串联型和混合型。并联型APF常用于补偿谐波电流，而串联型APF则用于补偿谐波电压。混合型APF则结合了两者的优点，能够同时治理电压和电流中的谐波，在高压、大功率场合中有广泛的应用。

根据主电路中 ＰＷＭ 个数的不同可将拓扑分为 单重化APF和多重化APF，将多个PWM 变流器进 行并联就形成了多重化APF。大容量、高效率变流器便可以通过 开关频率小的开关器件实现，提升了系统稳定性，同时 APF功率等级也得到了有效提高。 但是也存在一个缺点，一个直流侧电容被两个变流器同时使用，环流会在各模块之间产生，不能够平均分配功率，系统性受到严重影响。

2.1 APF的控制方法

APF的控制方法直接影响其性能。常见的控制方法包括比例-积分（PI）控制、比例-谐振（PR）控制、重复控制和滑模变结构控制。其中，PI控制因其简单易用，广泛应用于低频谐波补偿。而PR控制在对特定频率的交流信号进行无静差跟踪时表现优异，适合高频谐波补偿。滑模控制具有较强的鲁棒性，能够应对系统中不确定因素，但容易产生抖振现象。

2.2 ANAPF系列APF的技术特点

ANAPF系列APF是目前广泛应用于光伏储能系统中的一款产品，其特点包括实时快速跟踪谐波变化、较高的谐波补偿率（≥95%）以及高效的无功补偿能力。该产品通过CT采集系统中的谐波电流，经控制器计算出各次谐波的含量并生成补偿电流，从而有效抑制谐波和无功功率，提升电网的稳定性和效率。

断路器合闸后，为防止上电时电网对直流母线电容器的瞬间冲击，ANAPF首先通过软启电阻对直流母线的电容器 充电。当母线电压Udc达到预定值后，主接触器闭合。直流电容作为储能器件，通过IGBT逆变器和内部电抗器向外输 出补偿电流提供能量。

ANAPF通过外部CT实时采集电流信号送至信号调理电路，然后再送至控制器。控制器将采样 电流进行分解，提取出各次谐波电流、无功电流、三相不平衡电流，将采集到的要补偿的电流成分和ANAPF已发出的 补偿电流比较得到差值，作为实时补偿信号输出到驱动电路，触发IGBT变换器将补偿电流注入到电网中，实现闭环控 制，完成补偿功能。

3. 光伏发电与储能系统中的电能质量问题

光伏发电和储能系统的随机性和间歇性会导致频繁的功率波动，从而引发电网的谐波失真和电压波动等问题。在典型的光伏储能系统中，逆变器是连接光伏发电和电网的关键设备，但由于其非线性工作特性，会产生大量谐波。如果这些谐波未得到有效抑制，不仅会影响逆变器自身的稳定性，还会对整个电网产生干扰，导致电能质量下降。

此外，光伏系统往往需要处理无功功率问题，因为发电功率的不稳定性导致无功功率波动。这些问题不仅影响光伏系统自身的效率，还会对电网的安全运行构成威胁。因此，解决光伏发电中的谐波和无功补偿问题至关重要。

4. APF在光伏储能系统中的应用

有源电力滤波器作为解决光伏发电及储能系统中电能质量问题的有效工具，其应用前景广阔。在光伏系统接入电网的过程中，APF可以实时监测系统中的谐波和无功功率，生成相应的补偿信号并注入电网，从而降低谐波含量、补偿无功功率并提高系统的功率因数。

4.1 实时谐波抑制

光伏发电系统中的谐波主要来自于逆变器的非线性操作。APF能够通过高速控制器实时检测并跟踪系统中的谐波电流，产生与谐波相反的补偿电流，从而将谐波电流抵消掉。例如，ANAPF系列APF通过CT检测谐波电流，能够对2至31次谐波进行全补偿。

4.2 无功功率补偿

无功功率的波动也是光伏储能系统中的一大问题。APF能够在补偿谐波的同时，对无功功率进行动态调整，从而提高系统的功率因数，优化电能质量。通过调节无功功率，APF可以有效避免电压波动，保证光伏系统和电网之间的稳定性。

4.3 提高系统效率和稳定性

APF通过谐波抑制和无功功率补偿，不仅改善了电能质量，还提高了光伏发电系统的整体效率。例如，ANAPF系列APF具备较高的响应速度，全响应时间小于20ms，能够在电网功率波动时快速做出反应，确保系统的稳定运行。

5. 实际应用案例

在实际应用中，APF已广泛用于光伏发电、储能系统以及工业电网中。例如，在一个大型光伏储能电站中，APF被用来消除逆变器产生的高次谐波，并对瞬态无功功率进行实时补偿，从而提高了电站的整体效率并延长了设备的使用寿命。另一个典型案例是在商业建筑的光伏系统中，APF通过减少谐波失真和补偿无功功率，显著降低了电网侧的电能损耗，并提高了整个系统的功率因数。

6. APF与智能电网的结合

随着智能电网的发展，APF在光伏储能系统中的应用前景更加广阔。智能电网要求电力系统能够实现更高水平的自动化和智能化，APF通过与智能控制系统结合，能够实时适应电网的动态变化，提供更加精准的谐波抑制和无功功率补偿。

未来，随着人工智能（AI）技术和大数据分析的发展，APF将能够通过学习系统的历史数据，自主调整控制参数，以优化补偿效果。此外，APF还可以与其他智能设备协同工作，形成更加高效、可靠的电力网络。

7. 未来发展趋势

未来，APF在光伏储能系统中的应用将继续扩展，尤其是在高压、大容量场景中的应用。例如，混合型APF能够同时补偿电压和电流谐波，适合大规模光伏储能电站。此外，随着超谐波（2-150kHz）的快速增加，开发能够处理更高频率谐波的APF将成为一个重要的研究方向。

与此同时，基于智能控制的APF系统也将是未来的发展趋势。通过引入智能算法，APF可以实现更加灵活的控制，以适应不同的应用场景，并在多变的工况下提供更加稳定的电能质量解决方案。

8. 结论

有源电力滤波器作为现代电力系统中的关键设备，在光伏储能系统中发挥了重要作用。通过实时抑制谐波、动态补偿无功功率，APF能够显著提升光伏发电系统的效率和电能质量。随着技术的不断发展，APF将在光伏储能系统中扮演越来越重要的角色，尤其是在高压、大容量应用场景下的作用会更加显著。

随着智能电网和能源互联网的发展，APF不仅限于谐波抑制和无功补偿功能，还将逐渐扩展为具备多功能的电能质量管理器。例如，它可以结合储能系统实现对电网的电压稳定、潮流控制、故障限流等多方面的电能质量优化。

未来，随着能源结构的多样化和电力电子技术的不断进步，APF在光伏发电、储能及其他新能源系统中的应用将更加广泛。通过进一步优化控制策略、提升硬件性能以及与智能控制技术相结合，APF将在电网的稳定运行中发挥更大的作用，助力能源系统的智能化和高效化发展。

作者简介：

郑桐，现任职于安科瑞电气股份有限公司，主要从事储能微电网能源管理研究。

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