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0 引言
電力電子技術作為一門新興交叉學科，自從其產生到現(xiàn)在的半個多世紀里得到了飛速發(fā)展。它幾乎涉及了從發(fā)電、輸電、配電到用戶用電的所有領域，但是電力電子裝置的大量使用，向電網注入了大量諧波電流，諧波的危害也日益突出[1] 。
從工業(yè)方面看，冶金、水泥及大型制造企業(yè)首先受到影響，諧波使原先安裝的無功補償裝置難以正常投入使用，從而造成功率因數(shù)下降、供電變壓器發(fā)熱和生產無法正常連續(xù)進行，嚴重影響了企業(yè)的經濟效益。從民用方面看，近年來變頻家電開始被廣大市民所接受，以典型的變頻空調為例，如果采用無源方案限制入網諧波電流，考慮體積、價格等因素，在輸入電流大于11A 之后，很難滿足GB17625.1 《低壓電氣及電子設備發(fā)出的諧波電流限制》。如果采用常見的Boost 電路方式的PFC 技術，既帶來了升壓問題，又降低了變換效率。
有源電力濾波器(APF) 近十年來被用于電力諧波抑制，被認為是最有效的方法。它通常通過對電網和（或）負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。
鑒于目前電力電子器件可控能量水平有限和電力系統(tǒng)要求控制能量巨大之間的矛盾，混合有源電力濾波器(HAPF)[2~5] 是現(xiàn)階段APF 研究和應用的主要焦點。HAPF 是將APF 和PPF 結合起來，它既具有PPF 結構簡單、成本低、技術成熟的優(yōu)點，又具有APF 動態(tài)跟蹤效果好、諧波抑制頻譜寬的優(yōu)點。因此HAPF 在工業(yè)領域具有很好的應用前景。
1 混合有源電力濾波器的主要拓撲
雖然HAPF 的結構多種多樣，但目前較為常用的基本類型無非有如下四類，如圖1 所示。
1）并聯(lián)APF+ 并聯(lián)PPF 型的HAPF 的優(yōu)點是電路連接方便，APF 可補償無功，其缺點是APF 容量較大，電網和APF 以及APF 和PPF 之間存在諧波通道，存在諧振的可能。且該裝置對電網端諧波電壓敏感，只適合電流源型諧波負載。
2)并聯(lián)PPF+ 與其串聯(lián)的APF 型的HAPF 的優(yōu)點是有源部分基波電壓的壓降大為降低，同時采用流控電壓源(CCVS) 控制方式可以有效阻止PPF 與電網、負載可能發(fā)生的諧振，并且由于注入耦合變壓器能連接在Y 型連接的PPF 的中性點上，方便保護和隔離，更適合于高壓系統(tǒng)應用。其缺點仍是對電網端諧波電壓敏感，只適合電流源型諧波負載。
3)串聯(lián)APF+ 并聯(lián)PPF 型的HAPF 是現(xiàn)在研究較多的一種類型，由于大部分諧波被相對廉價的無源濾波器濾除，有源部分的容量非常小，典型值為補償功率的5%~10%，因此成本相對較低。此外由于對諧波電流串聯(lián)部分可以等效為一“諧波電阻”，該電阻阻止了電網和PPF 之間可能存在的諧振，對目前工業(yè)應用中的無源濾波方案有很大的改造前景。其缺點是由于APF 的串入需要加入耦合變壓器，連接和維修不方便，且引入了負載電壓的畸變。
4)串聯(lián)APF1+ 與并聯(lián)PPF 相串聯(lián)的APF2 型的HAPF 是綜合串聯(lián)APF 和并聯(lián)APF 的混合型濾波器。串聯(lián)APF 將電源和負載隔離，阻止電源諧波電壓竄入負載端和負載諧波電流流入電網，并聯(lián)APF 提供一個零阻抗的諧波支路，把負載中的諧波電流吸收掉。該方案在電網與公共連接點之間同時實現(xiàn)了電壓和電流的凈化，但是由于采用了兩個APF，成本很高，較難廣泛應用。
（c）串聯(lián)APF+ 并聯(lián)PPF
（d）串聯(lián)APF1+ 與并聯(lián)PPF 相串聯(lián)的APF2
圖1 HAPF 主要拓撲
2 混合有源電力濾波器的控制方案
混合有源電力濾波器的控制方案也是多種多樣，針對不同的HAPF 的拓撲有不同的控制方案，即使是對同一拓撲，也可選用不同的控制方案。
1)并聯(lián)APF+ 并聯(lián)PPF 型的HAPF 通常采用流控電流源(CCCS) 的控制方式，即采樣負載電流，通過指令運算電路獲得負載電流中的諧波電流，APF 產生一個與該諧波電流大小相等方向相反的諧波電流，運用諧波對消的原理使電網電流中不含有諧波電流。
2)并聯(lián)PPF+ 與其串聯(lián)的APF 型的HAPF 的控制方案通常有兩種： ：
⑴采用壓控電壓源(VCVS) 的控制方式，即采樣PPF 上電壓，通過指令運算電路獲得PPF 電壓中的諧波電壓，APF 產生一個與該諧波電壓大小相等方向相反的諧波電壓，運用諧波對消的原理消除諧波;
⑵采用流控電壓源(CCVS) 的控制方式，即采樣電網電流，通過指令運算電路獲得電網電流中的諧波電流，APF 產生一個放大了k 倍的諧波電壓，運用阻尼的原理抑止電網諧波電流的含量，電網諧波電流的含量與放大倍數(shù)k 成反比[6] 。
3)串聯(lián)APF+ 并聯(lián)PPF 型的HAPF 的控制方案現(xiàn)在常見的有兩種： ：
⑴采用VCVS 的控制方式，即采樣負載電壓，通過指令運算電路獲得負載電壓中的諧波電壓，APF 產生一個與該諧波電壓大小相等方向相反的諧波電壓，運用諧波對消的原理消除諧波； ；
⑵采用CCVS 的控制方式，即采樣電網電流，通過指令運算電路獲得電網電流中的諧波電流，APF 產生一個放大了k 倍的諧波電流，運用阻尼的原理抑止電網諧波電流的含量，電網諧波電流的含量與放大倍數(shù)k 成反比。
文獻[7] 提出一種適合串聯(lián)APF+ 并聯(lián)PPF 型的HAPF 的第三種控制方案，該方法的控制原理圖如圖2 所示。
圖2 CCCS 控制原理圖
通過設計一電流控制型逆變器作APF 工作，該逆變器產生一大小與原邊基波電流滿足匝比關系， ，方向與原邊基波電流方向相反的電流。
將此電流注入到耦合變壓器的副邊，那么對基波來說，流過變壓器勵磁阻抗上的基波電流為零，從變壓器原邊看進去，變壓器的等效阻抗即為變壓器的原邊漏阻抗（和勵磁阻抗相比非常小，可近似認為為零）；對諧波來說，變壓器副邊沒有諧波電流，從變壓器原邊看進去，變壓器的等效阻抗即為變壓器的原邊漏阻抗和勵磁阻抗的和。因此這種HAPF 的等效電路如圖3 所示。
圖3 CCCS 控制HAPF 等效電路圖
圖中uif 、uih 為輸入電源基波電壓和諧波電壓；電源內阻Zi 的基波阻抗和諧波阻抗分別為Zif 、Zih； ；電源電流ip 的基波電流和諧波電流分別為ipf、iph； ；APF 在主電路中的等效阻抗Zp 的基波和諧波等效阻抗分別為Zpf 、Zph ；流過無源濾波PPF 支路電流if 的基波電流和諧波電流分別為iff 、ifh ；PPF 支路阻抗Zf 的基波阻抗和諧波阻抗分別為Zff 、Zfh ；負載端可等效為一電流源，其基波電流和諧波電流分別為iLf 和iLh。
歸根到底該CCCS 的控制方式是采樣電網電流，通過指令運算電路獲得電網電流中的基波電流，APF 產生一個與電網基波電流大小相等方向相反的基波電流，使耦合變壓器對基波呈低阻抗而對諧波呈高阻抗，運用阻尼的原理抑止電網諧波電流的含量。
4)串聯(lián)APF1+ 與并聯(lián)PPF 相串聯(lián)的APF2 型的HAPF 通常采用CCVS+VCVS 的控制方案，串聯(lián)APF1 采用CCVS，與并聯(lián)PPF 相串聯(lián)的APF2 采用VCVS，利用諧波對消和隔離的方法消除諧波。
3 電力諧波檢測的關鍵技術
從上面的控制原理可以看到，幾乎任何一種控制方法都需要從畸變的電壓(電流)信號中分離出諧波分量或基波分量，所以實現(xiàn)快速、準確的檢測和諧波計算，一直被認為是APF 技術的關鍵問題之一。無需或降低諧波計算要求的APF 目前具有動態(tài)特性差、精度低等不足,尚處于研究的起步階段。
文獻[7] 提出了一種基于等效電阻概念和功率平衡原理的串聯(lián)型APF 的新型控制算法，通過簡單的控制電路就可以獲得電源電流的參考信號，實現(xiàn)對電源電流諧波和無功部分的同時補償，具有很高的應用價值。其控制原理圖如圖4 所示。
圖 4 無需諧波計算的控制方法
該方法將電源的輸出端等效為一電阻Re ，由于電源輸出的有功功率應等于串聯(lián)型有源電力濾波器吸收的有功功率和非線性負載吸收的有功功率之和，在忽略APF 損耗的理想情況下，APF 是一個無損耗裝置。當系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，串聯(lián)型APF 僅提供負載所需的諧波與無功功率，與電源和負載之間不發(fā)生有功功率的交換，因此在一個工頻周期內，直流側電容儲能不發(fā)生改變，即電容電壓uc 的平均值保持不變。當負載突然改變時，系統(tǒng)處于過渡階段，若負載功率增加，則負載吸收的能量增加，這時串聯(lián)型APF 應該瞬時向負載提供能量，起到緩沖電源的作用。因此串聯(lián)型APF 直流側的電容將向系統(tǒng)輸出能量，即APF 發(fā)出有功功率，電容處于放電狀態(tài)，電容電壓uc的平均值下降。若負載功率減小，負載吸收的能量也減少，APF 瞬時吸收能量，電源對電容充電，電容電壓uc的平均值增加，即APF 吸收有功功率。因此在穩(wěn)態(tài)過程中，電容電壓不變；動態(tài)過程中，電容電壓的變化反映了負
載的變化。因此電容電壓uc 的平均值變化情況中包
含了等效電阻Rc 變化的信息。
因此引入APF 直流側電容電壓Uc 、整流橋輸出電壓Ud 和電流id，通過PI 調節(jié)器反映出該等效電阻，其輸出值為等效電導值1/Re ，將PI 調節(jié)器的輸出通過乘法器與電源電壓信號ksus 相乘，獲得電源電流的正弦參考信號ksus/Re ，最后通過滯環(huán)控制器實現(xiàn)對正弦參考電流的跟蹤。
雖然該控制方法具有物理意義直觀、控制簡單等優(yōu)點，但該方法還須深入研究。
目前常用的電力諧波檢測方法主要有三種 ：
1)基于傳統(tǒng)功率理論的諧波檢測方法;
2)基于瞬時功率理論的諧波檢測方法(p-q 法);
3)基于旋轉坐標變換的諧波檢測方法(d-q 法)。
基于傳統(tǒng)功率理論的諧波檢測方法是在傳統(tǒng)
的功率理論基礎上，派生出的頻域和時域檢測法,該
方法存在較長的延時，不是諧波電流的實時檢測，檢
測誤差較大。
p-q 法是將三相系統(tǒng)的電壓和電流經過Park變換成琢茁（靜止）坐標系上的矢量，得到瞬時有功p
和瞬時無功q 的琢茁矢量表達式；在無畸變正弦系
統(tǒng)中，平均有功功率p與基波正序電流成線性關系 ，
軈通過一高通濾波器可得到除基波正序電流以外的包
括基波負序電流和諧波電流的和, 然后通過Park 反變換即可得到諧波電流。
d-q 法是p-q 法的改進，其優(yōu)點在于可以消除諧波電壓和不對稱電壓的影響，由于應用了同步旋轉坐標變換，容易實現(xiàn)基波與諧波的分離。其檢測原理框圖如圖5 所示。
圖5 中三相電流信號經琢茁變換及dq 變換后，基波有功分量轉化為直流信號，用低通濾波器將其與諧波分量和基波無功分量分離，然后經dq 反變換及琢茁反變換使基波有功分量還原，最后與輸入信號相減得到諧波分量和基波無功分量之和。C32 和C23 為Park 正變換矩陣和逆變換矩陣
圖5 三相系統(tǒng)諧波檢測原理框圖
鎖相環(huán)(PLL) 得到一個與電網電壓同頻同相的
正弦信號sin 棕t 和對應的余弦信號cos 棕t ，C 實現(xiàn)旋
轉坐標變換。
對單相電路諧波檢測問題是在三相瞬時電流檢測方法出現(xiàn)后才有所注意。一般是將單相通過如移相等方法構成三相電路，然后直接利用三相電路的諧波計算方法，這顯然增加了電路的復雜性、人為相移±120°降低了檢測的瞬時性。
利用dq 算法的本質是可方便地實現(xiàn)單相電路
的諧波檢測。
利用該正交基可得到電網基波電流的直流分量
對比式（6）、（7）、（9），發(fā)現(xiàn)式（9）即為基波電流
有功、無功的有效值。
因此與三相類似，可得到單相系統(tǒng)諧波檢測原理框圖,如圖6 所示。
圖6 單相系統(tǒng)諧波檢測原理框圖
4 前景與展望
本文通過總結前人的研究成果，對混合有源電
力濾波器的發(fā)展做出以下展望 ：
1)新的理論與控制方法的研究會給HAPF 的研
究和應用帶來新的活力,如文中提到的利用CCCS 控
制的HAPF;
2)無需或降低諧波計算要求的HAPF 是HAPF 發(fā)展的必然趨勢，如文中提到的基于等效電阻概念和功率平衡原理的串聯(lián)型APF;
3)通過改進HAPF 的拓撲使HAPF 具有更廣泛的應用領域, 如航空電源系統(tǒng)由于發(fā)動機轉速的變化必然導致發(fā)電機發(fā)出的電的頻率是變化的，發(fā)展適用于變頻電源的HAPF 是目前HAPF 的發(fā)展方向之一;
4)隨著數(shù)字處理器水平的不斷提高，高速數(shù)字處理器的高精度、高可靠性、易于調試等優(yōu)勢逐漸顯露出來，發(fā)展高速數(shù)字諧波計算和控制的HAPF 也是一個重要方向;
5)目前HAPF 裝置還僅用于低壓系統(tǒng)(如380V)， ，小容量(MW 以下)，不能滿足電力系統(tǒng)的要求,要通過采用新器件和新方法提高裝置的可靠性，減少成
本，研究高電壓等級高功率等級HAPF 的關鍵技術。
總之，科學技術的進步一方面要求HAPF 造福
人類，另一方面又為HAPF 的發(fā)展創(chuàng)造了條件，因此
HAPF 的發(fā)展是任重而道遠。
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：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
