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0 引言
電力電子技術(shù)作為一門新興交叉學(xué)科，自從其產(chǎn)生到現(xiàn)在的半個多世紀(jì)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(lǐng)域，但是電力電子裝置的大量使用，向電網(wǎng)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(bǔ)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(chǎn)無法正常連續(xù)進(jìn)行，嚴(yán)重影響了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)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(diào)為例，如果采用無源方案限制入網(wǎng)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(shè)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(shù)，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(rèn)為是最有效的方法。它通常通過對電網(wǎng)和（或）負(fù)載的諧波進(jìn)行實(shí)時計(jì)算，通過不同的控制方案，利用高頻逆變器進(jìn)行諧波功率放大后，將不同補(bǔ)償目的點(diǎn)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(yīng)用的主要焦點(diǎn)。HAPF 是將APF 和PPF 結(jié)合起來，它既具有PPF 結(jié)構(gòu)簡單、成本低、技術(shù)成熟的優(yōu)點(diǎn)，又具有APF 動態(tài)跟蹤效果好、諧波抑制頻譜寬的優(yōu)點(diǎn)。因此HAPF 在工業(yè)領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。
1 混合有源電力濾波器的主要拓?fù)?BR>雖然HAPF 的結(jié)構(gòu)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(diǎn)是電路連接方便，APF 可補(bǔ)償無功，其缺點(diǎn)是APF 容量較大，電網(wǎng)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(wǎng)端諧波電壓敏感，只適合電流源型諧波負(fù)載。
2)并聯(lián)PPF+ 與其串聯(lián)的APF 型的HAPF 的優(yōu)點(diǎn)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(wǎng)、負(fù)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(diǎn)上，方便保護(hù)和隔離，更適合于高壓系統(tǒng)應(yīng)用。其缺點(diǎn)仍是對電網(wǎng)端諧波電壓敏感，只適合電流源型諧波負(fù)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(bǔ)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(wǎng)和PPF 之間可能存在的諧振，對目前工業(yè)應(yīng)用中的無源濾波方案有很大的改造前景。其缺點(diǎn)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(fù)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(fù)載隔離，阻止電源諧波電壓竄入負(fù)載端和負(fù)載諧波電流流入電網(wǎng)，并聯(lián)APF 提供一個零阻抗的諧波支路，把負(fù)載中的諧波電流吸收掉。該方案在電網(wǎng)與公共連接點(diǎn)之間同時實(shí)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(yīng)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?fù)?BR>
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?fù)溆胁煌目刂品桨?，即使是對同一拓?fù)?，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(fù)載電流，通過指令運(yùn)算電路獲得負(fù)載電流中的諧波電流，APF 產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等方向相反的諧波電流，運(yùn)用諧波對消的原理使電網(wǎng)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(yùn)算電路獲得PPF 電壓中的諧波電壓，APF 產(chǎn)生一個與該諧波電壓大小相等方向相反的諧波電壓，運(yùn)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(wǎng)電流，通過指令運(yùn)算電路獲得電網(wǎng)電流中的諧波電流，APF 產(chǎn)生一個放大了k 倍的諧波電壓，運(yùn)用阻尼的原理抑止電網(wǎng)諧波電流的含量，電網(wǎng)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(fù)載電壓，通過指令運(yùn)算電路獲得負(fù)載電壓中的諧波電壓，APF 產(chǎn)生一個與該諧波電壓大小相等方向相反的諧波電壓，運(yùn)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(wǎng)電流，通過指令運(yùn)算電路獲得電網(wǎng)電流中的諧波電流，APF 產(chǎn)生一個放大了k 倍的諧波電流，運(yùn)用阻尼的原理抑止電網(wǎng)諧波電流的含量，電網(wǎng)諧波電流的含量與放大倍數(shù)k 成反比。
文獻(xiàn)[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(shè)計(jì)一電流控制型逆變器作APF 工作，該逆變器產(chǎn)生一大小與原邊基波電流滿足匝比關(guān)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(jìn)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(rèn)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(jìn)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(nèi)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(fù)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(wǎng)電流，通過指令運(yùn)算電路獲得電網(wǎng)電流中的基波電流，APF 產(chǎn)生一個與電網(wǎng)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(yùn)用阻尼的原理抑止電網(wǎng)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(guān)鍵技術(shù)
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(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的檢測和諧波計(jì)算，一直被認(rèn)為是APF 技術(shù)的關(guān)鍵問題之一。無需或降低諧波計(jì)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(xiàn)[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(shí)現(xiàn)對電源電流諧波和無功部分的同時補(bǔ)償，具有很高的應(yīng)用價值。其控制原理圖如圖4 所示。
圖 4 無需諧波計(jì)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(yīng)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(fù)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(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，串聯(lián)型APF 僅提供負(fù)載所需的諧波與無功功率，與電源和負(fù)載之間不發(fā)生有功功率的交換，因此在一個工頻周期內(nèi)，直流側(cè)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(dāng)負(fù)載突然改變時，系統(tǒng)處于過渡階段，若負(fù)載功率增加，則負(fù)載吸收的能量增加，這時串聯(lián)型APF 應(yīng)該瞬時向負(fù)載提供能量，起到緩沖電源的作用。因此串聯(lián)型APF 直流側(cè)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(fù)載功率減小，負(fù)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(fù)
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(cè)電容電壓Uc 、整流橋輸出電壓Ud 和電流id，通過PI 調(diào)節(jié)器反映出該等效電阻，其輸出值為等效電導(dǎo)值1/Re ，將PI 調(diào)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(shí)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(diǎn)，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(zhuǎn)坐標(biāo)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(chǔ)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(shí)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(jīng)過Park變換成琢茁（靜止）坐標(biāo)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(dá)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(guān)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(fù)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(jìn)，其優(yōu)點(diǎn)在于可以消除諧波電壓和不對稱電壓的影響，由于應(yīng)用了同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，容易實(shí)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(jīng)琢茁變換及dq 變換后，基波有功分量轉(zhuǎn)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(jīng)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(wǎng)電壓同頻同相的
正弦信號sin 棕t 和對應(yīng)的余弦信號cos 棕t ，C 實(shí)現(xiàn)旋
轉(zhuǎn)坐標(biāo)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(gòu)成三相電路，然后直接利用三相電路的諧波計(jì)算方法，這顯然增加了電路的復(fù)雜性、人為相移±120°降低了檢測的瞬時性。
利用dq 算法的本質(zhì)是可方便地實(shí)現(xiàn)單相電路
的諧波檢測。
利用該正交基可得到電網(wǎng)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(jié)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(yīng)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(jì)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(jìn)HAPF 的拓?fù)涫笻APF 具有更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域, 如航空電源系統(tǒng)由于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化必然導(dǎo)致發(fā)電機(jī)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(diào)試等優(yōu)勢逐漸顯露出來，發(fā)展高速數(shù)字諧波計(jì)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(guān)鍵技術(shù)。
總之，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)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(yuǎn)。
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：13915946763
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