近年來，諧波污染是電能質(zhì)量中較為突出的問題，對其進(jìn)行有效治理對電力系統(tǒng)和電力用戶具有重要意義。對于高電壓、大容量諧波源，目前國內(nèi)外主要采用LC無源濾波器(Passive Filter，PF)進(jìn)行補(bǔ)償，盡管它具有初期投資小、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，但其濾波性能對系統(tǒng)阻抗、頻率等參數(shù)變化要求極其敏感，難以達(dá)到預(yù)期的濾波效果。有源電力濾波器(Active Power Filter，APF)雖然能克服PF存在的缺陷，但其安裝容量則受開關(guān)器件水平的限制。將PF和APF相結(jié)合組成的混合型有源電力濾波器(Hy-brid Active Power Filter，HAPF)則可以彌補(bǔ)兩者的不足，降低諧波補(bǔ)償系統(tǒng)的初期投資，提高性價比，并實現(xiàn)了APF實用化及抑制諧波的目的。

　　HAPF常見結(jié)構(gòu)有3種：并聯(lián)型APF與PF并聯(lián)、APF與并聯(lián)的PF串聯(lián)、串聯(lián)型APF與PF并聯(lián)。在并聯(lián)型APF與PF并聯(lián)的結(jié)構(gòu)中，APF補(bǔ)償PF作用后殘余的諧波電流，由于PF可濾除大部分諧波，因此所需的APF容量較小。但是電源與APF及APF與PF之間存在著諧波通道，特別是APF與PF之間的諧波通道很可能使APF的諧波電流流入PF及電網(wǎng)中其他節(jié)點連接的濾波電容中。由于大型供配電站通常希望在濾除諧波的同時進(jìn)行無功功率補(bǔ)償。采用并聯(lián)型APF與PF串聯(lián)的結(jié)構(gòu)在變壓器的耦合作用下，使基波無功電流流過APF。這樣就增大了APF的容量，同時也必然增大實現(xiàn)變流器的技術(shù)難度和成本，從而限制了APF在大型變電站的應(yīng)用。在串聯(lián)型APF與PF并聯(lián)的結(jié)構(gòu)中，諧波基本由PF補(bǔ)償，APF可視為一個可變阻抗，對基波的阻抗為0。對諧波呈現(xiàn)高阻抗，阻止諧波電流流入電網(wǎng)，同時還能抑制電網(wǎng)與PF可能產(chǎn)生的諧振，改善了PF的濾波特性，但其結(jié)構(gòu)不易安裝。

　　本文在文獻(xiàn)[11]的基礎(chǔ)上提出一種HAPF的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即將APF與基波串聯(lián)諧振支路并聯(lián)再與PF串聯(lián)的方法。在該結(jié)構(gòu)中PF承擔(dān)了大部分抑制諧波和無功補(bǔ)償?shù)娜蝿?wù)，APF只承受很小的基波電壓和諧波電流，因此能顯著降低APF的容量，使APF可應(yīng)用于大功率場合。

2 并聯(lián)混合型有源電力濾波器結(jié)構(gòu)

　　并聯(lián)混合型有源電力濾波器的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。在該結(jié)構(gòu)中，APF先與基波串聯(lián)諧振支路L1-C1并聯(lián)再與3次諧振支路L3-C3和5次諧振支路L5-C5串聯(lián)后并入系統(tǒng)支路，抑制非線性整流負(fù)載產(chǎn)生的主要諧波分量(3次、5次諧波電流)流入電源側(cè)。Ls為系統(tǒng)等效感抗，Us為系統(tǒng)電壓，La為平波電抗，L和R分別為整流電路電感和電阻。

　　由于整流負(fù)載為感性，可將整個負(fù)載等效為一個電流源，將APF等效成一個電流控制的電流源．控制電流為負(fù)載諧波電流iLh，iAPF為APF補(bǔ)償電流，k為控制系數(shù)，控制函數(shù)為：

　　根據(jù)疊加原理，將圖1等效分解為電網(wǎng)基波電壓Usf和負(fù)載基波電流iLf作用下的等效電路以及系統(tǒng)諧波電壓Ush作用下的等效電路和負(fù)載諧波電流iLh作用下的等效電路，LF和CF分別為3次、5次諧振支路并聯(lián)等效電感和電容；ish和isf分別為系統(tǒng)諧波電流和系統(tǒng)基波電流。

　　當(dāng)只有電網(wǎng)基波電壓Ush和負(fù)載基波電流iLf作用時，等效電路如圖3所示。當(dāng)iAPF=kiLh=0時，APF支路相當(dāng)于斷路，基波諧振支路在基波下發(fā)生諧振，相當(dāng)于短路，PF起無功補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/P>

　　在系統(tǒng)諧波電壓單獨作用下，此時，iAPF=kiLh=0，ish=Ush／(ZS+ZF+Z1)，Zs為系統(tǒng)阻抗，ZF為PF的阻抗，Z1為基波諧振電路阻抗?？梢娀ㄖC振支路具有抑制系統(tǒng)諧波電壓產(chǎn)生諧波電流的作用。

　　只有負(fù)載諧波電流作用時，首先分析純無源濾器的工作情況，等效電路如圖5所示，系統(tǒng)諧波電流為

　　由式(2)可知，如果電源阻抗很小(|ZS|≈0)或PF沒有調(diào)諧到負(fù)載所產(chǎn)生的諧波頻率(|ZF|>>|ZS|)，就達(dá)不到所要求的濾波特性。尤其是，當(dāng)ZS與ZF在特定頻率處發(fā)生并聯(lián)諧振((|ZF+ZS|≈0)，將出現(xiàn)諧波放大現(xiàn)象，流入電源的諧波電流比負(fù)載中的諧波電流還要大。

可知：

　　由式(3)可求出流入電源側(cè)的諧波電流：

　　由式(5)可知，加入APF和基波諧振支路相當(dāng)于在系統(tǒng)側(cè)串聯(lián)一個阻抗Z1，迫使負(fù)載諧波電流流入無源濾波支路，改善了PF的濾波效果。

3 實驗分析

3.1 實驗電路

　　(1) 采集非線性負(fù)載的電流iL經(jīng)信號調(diào)理后發(fā)送至模／數(shù)轉(zhuǎn)換器處理，轉(zhuǎn)換結(jié)果送至數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)，計算所需補(bǔ)償?shù)闹C波指令電流。

　　(2) 采集APF交流側(cè)輸出電流iC，補(bǔ)償電流經(jīng)信號調(diào)理后送入模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換結(jié)果送至DSP。

　　(3) 根據(jù)補(bǔ)償電流與指令電流之間的關(guān)系，DSP控制脈寬調(diào)制引腳的高低電平，并由驅(qū)動電路控制可關(guān)斷器件絕緣柵雙極晶體管(Insulated GateBipolar Transistor。IGBT)的通斷。

　　(4) 驅(qū)動電路同時檢測過流故障，由DSP處理封鎖控制信號、停機(jī)等控制。

　　諧波源用二極管橋式整流電路帶阻感性負(fù)載模擬，電阻RL=30 Ω，電感LL=280 mH。電源電壓為100 V；IGBT采用三菱CT60AM-18F，集-射極額定電壓為900 V，額定電流為60 A；變流器直流側(cè)電容為3 300μF，450 V。

3.2 實驗結(jié)果及分析

3.2.1 不接濾波裝置

　　即電源電流is波形?？傊C波畸變率為40.435％。負(fù)載電流中2～11次諧波與基波的百分比?？梢娬髫?fù)載嚴(yán)重污染了電源電流，必須加裝諧波抑制裝置。

3.2.2 裝設(shè)3次、5次LC無源濾波器

　　雖然3次諧波的含量下降了30.61％，5次諧波的含量下降了5.485％，但下降幅度不大，濾波效果并不明顯，因此有必要加裝APF來改善PF的濾波性能。同時3次和5次無源濾波支路對7次、9次和11次等高次諧波也具有一定的濾波作用。

3.2.3 裝設(shè)并聯(lián)混合型有源電力濾波器

　　并聯(lián)混合型有源濾波裝置能夠明顯改善無源濾波器的濾波效果：總諧波畸變率降到11.033％，分別比無濾波裝置和只加裝3次、5次無源濾波裝置時下降了73.088％和62.000％：3次諧波的含量分別比無濾波裝置和只加裝無源濾波裝置時下降了79.239％和70.022％；5次諧波的含量分別比無濾波裝置和只加裝無源濾波裝置時下降了81.268％和73.230%。

　　系統(tǒng)穩(wěn)定后測得APF交流側(cè)電壓的有效值為6.38 V，占負(fù)載電壓的6.38％；補(bǔ)償電流的有效值為0.94 A，占負(fù)載總電流的31.21％。APF容量僅僅為整流負(fù)載容量的1.99％，3次和5次諧波電流僅僅占總負(fù)載電流的34％。因此，如果用純并聯(lián)型APF抑制3次、5次諧波，其容量大約為負(fù)載容量的34％。顯然這種并聯(lián)混合型APF結(jié)合了APF和PF的優(yōu)點，在保證濾波效果的同時大大降低了APF的容量。

4 結(jié)束語

　　在并聯(lián)混合型APF中，無源濾波支路承擔(dān)了電源基波電壓，基波諧振支路分流了基波無功電流，使有源濾波器不承受基波電壓和基波無功電流．容量大為減小。

　　控制的結(jié)果表明，裝設(shè)并聯(lián)混合型APF相當(dāng)于在網(wǎng)側(cè)等效串聯(lián)一個諧波阻抗，阻抗越大，濾波效果越好；而且屬于開環(huán)控制，不存在系統(tǒng)不穩(wěn)定的情況。

　　理論分析和實驗結(jié)果表明，并聯(lián)混合型APF的電路結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了無源濾波器和有源濾波器各自的優(yōu)點，并減小了有源濾波器的容量，改善了無源濾波器的性能。