1 引言
隨著電力電子器件的廣泛應用，其造成的諧波對電網的污染也日益嚴重，具有無源濾波器造價低和有源電力濾波器性能好等優點的混合有源濾波器成為諧波抑制最有效的手段。
在目前混合有源濾波器的三種基本拓撲中，以f.z.pang等人在1988年提出的在并聯無源濾波器(ppf)支路中串入有源電力濾波器(apf)的拓撲優勢最大，因此研究和應用最為廣泛，文中稱為并聯混合有源濾波器(shapf)。在這種拓撲中無源濾波器中將產生基波無功電流，這些產生的基波無功電流受ppf設計參數和元器件制約，不能任意變更，同時基波無功電流也不一定適合基波無功補償的需求，特別是在一些不需要基波無功補償的場合成為多余，比如變頻器，開關電源使用多的場合。而這些基波無功電流將流過apf，加重了apf的負載，增加了apf的容量和成本。另外從實際角度出發，用apf來實現基波無功補償的成本也遠遠大于同容量單獨使用的基波無功補償裝置的成本，因此，抑制基波無功電流來降低apf容量和成本有很大的實用性。目前抑制基波無功電流，減小apf容量的解決方案主要有兩種，一種是文獻[2]提到的在apf的耦合變壓器側并聯電抗器來分流基波無功電流的方案，缺點是在電感器電感量較大時，對基波無功電流分流作用較弱，而電感量較小時又會對apf的諧波補償電流產生較大的分流，加重apf的負擔。另一種是文獻[3]提到的在apf上并聯lc基波陷波器的方案，缺點是成本比較高，慣性大，且動態特性不良。鑒于以上分析，本文提出了一種新型的并聯混合有源濾波器的拓撲，并對其控制策略進行了分析，在相應的控制策略下，有源濾波器的容量得到了最大程度的降低。
2 工作原理和控制策略
2.1 工作原理
本文提到的新型拓撲(圖1)是在f.z.pang提出的傳統拓撲的基礎上，在其無源濾波器的旁路上并聯一個電感lr,由于無源濾波器對基波呈容性，所以并聯lr的目的就是要與無源濾波器等效電容產生對基波的并聯諧振，形成對基波電流的極大阻抗，從而抑制無源網絡中流過的基波無功電流，同時這樣也減少了流入有源濾波器的基波無功電流。在基于電壓源控制策略下，由于有源濾波器只承擔諧波電壓，且新型拓撲減少了流過它的基波無功電流，因此有源濾波器的容量比傳統拓撲下的容量有了進一步的降低。
圖1 新型并聯混合有源濾波器拓撲圖
2.2 控制策略分析
本文對shapf中apf的控制策略是作為基于電網側諧波電流的電流控電壓源工作，即,其單相等效電路如圖2所示。
圖2 新型并聯混合有源濾波器單相等效電路
其中ush為電網諧波電壓，zs是電網的等效阻抗， ish是電網側諧波電流，zf是無源濾波器等效阻抗，zlr是電感lr的阻抗，ilh是負載側諧波電流。
考慮對ilh的補償特性時，從等效電路可以得出:
(1)
由于lr是與電容產生并聯諧振而加入的，所以其對諧波的阻抗zlr要遠大于無源濾波器的諧波阻抗zf，也即zlr＞＞zf，所以等式zf+zlr≈zlr，式(1)可以近似為:
(2)
即:
(3)
由式(3)分析可知，當k=0時，相當于不接有源濾波器，此時它的補償特性由zf和zs來決定，如果在特定頻率處zf+zs=0，它們將發生諧振，導致諧波放大。當有源濾波器被控制為電壓源時，在理想狀態下，當k取值無窮大時，ish→0，此時諧波將得到很好的抑制。同時由于控制策略中檢測的是電網側諧波電流，因此在控制上屬于閉環控制，k值的大小與系統的穩定性有關，而且k值過大，也將增加有源濾波器的容量。通常k不能取值過大，一般2~8即可滿足濾波要求，且濾波效果和穩定性都比較好。
在這種控制策略中，由于有源濾波器被控制為諧波電壓源，因此不承擔基波電壓。傳統拓撲下，無源濾波器對基波的等效阻抗不是很大，必然有較大的基波電流流過，因此有源濾波器雖然不承擔基波電壓，但是仍然要承擔較大的基波電流，因此容量不能降到最小。采用新型拓撲時，由于無源網絡對基波的并聯諧振增大了對基波的阻抗，此時基波電流很小，因此有源濾波器在不承擔基波電壓的同時承擔很小的基波電流，容量達到最小。
3 apf容量分析
3.1 有源濾波器的容量
shapf中apf的容量取決于流過它的電流和其承擔的電壓，設為ic和uc。
(4)
其中下標為cf的代表為基波，下標為ch的代表為諧波。
由式(4)可知apf的容量包含了四部分，其中基波電流和基波電壓對apf容量的影響很大，所以如何去掉apf由基波電流和基波電壓產生的功率是降低容量的關鍵。
3.2 傳統拓撲下控制策略對apf容量的影響
本文先討論傳統拓撲下控制策略對容量的影響，此時控制
，設此時傳統拓撲下流過無源濾波器的基波無功電流為icfl，由于無源濾波器對基波的等效阻抗 不是很大，基波無功電流icfl較大，apf只承擔諧波電壓，此時ucf=0，uch=u*c。apf的功率為:
(5)
此時由于有源濾波器承擔的基波電流較大，因此容量不能降到最小。
3.3 新型拓撲下控制策略對apf容量的影響
在新型拓撲下，由于lr的并聯諧振作用，使無源濾波器對基波的阻抗增加了n倍，此時流過無源網絡的基波電流 將是傳統拓撲下的1/n，也即此時icf2＜＜icf1
(6)
由于icf2＜＜icf1，papf2＜＜papf1，因此有源濾波器的容量將降到最小值。
經過理論分析可知，在相同u*c時，即k相同的情況下，新型拓撲下有源濾波器由于承擔的基波電流遠遠小于傳統拓撲下有源濾波器承擔的基波電流，容量降到了最小。而兩者與單獨使用的有源濾波器相比，由于不承擔基波電壓，因此容量也有很大的降低。本文的仿真證明了理論分析的正確性。
4 并聯諧振對無源網絡等效阻抗的影響
由并聯諧振的定義可以知道，對基波的并聯諧振的條件是
，其中c是整個無源濾波器的等效電容，l是并聯電感lr的電感量。當滿足上述條件時，整個無源網絡對基波的等效阻抗將很大，理想情況下為無窮大，遠大于沒有并聯諧振時無源網絡對基波的等效阻抗，且基波的并聯諧振并沒有對其它諧波的等效阻抗產生影響。
本文通過仿真驗證了這個效果，假設一組無源濾波器的參數如附表所示。
附表 無源濾波器的參數
本文的仿真是通過無源濾波器的等效阻抗和電阻分壓來驗證的,其中分壓電源為10v。當無源濾波器的等效阻抗越大時，在其上分得的電壓越高，所以在仿真圖形上的電壓是與無源濾波器等效阻抗成正比的，即電壓越大，等效阻抗越大。由并聯諧振的計算公式，可以得到lr約為55mh.仿真波形如圖3和圖4所示 。
圖3 不帶并聯諧振ppf的等效阻抗圖
圖4 并聯諧振時ppf的等效阻抗圖
由兩個波形圖分析可知，當沒有接入電感時(圖3)，在基波頻率處無源濾波器的等效阻抗分得了一定的基波電壓，這表明無源濾波器對基波的阻抗不是很大,而在5次和7次諧波處，無源濾波器的等效阻抗幾乎沒有分得電壓，因而無源濾波器對它們的等效阻抗接近0。而當接入電感(圖4)對基波產生并聯諧振時，在基波頻率處幾乎分得了全部的基波電壓，這表明整個無源網絡對基波的等效阻抗非常大。而對比兩個波形圖可知，對基波的并聯諧振沒有改變整個無源網絡對5次、7次諧波和其它頻率諧波的等效阻抗，也就是說并聯諧振影響的僅僅是基波等效阻抗，而對其它的諧波阻抗沒有影響，因此并聯lr沒有改變整個無源網絡的濾波特性。通過以上分析表明了基波并聯諧振在沒有改變無源網絡濾波特性的前提下，能夠增大對基波的等效阻抗。
5 有源濾波器的控制
本文中對混合有源濾波器的有源部分的控制主要包括兩部分，諧波檢測和電流跟蹤控制兩部分，在諧波電流檢測中采用是同步d-q法，原理如圖5所示。
圖5 d-q方法圖
而電流跟蹤控制仍采用傳統的滯環控制，該方法將指令電流信號與實際補償電流的差值輸入到具有滯環特性的比較器中進行比較，形成方波脈沖信號，得到pwm波控制信號，來控制逆變器的開關器件。
6 仿真研究
本文對新型拓撲下的濾波效果進行了仿真分析，并對在相同控制策略下，傳統拓撲和新型拓撲下的容量做了對比仿真。本文采用的仿真軟件為matlab，a相仿真波形如圖6、圖7、圖8所示:
圖6 新型拓撲下的a相負載電流
圖7 新型拓撲下k=2時的a相電網電流(單位:a)
圖8 新型拓撲下k=6時的a相電網電流(單位:a)
6.1 濾波效果仿真
通過以上仿真波形可以看出，負載電流有很大的失真，當k=2時，諧波得到了很大的抑制，通過matlab的fft分析可知，此時的諧波含量為3.88%。當k=6時，濾波效果又有了一定的改善，此時的諧波含量為3.55%，因此可知新型拓撲下采用的控制策略對諧波抑制的效果很好。
6.2 apf容量對比分析
本文對并聯混合有源濾波器中有源濾波器的瞬時功率做了仿真分析。在控制策略中取k=2，仿真波形如圖9和圖10所示。
圖9 傳統拓撲下并聯混合有源濾波器中apf的功率圖(單位:w)
圖10 新型拓撲下并聯混合有源濾波器中apf的功率圖(單位:w)
經過上面功率圖分析，但當采用傳統拓撲時，并聯混合有源濾波器中apf的容量比單獨使用時已經降低，此時功率的峰值為270w左右。當采用本文提出的新型拓撲時，并聯混合有源濾波器中apf功率的峰值為80w左右，容量降到了最小值。因此證明了本文提出的新型拓撲在降低并聯混合有源濾波器的有源部分容量上有很大的適用性。
7 結束語
經過本文的分析和仿真可知，在并聯諧振下無源網絡對基波阻抗達到了最大值，減小了流過無源網絡的基波無功電流。同時也驗證了在新型拓撲下采用電壓源控制策略時，在保證shapf有很好的濾波效果的前提下，并聯混合有源濾波器中有源濾波器的容量達到了最小值，因此這種拓撲和控制策略在降低有源濾波器容量方面是很適用的。
：鞏經理
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