摘要：基于受控源的支路阻抗变换原理，将形式多样的电力有源滤波器（APF），从结构上分为4类，并归纳出实现APF的3种技术途径。它对今后可能出现的APF具有含盖性。从该原理出发，还可容易地组合出新型混合有源电力滤波器（HAPF）。给出了原理分析和应用例子，并进行了仿真和模型实验。该原理对电力滤波器研究及应用，具有一般性和一定的指导意义。
关键词：有源滤波器；谐波抑制；受控源
1 引言
迄今为止，已有众多拓扑结构的有源电力滤波器APF被提出。从基本原理上对它进行总结分类，并逐步建立该技术领域系统体系是较为迫切和必要的。本文试图利用受控源的支路阻抗变换原理，进行这方面的尝试。
通过对无源支路（如R、C、L）开关控制，可以改变支路的阻抗。当这些开关为功率开关器件（如SCR，GTO等）代替后，就有了诸如晶闸管控制串联补偿器（TCSC）、晶闸管控制无功补偿器（TCR）等在电力系统及设备中静止无功率补偿（SVC）等的许多应用。随着可控功率器件、现代控制技术、特别是开关模式的功率放大器技术的发展，对大功率系统（如供电系统及设备）变换支路阻抗的方法有了更多灵活方便的方法。下面2种方法通过受控源（有源网络）将支路阻抗变换成希望的性质和大小。
（1）受控电压源变换支路阻抗
图1中，各矢量定义和方向如图。有源单元，即电压源是受控的。原支路阻抗为Z0，加入有源单元后，等效阻抗为
由于电压源是可控的，因此，支路阻抗也是可变的。
当电压Vc受控于支路电源I时，即Vc＝k·I，组成电流控制电压源（CCVS），受控源等效为一个k值的电阻，支路阻抗为：Ze＝Z0＋k；当Vc受控于Z0两端电压Vz时，即Vc＝k·Vz，组成电压控制电例的阻抗，则Ze＝（1＋k）Z0。
可见，加入CCVS改变了支路的阻抗；加入VCVS，可使支路导纳为∞（当k＝－1时）。
（2）受控电流源变换支路阻抗
另一种改变支路阻抗的方法如图2，在原支路Z0上并联一受控电流源。各矢量含义和方向如图。显然，由于有源单元的加入，其支路等效阻抗为：
同理，支路导纳是可控的。可组成电流控制电
此外，k可被控制为更复杂的变量。
2 阻抗变换原理对电力滤波器的归纳
任何简单或复杂的谐波补偿系统可简化为3支路的谐波等效电路，分别称为：电网支路，负载支路和滤波支路（以下标S、L、F表示）。负载的非线性产生的谐波电流可视为谐波电流源［1，3，7］，而负载的线性部分可表示成复阻抗ZL，按线性叠加原理，当基波无功已被校正或不用校正时，ZL为正实数。如图3，ZS、ZF即电网和滤波支路的等效谐波阻抗。
谐波抑制目标随不同应用场合而不同。但一般以抑制非线性负载产生的谐波电流ILh对电网支路的污染（用电网谐波电流Ish征表）和电网的谐波电压Vsh对负载的影响（用负载侧谐波电压VLh征表）为目的，即
式（3′）的第1项表示非线性负载产生的谐波电流对电网的传递，第2项表示由电网谐波电压产生的谐波电流。而式（4′）中第1项表示电网谐波电压对负载的影响，而第2项表示了负载谐波电流产生的谐波电压。
按谐波抑制系统的目标。理想情况是式（3′）（4′）→0，亦即式（5）～（8）均趋于0。从支路阻抗的观点，可采用的技术途径有：①增大网侧等效谐波阻抗Zs；②减小滤波支路等效谐波阻抗ZF；③增大Zs与减小ZF相结合的综合方案。
途径①、②理论上是欠完善的。比如，仅使网侧等效阻抗Zs增大为∞，如果滤波支路阻抗ZF过大，则在负载侧，仍将因负载谐波电流而引起极大的谐波电压。再如，仅滤波支路等效谐波导纳YF增大为∞，而电网支路阻抗一般极小，因此，系统对电网谐波电压十分敏感，容易谐振。
途径③，称为混合方法，它同时增加电网支路阻抗和减小滤波支路阻抗，是一种较为完善的方法，其4个传递函数HI（s）、ZL（s）、HV（s）和Ys（s）都将趋于零（对谐波）。因而，理论上对阻止谐波电压和谐波电流在电网和负载之间的传递都有效。而且，网侧谐波电压在系统中不产生谐波电流，负载侧谐波电流在负载端产生的谐波电压也较小。
当采用无源的方法实现上述途径时，即目前实际应用中的主流，如串入电抗器，并联的LC滤波器等。无源滤波有诸多不足［3，7］，电力电子及相关技术的发展，近年来出现了各种有源电力滤波器［1～9］。当至少一个有源单元被采用时，其滤波系统称为有源电力滤波（APF）。
并联APF被认为是APF的最基本结构［1～3］；自1986年H．Akagi等人提出基本并联APF后，虽有许多变种，如T．A．Torry的闭环方案、M．Takeda的APF与无源滤波器（PF）相并联方案等。但它们都是产生一个与某支路（如L、S）的谐波电流幅度及相位相关的受控电流，达到减小或抵消电网谐波电流的目的。从受控源变换支路阻抗的基本原理来看，实现为CCCS的并联APF，如图4。
串联有源电力滤波器，是1988年F．Z．Peng等人提出的、有较多优势的一种结构，在用并联PF的同时，采用一个串联的CCVS，增大电网支路谐波阻抗（到有限值），而对基波阻抗为0，可表示为图5；1990年，H．Fujita等人提出将APF与PF相串联后的并联滤波方案。虽CCVS在PF支路，但等效为F．Z．Peng方案。
并联APF（CCVS）与串联APF（VCVS）的结构是1994年由H．Akagi提出，新加入的基本有源单元是在图5叠加一VCVS于滤波支路，如图6。
其中图4、5改变电网支路阻抗，6则改变滤波支路阻抗。并联APF采用CCCS使电网支路阻抗为无穷大（对谐波），（当k＝－1时），因而使该支路谐波电流为0，如图4；串联APF，如图5，利用CCVS，使电网阻抗增大，但为一有限值［7］；串联APF，利用VCVS使无源滤波器支路导纳为无穷大（当k＝－1时），因而使该支路谐波电压为0，如图6。
综上所述，已报道的众多APF，按本文的观点可归纳为下4类基本有源单元的前3类及其组合的运用，即：①CCCS实现的并联APF，使ZS→∞，图4；②CCVS实现的串联APF，使ZS增大，图5；③VCVS与PF串联的APF，使ZF→0，图6；④VCCS实现的并联APFs，使ZF减小，见下节。
3 阻抗变换原理的演绎应用
按对偶原理，易得第2节中的第4类可能的APF单元，它利用VCCS使无源滤波器支路导纳增大（有限值），见图7。
事实上，只要按第2节中所述的减小谐波的3个途径，采用第1节中的受控源（含更复杂控制受控源）变换阻抗原理，可构造出许多新的APF。如果考虑基本有源单元与无源单元及有源单元之间的组合，实现不同目的和条件下的的谐波抑制系统的方案就更多了。比如：
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