2. APF基础
有源电力滤波器（Active Power Filter，APF）是治理电网谐波与无功问题的核心电力电子装置。理解 APF 的拓扑结构、工作原理、谐波补偿机制与主要性能指标，是后续开展 SVG 半实物仿真（HIL）测试与调试的前提。本节从主电路结构出发，逐层剖析 APF 如何"检测—计算—补偿"谐波电流，并给出可用于 HIL 测试的关键性能指标。
一、拓扑结构：电压型与电流型
APF 按直流侧储能元件类型，主要分为电压型（VSI）和电流型（CSI）两大类。工程中绝大多数采用电压型 PWM 变流器，因其效率高、体积小、控制成熟。
- 电压型 APF：直流侧为大电容，桥臂由 IGBT/IPM 构成，通过交流侧电感 L 与电网并联。直流电压恒定，输出电流由 PWM 调制控制。
- 电流型 APF：直流侧为大电感，交流侧需并联电容滤波，动态响应较慢，应用较少。
- 并联型与串联型：并联型 APF 补偿负载谐波电流，是最主流方案；串联型多用于补偿电压谐波或隔离电网电压畸变。
- 混合型 APF：APF 与无源滤波器（PF）组合，PF 承担大容量低次谐波，APF 补偿高次与动态谐波，降低装置容量与成本。
下图给出并联电压型 APF 的典型拓扑与信号链关系，包含电网、非线性负载、APF 主电路、检测与控制器四个部分。
二、工作原理：检测—计算—补偿
APF 的工作过程可概括为三个环节：谐波检测、指令计算、电流跟踪。
- 谐波检测：采集负载电流 IL 与电网电压 Us，通过 ip-iq 法或 FFT 法分离基波与谐波分量，得到谐波电流指令 Ih*。
- 指令计算：根据补偿目标（仅谐波、谐波+无功、谐波+不平衡）生成补偿电流指令 Ic*，并叠加直流电压外环输出以维持 Cdc 稳定。
- 电流跟踪：控制器采用 PI、比例谐振（PR）或重复控制，使 APF 实际输出电流 Ic 快速跟踪 Ic*，经 PWM 调制驱动 VSI 桥臂。
其核心思想是"以电流治电流"：APF 并不直接滤除谐波，而是主动注入与负载谐波大小相等、方向相反的电流，在 PCC 处抵消谐波，使电网侧电流恢复正弦。
关键关系式：Is = IL + Ic。当 Ic = -Ih 时，Is = I1（基波），谐波被完全补偿。实际中受带宽与延时限制，Ic 只能逼近 -Ih，因此补偿率通常为 80%～95%。
三、谐波补偿机制与典型场景
以三相六脉波整流器负载为例，其特征谐波为 6k±1 次（5、7、11、13 次）。APF 投入前后对比：
| 指标 | APF 投入前 | APF 投入后 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 电网电流 THD | 约 28% | 约 4% | 满足 GB/T 14549 要求 |
| 5 次谐波含量 | 约 20% | 约 2% | 主要补偿对象 |
| 7 次谐波含量 | 约 12% | 约 1.5% | 主要补偿对象 |
| 功率因数 | 0.85 | 0.98 | 兼顾无功补偿 |
| 补偿容量 | — | 50 kVA | 按最大谐波电流选取 |
在 HIL 测试中，可用实时仿真器模拟该整流负载与电网阻抗，将 APF 控制器接入闭环，观察补偿前后电流波形与 THD 变化，验证检测算法与电流环带宽。
四、主要性能指标与 HIL 测试关注点
- 补偿容量：APF 额定补偿电流有效值，决定可治理的谐波电流上限。
- 补偿率：补偿后残余谐波与补偿前谐波之比，反映治理效果。
- 响应时间：从负载突变到补偿电流稳定的时间，通常要求 < 10 ms。
- 开关频率：影响补偿带宽与开关损耗，常见 10～20 kHz。
- 直流电压纹波：反映 Cdc 与电压环设计是否合理。
- THD 与各次谐波含有率：最终验收指标，需符合 GB/T 14549 或 IEEE 519。
HIL 调试提示：在实时仿真中，APF 控制器与仿真模型之间通过 IO 或通信交换采样与 PWM 信号。需重点关注采样延时、PWM 死区、直流电压外环带宽对补偿率的影响。
常见误区：认为 APF 容量越大越好。实际上容量过大会增加成本与损耗，且若检测环节延时过大，即使容量充足也无法有效补偿高次谐波。应结合负载谐波频谱与补偿目标合理选型。
# HIL 测试中常用观测变量示例
IL_abc # 负载三相电流
Is_abc # 电网三相电流
Ic_abc # APF 补偿电流
Udc # 直流母线电压
THD_Is # 电网电流总谐波畸变率
Ih_5, Ih_7 # 5次、7次谐波含量
t_response # 负载突变响应时间
综上，APF 通过"检测负载谐波—生成反相指令—电流跟踪输出"的闭环机制，实现电网谐波治理。掌握其拓扑、原理、补偿机制与性能指标，才能在 SVG HIL 测试中正确设置激励、观测变量与判据，为后续调试打下基础。