1 引言
电力污染问题由来已久，随着大量非线性负荷与大量非线性电力电子变换器的使用，这一问题更加严重，已经造成了巨大危害，亟待进行综合治理。谐波的产生大致有以下几个来源:
(1) 发电环节
同步发电机的结构与接线不合理将会产生畸变电压或频率漂移，大电网系统存在着长期低频振荡现象，大量用电设备无规律地切投使用;
(2) 送电环节
输配电设备的非线性和异常工作以及气候条件的改变;
(3) 用电环节
大量非线性电力设备的使用无疑是一个重要原因:
·具有磁饱和特性的铁芯设备, 如变压器、电抗器等;
·电弧设备，如气体放电灯、交流弧焊机、炼钢电弧炉等;
·电力电子变换设备，如各种电力变流设备(整流器、逆变器)、相控调速和调压装置以及大容量的电力晶闸管可控开关设备。
这些电力设备广泛地用于各行各业，量大面广，造成了严重的高次谐波、次谐波和间谐波电流问题，迫使电网电压出现失真。电力污染还包括电力电子变换器向电网或周边设备发射的电磁干扰，包括连续骚扰电压、断续骚扰电压、骚扰功率以及电压暂降等方面，连同谐波电流一起构成了电力设备的电磁干扰(emi)。
电力谐波的直接后果是电网负荷额外增加，供电能力下降，损耗加剧，故障增多，损失加重，而且还对其它电气设备造成影响，具体表现在以下几个方面:
(1) 对发配电和用电设备的影响;
(2) 对旋转电机的影响;
(3) 对变压器的影响;
(4) 对输电线路的影响;
(5) 对电力电容器的影响;
(6) 影响继电保护和自动装置的工作和可靠性;
(7) 使测量和计量仪器的指示和计量不准确;
(8) 干扰通信系统的工作;
(9) 对用电设备工作质量的影响。
谐波问题是关系到供电系统的供电质量的一个重要问题，它不但与供电部门有关，而且还关系到广大电力用户和电器设备制造厂的切身利益。为减少供电系统的谐波问题，应该从管理上和技术上采取对策。
国际上比较著名的标准有1981年ieee制定颁布的ieee519标准和ice555-2。ieee519-1992作为一推荐性(非强制性)的标准限制了电网电压和终端用户电流的畸变，国际标准(is)cei1000-3-2(1996)规定了低压设备在输入相电流不超过16a的谐波限制标准，cei1000.3.4(1997)则给出了输入相电流在16a以上谐波电流规定。欧洲标准en50-160规定了电能质量和谐波限制。
我国早在1984年原水利电力部就制定和颁布了《电力系统谐波管理暂行规定》(sd126－84)。此外，1993年3月1日颁发了国家标准gb/t14549-1993《电能质量-公用电网谐波》，该标准考虑了不同谐波源叠加计算的方法，规定了各级电网电压谐波总畸变率和用户注入电网的谐波电流容许值，对限制公用电网中的谐波起到了积极的作用。1998年12月14日发布了国家标准gb17625.1-1998《低压电气及电子设备发出的谐波电流限值(设备每相输入电流≤16a)》，等效采用iec6100-3-2:1995，但在技术内容上与国际标准完全一致。gb17625.1规定了准备接入公用低压配电系统中的电气、电子设备(每相输入电流≤16a)可能产生的谐波的限值。只有经过试验证实符合该标准限值要求的设备才能接入配电系统中。这样就可以对低压电气及电子产品注入供电系统的总体谐波电流水平加以限制。
该标准对以下四类设备规定了谐波电流的发射限值:
a类设备: 平衡的三相设备以及除b、c和d类外的所有其它设备;
b类设备: 便携式电动工具;
c类设备: 包括调光装置的照明设备;
d类设备: 输入电流具有标准所定义的“特殊波形”，且其有功功率不大于600w的设备。该标准还规定了试验电路和对试验电源的要求、对测量设备的要求和试验条件等内容。
鉴于家电领域电力污染的严重性以及适应加入wto后出口需要，2001年12月7日在人民大会堂国家认证认可监督管理委员会适时地制定了《强制性产品认证管理规定》，标志为中国强制认证、ccc或3c认证，生效日期为2003年5月1日，这是中国在谐波治理法规方面又一重大举措。
消除电网谐波，过去较多地使用无源滤波器，它虽然具有结构简单、对高次谐波滤除效果明显等优点，但一般只适用于静态条件下工作，而且只能针对某些高次谐波进行补偿。当电网阻抗及系统结构发生变化时，会严重影响其滤波性能，并可能引发过载、串并联谐振等不利现象。而在补偿感应电动机功率因数时，常常采用投切电容器补偿，具有响应速度慢、不能连续补偿的缺点。
解决谐波问题的思路主要有两条:
(1) 被动方法，集中补偿
设计有源电力滤波器(active power filter)抑制或消除非线性功率装置产生的谐波污染;
(2) 主动方法，就地补偿
设计单位功率因数装置作为现有电力电子装置的前级电路，彻底消除产生电网谐波的根源。
就地补偿一般采用高功率因数整流技术，使其尽量不产生谐波，且功率因数接近于1。目前发展有整流电路多重化、pwm整流、带斩波器的二极管整流和矩阵式变频器等方法。就目前应用情况来看，高功率因数整流要求对每台设备设计专用滤波装置，系统总体成本比集中补偿要高，因此目前多数采用集中补偿或者两者相结合的方法消除系统谐波。
由于采用单相电源供电的非线性负载的使用日益增多和广泛，尤其采用交－直－交变频器作为传动电源的电器设备，例如变频空调，都采用传统的不可控整流器作为变频器的功率前级，负责向后级逆变器提供直流电压，因而不可避免地带来谐波污染问题，为此必须采用功率因数校正技术。从采用的控制手段来讲，单相电源供电设备的功率因数校正不外乎无源pfc、部分有源pfc和完全有源pfc三种。其中完全有源pfc滤波技术已经成熟，控制效果完善，一般认为输出功率上限可达4.0~5.0kw。本文主要针对单相有源pfc，即单相有源ac-dc变换器。
随着相关技术的发展，单相有源ac-dc变换技术得到了全面的发展和广泛的应用，出现了许多技术成果。控制器可以采用mcu和dsp，功率电感可以采用常规电感和平面电感，电感制作采用了磁集成技术，磁芯材料可以选用铁氧体、非晶体和各种磁粉芯，开关频率可以在十几khz～接近100khz; 电流检测可以采用分流电阻、电流互感器和电流霍尔传感器; 电流采样可以采用峰值电流采样和平均值电流采样; 导通模式可以采用ccm、dcm和crm; 拓扑结构可以采用两电平、三电平和多电平结构，也可以采用串联交错结构和并联交错结构; 电路设计可以采用器件分立、功率集成和智能功率模块; 控制原理一般均为采用输出电压闭环和电感电流闭环以及乘法器环节，功率开关控制上采用硬开关技术和软开关技术，调制频率上采用固定开关频率、空载轻载降低开关频率和调制开关频率，在理论分析上单周期控制算法、混沌控制理论等数学工具和控制算法都得到了广泛运用。
就目前而言，最常用、最典型与最易于接受的交流电源供电的升压型单相有源ac-dc变换器为传统的boost有源pfc，已经在通讯行业以及家电空调领域得到了广泛应用，非常多的厂商看准了这个市场机遇，包括siemens、unitrode、st、onsemi、ti等世界著名ic生产厂商都推出了各自系列的全模拟有源pfc控制器，如tda16888、l4981a/b、l6561、l1650、l1651、vk05、uc3854an/bn、cm6901以及ucc3818等等。个别芯片除了具有有源pfc功能外，还具备用于开关电源的pwm能力，支持整机输出功率范围从十几瓦到5.0kw不等。个别芯片还具有开关频率调制能力，以便改善系统的emc环境。对于小功率有源pfc(≤150w)，大都采用断续电流工作模式(dcm)或临界电流工作模式(crm)。对于大功率有源pfc，一般采用平均电流采样方式和连续电流工作模式(ccm)，这也是一种改善emi的举措。
电力变换的一个特点是拓扑变换和原理演化，单相有源ac-dc变换电路也不例外,目前已经出现了非常多的电路都能够实现有源ac-dc变换，同时可以实现升压功能、降压功能和升降压功能，可参阅有关资料。其中有一类电路，它们具有不同的电路结构，但是可以直接利用或变动后利用现有的传统升压有源pfc的工作原理和控制电路，这些电路在家电行业和通信行业具有应用价值。本文主要描述具有上述特征的单相有源ac-dc变换器，给出它们的拓扑，并给出应用实例。
2 传统单相升压有源pfc的推广
图1 基本boost pfc 工作原理1
传统的单相升压ac-dc变换器，即单相有源pfc的拓扑，见图1。其工作原理的实质是:借助功率开关s1有规律的通断，通过整流桥将电源vs短路，使得电感l1不断地储存能量，并且将全部储能或者部分储能释放到负载侧的直流电解电容，目标是获得与电源电压同步的正弦输入电流波形和稳定的直流输出电压。其控制原理见图2，主要包含一个乘法器、一个电压闭环和一个电流闭环。乘法器负责将电压误差放大器输出、输入电压参考波形与电源电压有效值平方的倒数相乘，得到综合的电流参考信号。电源电压有效值平方的倒数可以用来调节输入电压范围，以满足宽范围电压供电的要求，如85vac～275vac。电压闭环负责将给定电压与实际电压进行误差放大，目标是维持输出电压稳定。电流闭环负责将电流参考信号与实际检测电流信号相比较后进行pi调节，并产生最终控制信号，与三角载波比较后得到实际pwm信号, 驱动功率开关s1。
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