有源電力濾波器在微電網(wǎng)中應(yīng)用

時國平 錢葉冊 孫 佐 王良玉

（1.池州學院 安徽池州 247000；2.廬江泥河紅日光伏發(fā)電有限公司 安徽合肥 238000）

有源電力濾波器在微電網(wǎng)中應(yīng)用

時國平1錢葉冊1孫 佐1王良玉2

（1.池州學院 安徽池州 247000；2.廬江泥河紅日光伏發(fā)電有限公司 安徽合肥 238000）

為了提高有源電力濾波器在微電網(wǎng)中抑制諧波性能，針對有源電力濾波器的控制系統(tǒng)，提出一種dq解耦控制策略。該策略采取電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)雙閉環(huán)控制，再加入電壓前饋控制環(huán)節(jié)，實現(xiàn)輸入電感中的有功電流和無功電流真正解耦。在介紹有源電力濾波器控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對其dq解耦控制策略作了推導。利用PSCAD仿真軟件對系統(tǒng)進行仿真，再利用樣機進行試驗，驗證了所提出的dq解耦控制策略可行性。

有源電力濾波器；微電網(wǎng)；dq解耦控制

作為新能源應(yīng)用的具體形式，微電網(wǎng)的應(yīng)用空間越來越廣泛。微電網(wǎng)中多采用分布式電源，如，光伏發(fā)電、風力發(fā)電和水力發(fā)電等。而這些分布式電源易受自然環(huán)境的影響，具有較強的間歇性和不確定性，而微電網(wǎng)在進行能量轉(zhuǎn)換時需要多種換流裝置和電力電子器件接口，易產(chǎn)生諧波污染等電能質(zhì)量問題。另外，微電網(wǎng)自身容量相對較小，易受大電網(wǎng)的電能質(zhì)量問題的波及，以及非線性負載所造成電能質(zhì)量問題[1]。因此，對微電網(wǎng)進行諧波治理保證其安全運行具有重要意義。

微電網(wǎng)諧波治理方法目前主要有并網(wǎng)逆變器濾波技術(shù)和專用的濾波技術(shù)。由于微電網(wǎng)逆變器電路拓撲結(jié)構(gòu)只能用來濾除其自身產(chǎn)生的高次諧波，不能用來濾除用電負荷產(chǎn)生的諧波，對微電網(wǎng)的諧波不能進行徹底治理。專用的濾波技術(shù)主要是利用專門配置的濾波設(shè)備進行諧波治理，即利用有源電力濾波器對微電網(wǎng)中的諧波進行治理[2]。

近年來，有源電力濾波器具有補償精度高、實時性好等優(yōu)點，已成為抑制諧波的重要設(shè)備。但由于受主電路電力電子器件開關(guān)頻率的限制，單臺有源電力濾波器的容量很難得到進一步提高，雖然采取諸如多重化或多電平等措施，但由于控制系統(tǒng)復雜，使其穩(wěn)定性和實時性受到一定影響，補償效果很難達到預(yù)期效果。針對上述情況，在傳統(tǒng)解耦控制的基礎(chǔ)上，提出一種改進的有源電力濾波器解耦控制策略，既保證了系統(tǒng)的實時性，又降低了控制系統(tǒng)的復雜度，實現(xiàn)對電網(wǎng)諧波補償?shù)膶崟r性和可靠性[3-5]。

一、解耦控制的有源電力濾波器

（一）工作原理。圖1所示為有源電力濾波器工作原理圖。

圖1 有源電力濾波器工作原理圖

有源電力濾波器的控制系統(tǒng)將傳感器采集來的系統(tǒng)側(cè)與電壓測的電流信號作對比，得出二者之間的差量，通過信號調(diào)理電路調(diào)節(jié)輸入系統(tǒng)控制芯片，轉(zhuǎn)化控制信號，去控制系統(tǒng)主電路的開關(guān)管的通斷，向電網(wǎng)輸入所需補償諧波電流，實現(xiàn)對電網(wǎng)諧波電流的實時有效抑制[6-7]。

（二）控制策略。由有源電力濾波器工作原理圖可知，APF控制系統(tǒng)發(fā)出的控制模擬信號來控制開關(guān)管IGBT的通斷，調(diào)節(jié)開關(guān)管IGBT輸出端電壓uc的大小，使經(jīng)過電感L后的補償電流ic得到控制，該補償電流流入電網(wǎng)后與電網(wǎng)中的諧波電流相抵消，實現(xiàn)諧波抑制的功能[8-10]。由電路基本定理可求出流過電感后的諧波補償電流的方程如下:

感后的諧波補償電流的方程如下:

對（1）式中的ic進行dq坐標變換得出：再對（1）式中的電源電壓和開關(guān)管輸出電壓uc進行dq坐標變換，將諧波補償電流的方程（1）式變?yōu)椋?/p>

對（3）式進行經(jīng)拉普拉斯變換，得出如圖2所示的有源電力濾波器控制結(jié)構(gòu)圖。

圖2 解耦前系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

由圖2可知，經(jīng)過輸出電感的補償電流有功部分（3）icd和icq無功部分之間沒有分離開，而是相互耦合的，不好實現(xiàn)精確控制。采取PI前饋控制策略，將補償電流有功部分icd和無功部分icq實現(xiàn)解耦，則諧波補償電流的方程（3）式變?yōu)椋?/p>

對（4）式進行經(jīng)拉普拉斯變換，得出如圖3所示的有源電力濾波器解耦后的控制結(jié)構(gòu)圖。

圖3 解耦后系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

二、系統(tǒng)仿真和實驗分析

采用PSCAD建立三相四線制并聯(lián)型APF的仿真模型，對抑制諧波電流檢控制策略進行仿真驗證。然后對APF進行系統(tǒng)實驗，觀察補償效果。

在三相不對稱的供電系統(tǒng)中，APF對系統(tǒng)進行諧波抑制前后三相負載電流波形圖如圖4所示。由圖4(a)可知，諧波抑制前的三相電源電流含有一定量諧波且不對稱。由圖4(b)可知，諧波抑制后的三相電源電流對稱平滑，接近正弦波的電流波形，諧波得到很好抑制。

圖4（b） 諧波抑制后三相電源電流波形圖

圖5為諧波抑制前后a相電源電流的頻譜圖。在補償前5次諧波電流為12.3A；7次諧波電流為6.14A；11次諧波電流為4.8A；13次諧波電流為3.7A；15次諧波電流為1.5A。而補償后的電流中3次諧波電流為0.6A；15次諧波電流為0. 8A，其它次諧波電流為零。因此本文設(shè)計的APF系統(tǒng)取得了很好的諧波抑制效果。

圖5 諧波抑制前后a相電源電流的頻譜圖

實驗波形如圖6所示。濾波前，從電網(wǎng)檢測的數(shù)據(jù)看有功功率為74.1（3*24.71）、無功功率為45.3（3*15.1）;五次諧波電流高達11.5A、7次諧波電流也有8A。

圖6 電流實驗波形和傅里葉分析圖

由圖6可以看出，電力有源濾波器投入運行后總諧波畸變率由原先的11.6%降為2.5%，5次諧波電流也由11.5A降為2.3A。諧波電流大幅度下降，電流基本達到正弦波形，實現(xiàn)了隨負荷變化動態(tài)補償?shù)男Ч瑵M足了客戶的需求。

三、結(jié)語

本文根據(jù)微電網(wǎng)諧波產(chǎn)生的原因提出了采用有源電力濾波器消除諧波的策略，針對傳統(tǒng)的有源電力濾波器控制策略的不足之處，提出一種dq解耦控制策略，保證了有源電力濾波器系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)速度。對該控制策略進行了過程推導，通過仿真和實驗驗證了所提出方案對微電網(wǎng)諧波污染治理的可行性。

[1]李盛偉，等.基于逆變型分布式電源控制策略的微電網(wǎng)電能質(zhì)量控制方法[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010,34(8):6-11.

[2]李國慶，等.微電網(wǎng)中基于逆變電源控制的重要節(jié)點電能質(zhì)量管理方法[J].電工技術(shù)學報，2014,29(2):177-184.

[3]王兆安，等.諧波抑制和無功功率補償[M].機械工業(yè)出版社,2006.

[4]卓放，等.用于三相四線制系統(tǒng)的有源電力濾波器研究[J].西安交通大學學報,2000,34(3):28-30.

[5]樂健,等.基于統(tǒng)一數(shù)學模型的三相四線并聯(lián)有源電力濾波器的性能分析[J].中國電機工程學報,2007,27(7):20-24.

[6]Chi-ShanYu,Bo-ChinYou,JackW.Smith.The Design and Realizati on ofa DSP based Power Electronic Circuit Real-Time Simulator.Power Electronics and Drive Systems,2009(11)：2-5.

[7]鄭丹,等.三相四線有源電力濾波器的三閉環(huán)控制策略[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2014,42(22):95-99.

[8]鮑祿山,等.基于矢量解耦與預(yù)測電流控制相結(jié)合的APF的研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2015,(5):88-93.

[9]易皓,等.基于矢量諧振調(diào)節(jié)器的有源電力濾波器網(wǎng)側(cè)電流檢測控制方法研究[J].電工技術(shù)學報,2015,30(7):72-79.

[10]梅紅明,等．采用網(wǎng)側(cè)電流閉環(huán)控制的電能質(zhì)量綜合補償方法［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2013，37（8）：2368-2375．

TN643

A

2095-0438（2017）11-0153-03

2017-05-28

時國平（1974-）女，河南人，池州學院副教授，碩士，研究方向：電力電子技術(shù)應(yīng)用。

安徽省教育廳重點科研項目（編號：KJ2017A577）；安徽省教育廳質(zhì)量工程（編號：2014zy077）。

[責任編輯 鄭麗娟]