有源电力滤波器在微电网中应用

时国平 钱叶册 孙 佐 王良玉

（1.池州学院 安徽池州 247000；2.庐江泥河红日光伏发电有限公司 安徽合肥 238000）

有源电力滤波器在微电网中应用

时国平1钱叶册1孙 佐1王良玉2

（1.池州学院 安徽池州 247000；2.庐江泥河红日光伏发电有限公司 安徽合肥 238000）

为了提高有源电力滤波器在微电网中抑制谐波性能，针对有源电力滤波器的控制系统，提出一种dq解耦控制策略。该策略采取电流内环、电压外环双闭环控制，再加入电压前馈控制环节，实现输入电感中的有功电流和无功电流真正解耦。在介绍有源电力滤波器控制系统的基础上，对其dq解耦控制策略作了推导。利用PSCAD仿真软件对系统进行仿真，再利用样机进行试验，验证了所提出的dq解耦控制策略可行性。

有源电力滤波器；微电网；dq解耦控制

作为新能源应用的具体形式，微电网的应用空间越来越广泛。微电网中多采用分布式电源，如，光伏发电、风力发电和水力发电等。而这些分布式电源易受自然环境的影响，具有较强的间歇性和不确定性，而微电网在进行能量转换时需要多种换流装置和电力电子器件接口，易产生谐波污染等电能质量问题。另外，微电网自身容量相对较小，易受大电网的电能质量问题的波及，以及非线性负载所造成电能质量问题[1]。因此，对微电网进行谐波治理保证其安全运行具有重要意义。

微电网谐波治理方法目前主要有并网逆变器滤波技术和专用的滤波技术。由于微电网逆变器电路拓扑结构只能用来滤除其自身产生的高次谐波，不能用来滤除用电负荷产生的谐波，对微电网的谐波不能进行彻底治理。专用的滤波技术主要是利用专门配置的滤波设备进行谐波治理，即利用有源电力滤波器对微电网中的谐波进行治理[2]。

近年来，有源电力滤波器具有补偿精度高、实时性好等优点，已成为抑制谐波的重要设备。但由于受主电路电力电子器件开关频率的限制，单台有源电力滤波器的容量很难得到进一步提高，虽然采取诸如多重化或多电平等措施，但由于控制系统复杂，使其稳定性和实时性受到一定影响，补偿效果很难达到预期效果。针对上述情况，在传统解耦控制的基础上，提出一种改进的有源电力滤波器解耦控制策略，既保证了系统的实时性，又降低了控制系统的复杂度，实现对电网谐波补偿的实时性和可靠性[3-5]。

一、解耦控制的有源电力滤波器

（一）工作原理。图1所示为有源电力滤波器工作原理图。

图1 有源电力滤波器工作原理图

有源电力滤波器的控制系统将传感器采集来的系统侧与电压测的电流信号作对比，得出二者之间的差量，通过信号调理电路调节输入系统控制芯片，转化控制信号，去控制系统主电路的开关管的通断，向电网输入所需补偿谐波电流，实现对电网谐波电流的实时有效抑制[6-7]。

（二）控制策略。由有源电力滤波器工作原理图可知，APF控制系统发出的控制模拟信号来控制开关管IGBT的通断，调节开关管IGBT输出端电压uc的大小，使经过电感L后的补偿电流ic得到控制，该补偿电流流入电网后与电网中的谐波电流相抵消，实现谐波抑制的功能[8-10]。由电路基本定理可求出流过电感后的谐波补偿电流的方程如下:

感后的谐波补偿电流的方程如下:

对（1）式中的ic进行dq坐标变换得出：再对（1）式中的电源电压和开关管输出电压uc进行dq坐标变换，将谐波补偿电流的方程（1）式变为：

对（3）式进行经拉普拉斯变换，得出如图2所示的有源电力滤波器控制结构图。

图2 解耦前系统控制结构图

由图2可知，经过输出电感的补偿电流有功部分（3）icd和icq无功部分之间没有分离开，而是相互耦合的，不好实现精确控制。采取PI前馈控制策略，将补偿电流有功部分icd和无功部分icq实现解耦，则谐波补偿电流的方程（3）式变为：

对（4）式进行经拉普拉斯变换，得出如图3所示的有源电力滤波器解耦后的控制结构图。

图3 解耦后系统控制结构图

二、系统仿真和实验分析

采用PSCAD建立三相四线制并联型APF的仿真模型，对抑制谐波电流检控制策略进行仿真验证。然后对APF进行系统实验，观察补偿效果。

在三相不对称的供电系统中，APF对系统进行谐波抑制前后三相负载电流波形图如图4所示。由图4(a)可知，谐波抑制前的三相电源电流含有一定量谐波且不对称。由图4(b)可知，谐波抑制后的三相电源电流对称平滑，接近正弦波的电流波形，谐波得到很好抑制。

图4（b） 谐波抑制后三相电源电流波形图

图5为谐波抑制前后a相电源电流的频谱图。在补偿前5次谐波电流为12.3A；7次谐波电流为6.14A；11次谐波电流为4.8A；13次谐波电流为3.7A；15次谐波电流为1.5A。而补偿后的电流中3次谐波电流为0.6A；15次谐波电流为0. 8A，其它次谐波电流为零。因此本文设计的APF系统取得了很好的谐波抑制效果。

图5 谐波抑制前后a相电源电流的频谱图

实验波形如图6所示。滤波前，从电网检测的数据看有功功率为74.1（3*24.71）、无功功率为45.3（3*15.1）;五次谐波电流高达11.5A、7次谐波电流也有8A。

图6 电流实验波形和傅里叶分析图

由图6可以看出，电力有源滤波器投入运行后总谐波畸变率由原先的11.6%降为2.5%，5次谐波电流也由11.5A降为2.3A。谐波电流大幅度下降，电流基本达到正弦波形，实现了随负荷变化动态补偿的效果，满足了客户的需求。

三、结语

本文根据微电网谐波产生的原因提出了采用有源电力滤波器消除谐波的策略，针对传统的有源电力滤波器控制策略的不足之处，提出一种dq解耦控制策略，保证了有源电力滤波器系统的稳定性和动态响应速度。对该控制策略进行了过程推导，通过仿真和实验验证了所提出方案对微电网谐波污染治理的可行性。

[1]李盛伟，等.基于逆变型分布式电源控制策略的微电网电能质量控制方法[J].电网技术，2010,34(8):6-11.

[2]李国庆，等.微电网中基于逆变电源控制的重要节点电能质量管理方法[J].电工技术学报，2014,29(2):177-184.

[3]王兆安，等.谐波抑制和无功功率补偿[M].机械工业出版社,2006.

[4]卓放，等.用于三相四线制系统的有源电力滤波器研究[J].西安交通大学学报,2000,34(3):28-30.

[5]乐健,等.基于统一数学模型的三相四线并联有源电力滤波器的性能分析[J].中国电机工程学报,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]郑丹,等.三相四线有源电力滤波器的三闭环控制策略[J].电力系统保护与控制,2014,42(22):95-99.

[8]鲍禄山,等.基于矢量解耦与预测电流控制相结合的APF的研究[J].电力系统保护与控制,2015,(5):88-93.

[9]易皓,等.基于矢量谐振调节器的有源电力滤波器网侧电流检测控制方法研究[J].电工技术学报,2015,30(7):72-79.

[10]梅红明,等．采用网侧电流闭环控制的电能质量综合补偿方法［J］．电网技术，2013，37（8）：2368-2375．

TN643

A

2095-0438（2017）11-0153-03

2017-05-28

时国平（1974-）女，河南人，池州学院副教授，硕士，研究方向：电力电子技术应用。

安徽省教育厅重点科研项目（编号：KJ2017A577）；安徽省教育厅质量工程（编号：2014zy077）。

[责任编辑 郑丽娟]