有源電力濾波器在微電網中應用

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電有限公司 安徽合肥 238000）

有源電力濾波器在微電網中應用

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中抑制諧波性能，針對有源電力濾波器的控制系統，提出一種dq解耦控制策略。該策略采取電流內環、電壓外環雙閉環控制，再加入電壓前饋控制環節，實現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的基礎上，對其dq解耦控制策略作了推導。利用PSCAD仿真軟件對系統進行仿真，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；dq解耦控制

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

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

近年來，有源電力濾波器具有補償精度高、實時性好等優點，已成為抑制諧波的重要設備。但由于受主電路電力電子器件開關頻率的限制，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，但由于控制系統復雜，使其穩定性和實時性受到一定影響，補償效果很難達到預期效果。針對上述情況，在傳統解耦控制的基礎上，提出一種改進的有源電力濾波器解耦控制策略，既保證了系統的實時性，又降低了控制系統的復雜度，實現對電網諧波補償的實時性和可靠性[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將傳感器采集來的系統側與電壓測的電流信號作對比，得出二者之間的差量，通過信號調理電路調節輸入系統控制芯片，轉化控制信號，去控制系統主電路的開關管的通斷，向電網輸入所需補償諧波電流，實現對電網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控制系統發出的控制模擬信號來控制開關管IGBT的通斷，調節開關管IGBT輸出端電壓uc的大小，使經過電感L后的補償電流ic得到控制，該補償電流流入電網后與電網中的諧波電流相抵消，實現諧波抑制的功能[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）式變為：

對（3）式進行經拉普拉斯變換，得出如圖2所示的有源電力濾波器控制結構圖。

圖2 解耦前系統控制結構圖

由圖2可知，經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實現解耦，則諧波補償電流的方程（3）式變為：

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

圖3 解耦后系統控制結構圖

二、系統仿真和實驗分析

采用PSCAD建立三相四線制并聯型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進行系統實驗，觀察補償效果。

在三相不對稱的供電系統中，APF對系統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。因此本文設計的APF系統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，從電網檢測的數據看有功功率為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，實現了隨負荷變化動態補償的效果，滿足了客戶的需求。

三、結語

本文根據微電網諧波產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的穩定性和動態響應速度。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諧波污染治理的可行性。

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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：電力電子技術應用。

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

[責任編輯 鄭麗娟]