基于ip-iq法的并聯有源濾波器在微網中的應用

劉維亭，王學楠

（江蘇科技大學 江蘇 鎮江 212000）

微網是一種由微電源和負荷共同組成的系統，相對于大電網，微網表現為單一的受控單元。隨著用電用戶越來越高的安全和可靠性要求以及多樣化的供電需求，微網逐漸為人們所重視，并在近年得到快速發展。而微網中由于微電源自身特殊性質和非線性負載引發的電能質量問題也需要合理的方法進行改善，有源濾波器就可以很好的做到這一點。有源電力濾波器是一種用于動態抑制諧波、補償無功的電力電子裝置，是公認的治理電網諧波、補償無功，改善電網電能質量的最有效的手段。基于三相瞬時無功理論的ipiq法是有源電力濾波器常用的諧波檢測方法之一。本文通過對ip-iq法的分析，提出有源電力濾波器的控制方式，并在SIMULINK中模擬于微電網中的應用，得到了令人滿意的結果。

1 諧波檢測原理

三相瞬時無功理論首先由赤木文泰于1983年提出，并于此后不斷研究完善的。ip-iq法即是以此為基礎的理論體系。其基本原理如圖1所示。

設三相電路各相電壓與電流的瞬時值分別為ea、eb、ec和ia、ib、ic。 將其經 Clarke變換變換到 α-β 兩相正交坐標系下研究，可得兩相瞬時電壓與電流 eα、eβ和 iα、iβ。

ip-iq法如圖1所示，需要用到與a相電網電壓同相位的正弦信號 sinωt和對應的余弦信號cosωt，它們由一個PLL鎖相環和一個正余弦信號發生電路獲得。此時，便可計算出ip，iq。

在通過低通濾波器LPF，即可得到得到ip，iq中的直流分量，可計算出源電流的基波分量，在將基波分量與源電流相減，進而計算出其諧波分量[1-2]。

圖1 ip-iq諧波電流檢測法的原理圖Fig.1 Functional scheme of ip-iq harmonic current detection method

2 并聯有源電力濾波器工作原理與控制方法

2.1 基本原理

圖2為應用與微電網的并聯APF原理圖，如圖可知，APF主要有主電路、指令電流運算電路、電流跟蹤控制電路與驅動電路構成。主電路是由PWM控制的逆變電路，檢測電流經指令電路計算產生指令電流，由控制電路計算出主電路需要的控制信號，經驅動電路作用于主電路，產生補償電流。

非線性負載在運行過程中電流會發生畸變，產生諧波電流，當并聯APF未接入系統時，電網電流等于負載電流：

當并聯APF接入系統以后，濾波器通過指令電流運算電路檢測負載電流并檢測提取出補償電流指信號，經電流控制電路產生控制信號來控制APF發出合適的補償電流以抵消電源側的諧波電流分量，即：

圖2 微電網系統中的并聯有源濾波器Fig.2 Shunt active power filter in Micro grid

2.2 滯環控制

滯環控制現在在有源濾波器中的應用較為廣泛，其基本原理如圖3所示。把指令電流運算電路計算出的指令信號與實際補償電流信號比較，將兩者的偏差量作為滯環比較器的輸入，當誤差超過給定環寬時，改變APF主電路開關管的開關狀態，從而減小補償電流的誤差，達到控制電流的目的。

采用滯環控制時，環寬的選擇對補償電流的跟隨性有較大影響。環寬較大時，開關管通斷頻率較低，但是跟隨誤差較大，補償效果稍差。反之，當環寬較小時，雖然跟隨誤差會較小，但是開關管的開關頻率較高[3-4]。

圖3 電流滯環控制Fig.3 Hysteresis current control

2.3 直流側電壓的控制

對于并聯型APF來說，在正常工作時，為保證其有良好的補償電流跟隨性，其直流側電容電壓應基本保持不變。

對直流側電壓Uc的控制入圖1右上部分所示，Ucr為Uc的給定值，將兩者之差經PI控制器后得到調節信號，在將其疊加到瞬時有功電流的直流分量，此時運算電路產生的指令信號中就包含一定的基波有功電流，通過滯環控制，使APF產生的補償電流中包含一定的基波有功電流分量，從而使APF的交流側與直流側產生能量交換，進而將Uc調節至給定值[5]。

3 仿真與分析

在MATLAB/simulink環境下搭建帶有并聯APF的微電網模型[6]如圖4所示。

設置仿真時間0.1 s，運行仿真模型，可得到仿真結果如下所示。

如圖5所示為ip-iq法檢測出的a相基波電流，其諧波電流如圖6所示。可以看出，圖5所示的基波電流具有很好的正弦性，可見ip-iq法可以準確的測量出微電網的基波電流。微電網經并聯APF濾波后的a相電源電流如圖7所示，對比圖5中的基波電流可知，并聯APF可以有效的濾除非線性負載所產生的諧波電流。圖8所示為通過simulink中的FFT模塊對a相電源電流進行THD分析，如圖可見，經并聯APF濾波后，電源電流THD僅為2.10%，電能質量提高。

4 結 論

本文主要分析了基于ip-iq法的并聯有源電力濾波器的基本原理和控制方式，建立了將其應用于微電網中的基本模型，并通過MATLAB/simulink進行建模仿真，仿真結果表明并聯有源電力濾波器能有效濾除微電網中的諧波電流，提高微電網電能質量。

圖4 仿真模型圖Fig.4 Simulation model

圖5 a相基波電流Fig.5 The fundamental current of phase a

圖7 a相電源電流Fig.7 The source current of phase a

圖8 a相電源電流THD分析Fig.8 The source current THD of phase a

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