可变环宽的有源滤波器在微电网中的应用

李颖，余向阳（西安理工大学水利水电学院，陕西西安　710048）

可变环宽的有源滤波器在微电网中的应用

李颖，余向阳
（西安理工大学水利水电学院，陕西西安710048）

由于常规滞环控制方式使逆变器开关频率高且频率变化范围大，针对此问题提出了一种变环宽度的滞环控制方法，对可变环宽的滞环控制方式的工作原理进行了简要的说明，并投入到有源滤波器中进行验证，仿真结果验证了改进的有源滤波器的开关频率明显降低。光伏发电系统中含有大量的电力电子设备，因此会产生大量谐波。将有源滤波器应用到光伏系统中，达到消除系统谐波的目的。通过PSCAD仿真分析得以验证。

可变环宽；滞环控制；有源滤波器；光伏发电

由于电力电子器件的发展和广泛大量的非线性负载的应用，电力系统中被注入大量的谐波电流，导致了电网运行环境的日益恶劣，谐波和其他电能质量问题越来越严重，在这种情况下，谐波抑制和无功补偿势在必行。作为一种新型的谐波和无功补偿装置，有源电力滤波器（APF）可以有效地平衡负载电流和抑制谐波污染，动、静态性能和对电网负荷参数变化的适应能力强，是最有发展潜力的谐波补偿装置［1］。滞环比较控制具有实现简单、很高的控制精度及动态响应快等特点，在有源滤波器电流控制部分具有广泛的应用，但系统的开关频率高的缺点是由滞环带宽决定的。当固定环宽时，开关频率会随补偿电流变化，较大的脉冲电流和开关噪声易被引起［2］。为此，国内外学者提出了多种方法来解决这一问题：文献［1］提出了一种基于模糊自适应可变环宽的滞环电流控制方式，但操作麻烦，需要专家经验制定模糊规则表；文献［3］提出了一种准固定频率滞环PWM电流控制的方法，该方法引入了频率反馈控制，使开关频率基本固定，但要付出降低稳态精度、牺牲快速性的代价；文献［4-5］主要根据系统电气参数（如直流电压、开关频率、电网电压和参考电流斜率）动态调整滞环宽度，能实现开关频率的稳定，但需要统计数据，实现复杂，准确率低。针对这些问题本文提出一种可变环宽的滞环控制方法，具有实现简单，稳态精度高的特点。

PI控制方法具有动态响应特性好和鲁棒性强的特点，简单易于实现，因此得到了广泛应用。本文应用一个PI控制的简单方法来控制开关频率和滞环宽度的关系，使其根据开关频率的大小自动调节环宽，进而将开关频率控制在一个合适的范围，此方法简便易于实现。光伏发电系统中，影响着电网的电能质量和安全运行的谐波是由大量电力电子装置在工作的同时产生的，因此深入研究滤除光伏发电系统产生的谐波问题具有十分重要的意义［6］。本文将设计好的有源滤波器应用到光伏发电系统中，并验证其效果。

1　APF的工作原理与谐波电流检测

1.1APF的工作原理

APF工作原理：检测需补偿的电流值、电压值；经过指令电流计算电路，算出需补偿的指令大小；再由补偿电流发生电路，得到实际补偿电流的大小。由于实际的补偿电流与负载电流中的谐波分量，大小相等，方向相反而到达消除谐波的目的［7］。其构成原因如图1所示。

1.2基于三相电路瞬时无功理论的检测

图1　有源电力滤波器最基本的构成原理图Fig.1　The basic principle block diagram of the active power filter

所有谐波分量以及与基波正序电流I+1不同的基波分量应当被并联型有源滤波器补偿，从而将补偿后的电流变成对称的正弦波。即只有I+1分量被保留下来，并由电源提供。为了确定负载电流的基波正序分量，在有源滤波器的控制器中需要一个正序检测器。负载端的相电压Va、Vb、Vc主要由正序电压分量构成，但可以是不对称的（包含基波负序分量和零序分量），还可以包含任何相序的谐波。检测Va、Vb、Vc中的基波正序分量在图2所示的谐波电流检测中是非常有必要的。这种控制策略使并联型有源滤波器对负载电流进行补偿，其目的是要达到电源只提供基波正序电流的有功部分［8］。

2　滞环比较控制

滞环比较属实时闭环控制的瞬时比较方式且不需要载波。图3为电流滞环比较控制的原理图。其原理为：将补偿电流的实际值ic和参考值i*c比较做差得到Δic，其差进入滞环比较器。比较器产生控制主电路中的开关器件通断的脉宽调制信号，该信号由驱动电路控制，以控制主电路中的开关器件的通断，达到对ic控制的目的［9］。用H表示滞环的环宽。当|Δic|≤H时，相应的开关器件保持原工作状态。当|Δic|＞H时，滞环比较器的输出翻转，补偿电流的变化方向也因此改变。因此i就在范围内随而变化。

图2　基于三相电路瞬时无功理论的检测原理图Fig.2　Detection principle of instantaneous reactive power theory based on three phase circuits

图3　电流滞环控制原理图Fig.3　Current hysteresis control principle diagram

滞环比较控制方法的优点是：简洁明了、有恒定的输出误差。缺点是：开关频率是动态变化的，其变化范围大，若环宽很小，开关频率会相当的高，有时会过大而造成逆变器开关的损坏。

3　可变环宽的滞环控制

为解决常规滞环控制器开关频率高且变化范围大的问题，本文设计出一个开关频率随着滞环宽度变化而变化的可变环宽的滞环控制器。表1为变换不同的滞环宽度，测出相对应的开关频率，通过数据可以拟合出频率和环宽的关系图（图4）。

表1　环宽与频率的关系Tab.1　Ring width and frequency

图4　环宽与频率的拟合曲线图Fig.4　Fitting curve of ring width and frequency

根据图4能近似得出一个开关频率和环宽的基本规律：f≈0.01H 。调整频率的基本思路，预期频率与此时的频率的几何均值为定值。设定预期频率fs为一定值，让开关频率在fs附近波动。即有如下关系：

式中：f0为采样频率；f′为与f对应的超调频率。

理论上一个比例环节就可以达到效果了，不过为了保持系统稳定，可以加入一个较弱的积分环节，这就是PI控制的基本思路。PI的具体取值要通过多次调试确定。

4　有源滤波器单独仿真实验

仿真模型的搭建主要包括：谐波源、有源电力滤波器、三相电压源、非线性负载。有源电力滤波器模块由指令电流的计算部分、补偿电流的控制发生部分、变流器主回路，这3部分组成。仿真参数如下：

1）系统线电压有效值U=200 V；

3）APF交流侧三相出线电感Lc=2 mH；

4）APF直流侧是一个R=0.001 Ω的电压源，直流侧电压给定Udc=185 V；

5）可变环宽的比例积分系数为Kp=0.2，Ki=400，设fs=6 kHz；

6）本仿真设置在0.5 s时投入有源滤波器

4.1未改进的有源滤波器（H=0.001）

图5为逆变器开关频率的变动范围，可以看出基本保持在6～11 kHz范围内，平均开关频率为9 kHz。

图5　开关频率的变动范围Fig.5　Switching frequency range

图6为电源电流各次谐波分量随时间的变化规律，由图可知投入APF后谐波基本保持在2%以下。

图6　电源电流各次谐波分量随时间的变化规律Fig.6　The variation of the power supply current of each harmonic component with time

4.2自适应可变环宽的有源滤波器

图7　开关频率的变动范围Fig.7　Switching frequency range

图7为逆变器开关频率的变动范围，可以看出基本保持在4～7 kHz范围内，平均开关频率为5.5 kHz，比未改进的APF小很多。

图8为电源电流各次谐波分量随时间的变化规律，由图可知投入APF后谐波基本保持在2%以下。

图8　电源电流各次谐波分量随时间的变化规律Fig.8　The variation of the power supply current of each harmonic component with time

5　将有源滤波器投入到光伏系统模型中的仿真实验

本文将有源滤波器并入到现有的光伏发电模型中，验证滤波效果。在pscad中搭建有源滤波器在光伏并网发电系统中滤波仿真模型，如图9所示。仿真模型由下列几部分构成：系统电源模块、并联有源滤波器主电路模块、控制系统模块和光伏并网系统模块。有源滤波器并联在光伏逆变器交流侧［10］。APF交流侧三相出线电感Lc=0.5 mH，滤波器电阻为R=2 Ω，直流侧电压给定Udc=185 V，在1.5 s时投入。

图9　APF并入光伏发电系统的电路图Fig.9　The circuit diagram of the photovoltaic power generation system with APF connected

图10为补偿前后的A相电网电流波形，Iinva为光伏逆变器输出电流，Ifa为电网侧电流，由图可知补偿后的波形正弦度良好。

图11可知1.5 s时投入APF可使电网谐波下降到2%以下，APF基本到达了补偿效果。

图10　光伏逆变器出口的A相电流补偿前后的电流波形图Fig.10　The current waveform of the PV inverter feeding-out before and after the A phase current compensation

图11　电源电流各次谐波分量随时间的变化规律Fig.11　The variation of each harmonic component of the power supply current with time

6　结论

与传统滞环控制的有源滤波器相比，本文设计的可变环宽的滞环控制有效地降低了逆变器的开关频率和频率范围，并减少了开关管的损耗。单独作用时，能有效地滤除电网中的各次谐波，使其下降到2%以下。将此有源滤波器并入光伏发电系统中，滤波能力良好，结果验证了APF的正确性和有效性，具有较好的实用性。如果在PI控制和输出电感的参数上能更好地调节，则可以更进一步地降低开关管的频率，减少损耗，提高系统性能。

［1］邱晓初，肖建，刘小建.一种APF模糊自适应可变环宽滞环控制器［J］.电力系统保护与控制，2012（7）：73-77，83. QIU Xiaochu，XIAO Jian，LIU Xiaojian.A APF fuzzy adaptive variable loop wide hysteresis controller［J］.Power System Protection and Control，2012（7）：73-77，83（inChinese）.

［2］冯捷.基于有功电流分离法和模糊控制技术的有源滤波器的设计［D］.上海：东华大学，2009.

［3］杨旭，王兆安.一种新的准固定频率滞环PWM电流控制方法［J］.电工技术学报，2003（3）：24-28，52. YANG Xu，WANG Zhaoan.A new quasi fixed frequency hysteresis PWM current control method［J］.Journal of Electrical Engineering，2003（3）：24-28，52（in Chinese）.

［4］戴训江，晁勤.一种新颖的并网逆变器自适应电流滞环控制策略［J］.电力自动化设备，2009（9）：85-89，100. DAI Xunjiang，CHAO Qin.A novel grid connected inverter adaptive current hysteresis loop control strategy［J］. Electric Power Automation Equipment，2009（9）：85-89，100（in Chinese）.

［5］张竹，张代润，王超，等.有源电力滤波器定频滞环电流控制新策略［J］.电力系统及其自动化学报，2010（2）：82-85. ZHANG Zhu，ZHANG Dairun，WANG Chao，et al.A new methodofconstantfrequencyhysteresiscurrent control of active power filter［J］.Electric Power System and Its Automation，2010（2）：82-85（in Chinese）.

［6］李子龙.基于LCL的光伏并网谐波抑制技术研究［D］.武汉：湖北工业大学，2014.

［7］吴志坚.并联型有源电力滤波器谐波检测与补偿方法研究［D］.成都：西南交通大学，2014.

［8］赤木泰文，埃德森，毛立赛.瞬时功率理论及其在电力调节中的应用［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［9］KANG B J，LIAW C M.Robust hysteresis currentcontrolled PWM scheme with fixed switching frequency［J］. Electric Power Applications，IEE Proceedings Electric Power Applications，2001，148（6）：503，512.

［10］李绍慈.有源滤波器在光伏并网发电系统中的应用研究［D］.锦州：辽宁工业大学，2014.

Application of the Active Filter of Variable Ring Width in the Microgrid

LI Ying，YU Xiangyang
（College of Water and Electricity Engineering，Xi'an University of Science and Technology，Xi'an 710048，Shaanxi，China）

Because of the high switching frequency and wide frequency range of the conventional hysteresis control mode，this paper proposes a variable ring width hysteresis control method for this problem.This paper briefly describes the working principle of the hysteresis loop control method with adaptive variable ring width，and puts it into the active power filter.The simulation results show that the switching frequency of the improved active power filter is obviously reduced.The photovoltaic power generation system contains a large number of power electronic equipment，and it produces a large number of harmonics.In this paper，the active filter is applied to the photovoltaic system，which can eliminate the harmonic of the system.The PSCAD simulation analysis has verified the effectiveness of the method.

variable ring width；hysteresis control；active filter；photovoltaic power generation

1674-3814（2016）06-0073-04

F407.61

A

2015-07-12。

李颖（1991—），女，硕士研究生，主要研究方向为电力系统测量、保护与控制。

（编辑李沈）

陕西省协同创新计划（2014XT-21）。

Project Supported by the Collaborative Innovation Program of Shaanxi Province under Grant（No.2014XT-21）。