基于ip—iq法的并联有源滤波器在微网中的应用

微网是一种由微电源和负荷共同组成的系统，相对于大电网，微网表现为单一的受控单元。随着用电用户越来越高的安全和可靠性要求以及多样化的供电需求，微网逐渐为人们所重视，并在近年得到快速发展。而微网中由于微电源自身特殊性质和非线性负载引发的电能质量问题也需要合理的方法进行改善，有源滤波器就可以很好的做到这一点。有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的电力电子装置，是公认的治理电网谐波、补偿无功，改善电网电能质量的最有效的手段。基于三相瞬时无功理论的ip—iq法是有源电力滤波器常用的谐波检测方法之一。本文通过对ip—iq法的分析，提出有源电力滤波器的控制方式，并在SIMULINK中模拟于微电网中的应用，得到了令人满意的结果。

1 谐波检测原理

三相瞬时无功理论首先由赤木文泰于1983年提出，并于此后不断研究完善的。ip—iq法即是以此为基础的理论体系。其基本原理如图1所示。

 

设三相电路各相电压与电流的瞬时值分别为ea、eb、ec和ia、ib、ic。将其经Clarke变换变换到α-β两相正交坐标系下研究，可得两相瞬时电压与电流eα、eβ和iα、iβ。

 

ip—iq法如图1所示，需要用到与a相电网电压同相位的正弦信号sinωt和对应的余弦信号cosωt，它们由一个PLL锁相环和一个正余弦信号发生电路获得。此时，便可计算出ip，iq。

 

在通过低通滤波器LPF，即可得到得到ip，iq中的直流分量，可计算出源电流的基波分量，在将基波分量与源电流相减，进而计算出其谐波分量。

2 并联有源电力滤波器工作原理与控制方法

2.1 基本原理

图2为应用与微电网的并联APF原理图，如图可知，APF主要有主电路、指令电流运算电路、电流跟踪控制电路与驱动电路构成。主电路是由PWM控制的逆变电路，检测电流经指令电路计算产生指令电流，由控制电路计算出主电路需要的控制信号，经驱动电路作用于主电路，产生补偿电流。

 

非线性负载在运行过程中电流会发生畸变，产生谐波电流，当并联APF未接入系统时，电网电流等于负载电流：

is=iL=iLf+iLh (7)

当并联APF接入系统以后，滤波器通过指令电流运算电路检测负载电流并检测提取出补偿电流指信号，经电流控制电路产生控制信号来控制APF发出合适的补偿电流以抵消电源侧的谐波电流分量，即：

is=iL+ic=iLf+iLh+ic (8)

2.2 滞环控制

滞环控制现在在有源滤波器中的应用较为广泛，其基本原理如图3所示。把指令电流运算电路计算出的指令信号与实际补偿电流信号比较，将两者的偏差量作为滞环比较器的输入，当误差超过给定环宽时，改变APF主电路开关管的开关状态，从而减小补偿电流的误差，达到控制电流的目的。

 

采用滞环控制时，环宽的选择对补偿电流的跟随性有较大影响。环宽较大时，开关管通断频率较低，但是跟随误差较大，补偿效果稍差。反之，当环宽较小时，虽然跟随误差会较小，但是开关管的开关频率较高。

2.3 直流侧电压的控制

对于并联型APF来说，在正常工作时，为保证其有良好的补偿电流跟随性，其直流侧电容电压应基本保持不变。

对直流侧电压Uc的控制入图1右上部分所示，Ucr为Uc的给定值，将两者之差经PI控制器后得到调节信号，在将其叠加到瞬时有功电流的直流分量，此时运算电路产生的指令信号中就包含一定的基波有功电流，通过滞环控制，使APF产生的补偿电流中包含一定的基波有功电流分量，从而使APF的交流侧与直流侧产生能量交换，进而将Uc调节至给定值。

3 仿真与分析

在MATLAB/simulink环境下搭建带有并联APF的微电网模型如图4所示。

 

设置仿真时间0.1 s，运行仿真模型，可得到仿真结果如下所示。

如图5所示为ip—iq法检测出的a相基波电流，其谐波电流如图6所示。可以看出，图5所示的基波电流具有很好的正弦性，可见ip—iq法可以准确的测量出微电网的基波电流。微电网经并联APF滤波后的a相电源电流如图7所示，对比图5中的基波电流可知，并联APF可以有效的滤除非线性负载所产生的谐波电流。图8所示为通过simulink中的FFT模块对a相电源电流进行THD分析，如图可见，经并联APF滤波后，电源电流THD仅为2.10%，电能质量提高。

 

4 结论

本文主要分析了基于ip—iq法的并联有源电力滤波器的基本原理和控制方式，建立了将其应用于微电闽中的基本模型，并通过MATLAB/simulink进行建模仿真，仿真结果表明并联有源电力滤波器能有效滤除微电网中的谐波电流，提高微电网电能质量。