微电网环境下改进型有源电力滤波器控制研究

微电网环境下*改进型有源电力滤波器控制研究侯克淅

（许昌学院电气（机电）工程学院，河南

许昌461000）

摘要：为了消除微电网中各种电力电子装置和非线性负载所产生的谐波，调节微电网无功平衡，考虑在微电网中加入有源电力滤波器（。对传统APF装置进行改进，将微电网储能单元并联在APF直流侧，丰富并提高了储能单元APF）的性能。改进型APF装置采用DSP+FPGA芯片组合作为控制核心，实现了全数字实时控制，有效提高了补偿精度和运算能力，通过仿真分析结果验证了设计的正确性和有效性。关键词：微电网；储能单元APF；DSP；FPGA；中图分类号：TM761文献标志码：ADOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2019.01.039微电网中的光伏逆变器、风电交流-直流-交流

（AC-DC-AC）变换装置等均由电力电子器件组成，给微电网带来了较严重的电能质量问题。有源电力滤波器（ActivePowerFilter，APF）作为谐波治理和无功补偿的“新生代”代表，能够实时跟踪谐波、抑制谐波和补偿无功[1]。

无论微电网处于哪种运行方式，为了提高局部可靠性和稳定性，恰当的谐波抑制是必要的。如果没有有效的谐波控制，则分布式电源高渗透率系统就可能导致有功偏移或无功偏移和振荡[2]。APF用于微电网时，可将微电网储能单元并联在APF直流侧，采用数字信号处理器（DigitalSignalProcess原ing，DSP）+现场可编程门阵列（FieldProgrammableGateArray，FPGA）芯片组合作为控制核心，实现数字实时控制，保证装置能够快速检测补偿。1改进型有源电力滤波器工作原理

APF的工作原理见文献[3]。常见的APF直流侧由电容器组成，为提高稳定性，直流侧电容器组可以由微电网储能单元替换，能够达到相同的效果。第40页图1为APF应用于微电网的总体控制逻辑框图。图1中，PCC为微电网与主网的接入点，微电网模型包括风力发电、光伏发电和储能单元等微电源装置。有源电力滤波器包括信号采样、指令运算、控制保护等环节，其中指令运算由DSP完成，驱动与保护部分由FPGA完成。

从硬件成本来讲，用储能单元替换电容器组，在很大程度上降低了有源电力滤波器的成本投入。直流侧加装储能单元还有一个明显的优势，就是这样使得直流侧电压的控制也变得相对简单，大大降低因直流侧电压波动而产生的负面影响[4]。加装储能单元后，储能单元的每次投入都能够对直流侧电容充电，这样对各个电容器电压起到了明显的均衡作用，直流侧电压的安全性得到了明显提高。2改进型APF控制系统设计

改进型APF控制系统应具有既能够补偿谐波、又能够在必要时补偿无功的能力。运用瞬时无功功率理论，将检测到的微电网电流分解，得出有功电流和无功电流，见第40页图2。当微电网无功运行正常时，无功电流Iq处的开关闭合，此时输出电流为基波有功电流和基波无功电流之和；当微电网需要补偿无功功率时，将常闭开关断开，控制回路运算输出的电流仅为基波有功电流。将两种情况下的

[基金项目]许昌学院科研项目（2019YB024）收稿日期：圆园18原07原05曰修回日期：圆园18原08原07

作者简介：侯克淅（1988-），男，河南南阳人，助理实验师，主要从事电力电子装置技术研究，E-mail：753574841@qq.com。

科技创新与生产力2019年1月总第300期039可持续发展SustainableDevelopment主网PCCiSiCHPF风力发电驱动与保护电路燃气轮机双口RAM光伏发电储能单元APF

图1APF应用于微电网的总体控制逻辑框图

外部通信采样信号调理电路控制与保护FPGA谐波计算与电压调节DSPiL负载运算结果与电网侧的检测值进行比较，即可得出所需要补偿的电流或者电压。前者比较后得出的仅为补偿的谐波电流，而后者比较得出的包括谐波电流和无功电流。

UdcrefUdcPI啄ABC/pqIp（常闭）Iq驻usin棕t-cos棕tPLLUSIa_refIaA+-驱动电路驱动电路gupglow

非门图4三角波比较方式的控制逻辑框图

IaIbIcpq/ABCIabc_ref-+-+-+图2改进型APF信号检测的控制逻辑框图

无功检测控制信号驻u的大小由图3给出，当

无功发生变化时，先比较检测出的电压与事先给定的电压以得出差值，再经PI调节器调节后产生一个控制信号，使常闭开关动作。

Uabc-+Uabc_ref

图3无功检测控制信号生成的控制逻辑框图

PI调节器驻u

2.1控制系统的硬件设计

结合上述分析，要求控制系统能同时实现电压信号和电流信号的实时采集和处理，设计采用DSP+FPGA方式进行控制。DSP通过快速运算能够实现算法控制，但由于DSP中的数字信号是基于指令进行运算而产生的脉冲，较难生成高频三角波，因此通过计数器不易生成分辨率较高的PWM脉冲；而FPGA精度高、可靠性高，能够方便地实现逻辑控制和保护[7]。图5为基于DSP与FPGA的APF控制系统。

控制面板单片机双口RAMDSP算法控制器FPGA脉冲及保护开关器件驱动模块跟踪型脉冲宽度调制（PulseWidthModulation，PWM）控制技术可以采用滞环比较方式，也可采用三角波比较方式[5-6]。在调制环节中，采用滞环比较方式调制法，开关频率的变化会产生脉动电流；而采用三角波比较方式调制法，开关频率等于三角载波频率，脉动电流小，并且输出电压中所含谐波较少。基于上述优势，本文采用三角波比较方式，见图4。

图4中，先把指令电流与补偿电流相减，将信号放大，再与三角波进行比较。放大器A采用PI放大器。这样组成的一个控制系统可以把偏差信号控制为最小。040SCI-TECHINNOVATION&PRODUCTIVITY晕燥援1Jan.圆园19袁栽燥贼葬造晕燥援300A/D图5基于DSP与FPGA的APF控制系统

图5中，DSP主要用于实现谐波电流与谐波电压的采样控制、检测等，FPGA中包含三角波比较、保护单元等。DSP控制部分通过双口随机存取存储器（RandomAccessMemory，RAM）与上位机联系。系统中对DSP及FPGA的资源分配大体相当，充分发挥各自优势，能够显著提高采样频率，提升系统对电能质量的治理效果[8]。

2.2

控制系统的软件设计

图6为控制系统DSP主程序流程图，初始化部分包括系统时钟、中断向量表、通用输入/输出（EVGeneralterface模块、Purpose串行通Input/Output信接口（Serial，GPIOCommunication）、外部中断In、原

A/D后进），入模SCI主块函的）、数初模循始拟环化/。，数初字始转化完换（成Analogue后，开中toDigital断，然，

开始初始化系统时钟初始化SCI初始化中断向量表初始化A/D模块初始化GPI0口开中断初始化外部中断主函数循环初始化EV模块图6DSP主程序流程图

流检DSP测及定时算法器实中现断。是图控7制系为定时统核心器中，断完程成序谐波流程电图，包括数据采集与转换、直流侧电压控制等。

开始中断返回检测端口信号故障？N指数据采样和转换电令压电运流算Y直流侧电压滤波故障报警故障检测直流侧电压调节图7DSP定时器中断程序流程图

集成FPGA既可用原ed电路硬件描述语理言图实（Very-high-speed现设计，又可用integrat超高速原实circuitHardwareDescriptionLanguage，VHDL）GA现主电程设路序计通过流程，二收图者到，结的通过合使用脉冲FPGA效果信号实产会现生更好不6同路。图的开PWM8为关状脉FP态冲原。，3改进型APF控制系统的仿真分析

笔者利用MATLAB软件中的Simulink库，搭建系统线电压为380V/50Hz的仿真模型，主要包括电源模块、负载模块、检测模块和控制模块4个部分。图9为装置投入补偿前后的A相电压波形、电流波形及频谱图。从图9可看出，装置投入补偿前31.98，采24.72%，用快速电流傅里叶变换可得50Hz基波，幅值为得50Hz；基装置畸波投变，入较幅补偿为严值为后重，74.62，采A，用快速相电流A相电傅畸流里变畸叶率变变达换到率降可到3.12%，补偿效果明显改善。

SustainableDevelopment可持续发展开始时钟信号输入系统初始化PWM脉冲生成时钟信号输入死区控制检测端口信号PWM脉冲输出N封锁PWM信号过压、过流、Y结束过热？结束图8FPGA程序流程图

400U3002001000-100-200-300I-40000.040.08t/s

0.120.160.209-a装置投入补偿前的A相电压波形与电流波形

25201510500510152025303540谐波阶次

9-b装置投入补偿前的A相电流频谱图806040200-20-40-60-8000.040.08t/s

0.120.160.209-c

装置投入补偿后的A相电流波形

25201510500510152025303540谐波阶次

9-d装置投入补偿后的A相电流频谱图图9补偿前后A相电压电流波形及频谱图

第42页图10为装置投入过程中系统单相电压波形与电流波形。从图10可看出，在0.04s投入运行后系统波形明显改善；在0.08s时，系统欠功率，

科技创新与生产力2019年1月总第300期041可持续发展SustainableDevelopment通过将有功指令信号加入到总的指令信号中，装置可输出部分有功电流，减小系统功率缺额影响。

4003002001000-100-200-300-4000U证，在该控制方式下，改进型APF对微电网谐波和无功具有良好的补偿特性。

参考文献：[1][2]

王兆安,杨君,刘进军,等.谐波抑制和无功补偿[M].北京:机械工业出版社,2006.

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郭伟峰,杨世彦,杨威.基于DSP-FPGA全数字控制的并联有源电力滤波器[J].电工技术学报,2007,22(5):123-127.

（责任编辑

邸开宇）

I0.040.080.120.160.20[3][4]

t/s

图10装置投入过程中系统单相电压波形与电流波形

结论

通过在微电网中加入APF，消除微电网谐波并调节无功。对传统APF装置进行改进，将微电网储能单元并联在APF直流侧，丰富并提高了储能单元的性能。改进型APF装置采用DSP+FPGA芯片组合作为控制核心，实现了全数字实时控制，有效提高了补偿精度和运算能力。经过仿真结果验

4

ResearchonImprovedActivePowerFilterControlUnderMicrogrid

Environment

HOUKe-xi

（SchoolofElectricalEngineeringandMechano-ElectronicEngineering,XuchangUniversity,Xuchang461000China）Abstract：Inordertoeliminateharmonicsgeneratedbyvariouspowerelectronicdevicesandnonlinearloadsinmicrogridandtoadjustreactivepowerbalanceinmicrogrid,activepowerfilter(APF)isconsidered.ByimprovingthetraditionalAPFde-vice,

themicrogridenergystorageunitisparallelconnectedtotheDCsideoftheAPF,

whichenrichesandimprovesthe

Thecor-performanceoftheenergystorageunit.realizesthefulldigitalreal-timecontrol,

TheimprovedAPFdeviceusesDSP+FPGAchipcombinationasthecontrolcore,andeffectivelyimprovesthecompensationaccuracyandoperationability.

rectnessandvalidityofthedesignareverifiedbythesimulationresults.Keywords：microgrid;APF;DSP;FPGA;energystorageunit（上接第38页）

ApplicationofGNSSinEngineeringFieldLeveling

HONGYa-lan

（AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001China）

Abstract：GNSStechnologyisakindofreal-timedynamicpositioningtechnology.Withtheprogressofsocialeconomyandtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,GNSStechnologyhasbeenappliedinvariousindustryfields,especiallyinearthworklevelingmeasurementofengineeringconstruction.Itcancarryontheearthworkcalculation,andgreatlyimproveworkefficiency.ThispaperfirstlyexpoundsthestatusandtheworkingprincipleofGNSStechnology,andthenanalyzesthemainstepsandmethodsofGNSSmeasurementtechnologyappliedtofieldleveling,andtheapplicationisdiscussed.GNSStechnologyhasthecharacteristicsofoperability,simplicity,highprecisionandsoon,thereisstillmuchroomforimprove-mentinengineeringapplication.

Keywords：GNSStechnology;siteformation;engineeringconstruction

042SCI-TECHINNOVATION&PRODUCTIVITY晕燥援1Jan.圆园19袁栽燥贼葬造晕燥援300