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【摘 要】 为了解决由非线性负载产生的谐波污染问题，同时保证重要负载的不间断工作，本文提出了一种全钒液流电池和有源电力滤波器（APF）相结合的统一滤波系统。该系统不仅能实现滤波和无功补偿，而且在电力中断时实现不间断电源的功能。文中详细分析了所构建系统的工作原理和控制策略，利用MATLAB/Simulink对系统进行了仿真验证，并且设计了一台基于数字信号处理器TMS320F28335的实验室样机。仿真和实验的结果验证了该系统结构和控制方法的可行性。
【关键词】 全钒液流电池；有源滤波器；不间断电源；瞬时无功功率理论
【Abstract】 A new combined system for active power filter （APF） and vanadium redox battery （VRB） is proposed to solve the problems of harmonics from nonlinear load and compensate the voltage interruptions. This not only achieves functions of APF， but also work as a uninterruptible power system （UPS）. The system configuration and control strategy are analyzedandverified by simulation with MATLAB/Simulink. Based on TMS320F28335DSP， a laboratory scale system is built and experiments of its performance is performed. The feasibility of the system configuration and control strategy presented above are provedwith the simulated and experimental results.
【Key words】 vanadium redox battery； active power filter； uninterruptible power supply（UPS）； Instantaneous reactive power theory
1引言
有源电力滤波器（Active Power Filter，APF）作为一种可以对谐波和无功综合问题进行有效治理的装置已成为国内外研究的热点。相比传统的无源滤波器，APF在谐波滤除和动态跟踪性能方面要占优势，但由于APF的控制较为复杂，成本也较高，到目前为止APF并没有在国内得到广泛应用。为了有效降低装置成本，装置功能多样化成为有源滤波器发展的一个重要趋势。
针对APF装置功能多样化及智能电网的需求，本文提出了一种具有不间断电源（Uninterruptible Power System，UPS）功能的有源滤波器系统，在实现有源滤波和无功补偿功能的同时将一部分能量存储在蓄电池内，一旦电网发生故障时，系统可以迅速切换为蓄电池对负载供电，实现UPS的功能。由于传统蓄电池如铅酸电池对环境影响比较大，近年來一种新型环保型蓄电池——全钒液流电池（Vanadium Redox Battery，VRB）开始受到越来越多的人的关注。与传统蓄电池相比，VRB寿命更长，可靠性更高，并且可以通过更换电解液来实现快速充放电过程[1-3]。
本文建立了全钒液流电池的等效电路模型，提出了一种全钒液流电池和有源电力滤波器（APF）相结合的统一滤波方案，设计了新系统的拓扑结构和控制策略。基于MATLAB/Simulink软件仿真及基于数字信号处理器TMS320F28335的样机实验的结果验证了所提出的系统的可行性。
2全钒液流电池的原理与等效电路
2.1全钒液流电池工作原理
与使用固体材料作电极的传统蓄电池不同，全钒液流电池属于液流电池，即电池的能量来源是分别存放于两个储罐中的电解质溶液，正负极电解液含有不同价态的钒离子。
正极电解液中含有V4+/V5+，负极电解液中含有V2+/V3+，电池充放电发生的反应可表示为：
（1）
2.2全钒液流电池的等效电路模型
本文研究中针对全钒液流电池，主要关注电池的功率输出能力、电能储存能力和暂态反应速度，由于电池安装在室内，也不用讨论温度的影响。因此决定采用戴维南模型[4-5]，该模型由理想电压源E0，内阻r，电容C0和过压电阻R0组成。
3 APF-VRB系统的结构
4.2 UPS工作模式
UPS工作模式下，最关键因素是逆变器输出电压对电网电压频率、相位和幅值的跟踪能力。采用V-f控制方式，为交流母线提供恒定的电压和频率参考。在具体的控制中采用电压的有效值闭环控制来实现逆变器出口经滤波器后的端电压幅值和频率保持恒定。将系统电压给定值作为电压环的期望值Uref，与实际采样计算出的相电压有效值Uabc二者相减，作为离网电压环PI的输入，PI环节的输出dUabc与Uref相加后成为调制波，实现电压幅值的闭环控制；调制波的相角以同步信号为参考信号，控制器自动产生的交流电压的角度Theta，最终通过控制IGBT的开通关断，达到产生稳定电压幅值和频率的目标。
4.3电力中断检测技术
电网电力中断的检测，实质就是孤岛效应检测技术。目前孤岛效应检测技术主要分为被动式检测和主动式检测两种。
被动式检测通过检测公共点的电压和频率是否超出设定的正常范围来判断电网是否发生故障。这种检测方法不需要外加任何硬件，但是存在较大的盲区，并且存在误动作[15]。 4.4两种工作模式之间的转换
由上可知系统有两种工作模式，即正常情况下系统工作在APF模式，实现谐波抑制和无功补偿，VRB将一部分电能存储起来作为后备电源能量；而当电力中断时系统则切换到UPS模式，VRB通过逆变器直接向负载供电。
两种工作模式之间的相互转换对负载和电网的正常运行都会产生影响。当系统从APF模式切换到UPS模式时，要保证负载电压幅值和相位的连续；当系统从UPS模式切换回APF模式，装置再次投入电网时，如果系统输出的相位和电网电压相位相差较大，有可能会出现冲击电压而损坏系统和负载。
当系统从UPS模式切换到APF模式时，转换步骤为：
（1）检测电力是否恢复，如果电力恢复，检测电网电压相位，利用锁相环控制变流器输出电压与电网电压同步；（2）接通电网与系统之间的电气连接，通过直流侧电压控制稳定直流侧电压；（3）控制模式切换为APF模式，系统实现APF的功能。
5仿真与实验分析
5.1 基于Simulink的仿真分析
针对本文构建的全钒液流电池与APF统一滤波系统，利用Matlab/Simulink进行了系统仿真，系统仿真图如图12所示。结合试验系统实际参数将仿真参数设定如下：三相交流电源相电压有效值30V，负载为三相整流桥连接10Ω、20mH阻感负载，逆变器直流侧为50V全钒液流电池模型，初始荷电状态SOC=100%。
本仿真中将全钒液流电池模型等效成一个50V理想电压源和0.11Ω/0.015mH阻感构成的戴维南电路，电池电动势与电池荷电状态的关系用s-function编程实现。
（1）APF工作模式
正常情况下，电网未发生故障时，系统工作在APF模式，系统实现滤除谐波和无功补偿功能。A相负载电流、电网电流。电网电流和负载电流波形畸变率（THD）分别为18.40%和3.74%，可以看出电网电流畸变率得到了很大改善。
5.2 实验验证
根据实验室条件和仿真系统结构参数搭建了一台基于TMS320F28335的APF试验样机。全钒液流电池采用北京金能燃料电池有限公司生产的GEFC-50V50A2h-VRB，额定电压电流为50V/50A；变流器采用三菱公司IPM模块，开关频率12.8kHz；通过三相调压器将市电降到30V有效值后作为电源；直流侧电容6800μF，负载为三相整流桥连接10Ω、20mH阻感负载。
6 结语
本文提出了一种基于全钒液流电池的有源滤波器的结构及其控制策略，使APF的功能多样化，降低了单独设立APF的成本。仿真和实验的结果验证了该系统不但具有滤波和无功补偿的功能，还能在电力中断时实现UPS功能保证重要负载的持续运行。同时以全钒液流电池作为储能单元大大降低了对环境的污染。
参考文献：
[1]刘春娜.钒电池——大规模储能技术的亮点[J].电源技术.2012，36（1）：11-13.
[2]朱顺泉，孙娓荣，汪钱，尹海涛，王保国.大规模蓄电储能全钒液流电池研究进展[J]..化工进展，2007，26（2）：207-211.
[3]Tokuda， N.，Furuya， M.， Kikuoko， Y.， Tsutui， Y.. Development of a redox flow battery for energy storage[J]. Power Conversion Conference， 2002， 3： 1144-1149
[4]王治國，高玉峰，杨万利.铅酸蓄电池等效电路模型研究[J].装甲兵工程学院学报，2003，17（1）：78-81.
[5]周峰，王科，朱桂萍，陈建业.微电网孤岛模式下全钒液流电池逆变器控制[J].中国电力，2011，44（3）：81-85.
[6]Cho， B.H.， Sung-Soo Hong. Dynamics and control of DC-to-DC converters driving other converters downstream. IEEE Transactions on Circuits and Systems，1999，46（10）：1240-1248.
[7]杨琳霞.分布式电源和有源电力滤波器的优化组合研究[J].电气自动化，2011，33（1）：76-77，80.
[8]金一丁，宋强，刘文华.电池储能系统的非线性控制器[J].电力系统自动化，2009，33（7）：75-80.
[9]Chung-Shi Tseng， Huey-Jian Uang. Robustness design of nonlinear dynamic systems via fuzzy linear control， IEEE Transaction on Fuzzy Systems. 1999，7（5）：571-585.
[10] Furuhashi， T.， Okuma， S.， Uchikawa， Y.. A study on the theory of instantaneous reactive power[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 1990， 37（1）： 86-90.
[11]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2000.
[12]张崇巍，张兴. PWM整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社，2003.
[13] 姜齐荣，赵东元，陈建业.有源电力滤波器——结构.原理.控制[M].北京：科学出版社，2005.
[14]李战鹰，胡玉峰，吴俊阳.大容量电池储能系统PCS拓扑结构研究[J].南方电网技术，2010，4（5）：39-42：.
[15]刘芙蓉.并网型户用光伏系统的孤岛检测技术研究[D].武汉：华中科技大学：2008.
【关键词】 全钒液流电池；有源滤波器；不间断电源；瞬时无功功率理论
【Abstract】 A new combined system for active power filter （APF） and vanadium redox battery （VRB） is proposed to solve the problems of harmonics from nonlinear load and compensate the voltage interruptions. This not only achieves functions of APF， but also work as a uninterruptible power system （UPS）. The system configuration and control strategy are analyzedandverified by simulation with MATLAB/Simulink. Based on TMS320F28335DSP， a laboratory scale system is built and experiments of its performance is performed. The feasibility of the system configuration and control strategy presented above are provedwith the simulated and experimental results.
【Key words】 vanadium redox battery； active power filter； uninterruptible power supply（UPS）； Instantaneous reactive power theory
1引言
有源电力滤波器（Active Power Filter，APF）作为一种可以对谐波和无功综合问题进行有效治理的装置已成为国内外研究的热点。相比传统的无源滤波器，APF在谐波滤除和动态跟踪性能方面要占优势，但由于APF的控制较为复杂，成本也较高，到目前为止APF并没有在国内得到广泛应用。为了有效降低装置成本，装置功能多样化成为有源滤波器发展的一个重要趋势。
针对APF装置功能多样化及智能电网的需求，本文提出了一种具有不间断电源（Uninterruptible Power System，UPS）功能的有源滤波器系统，在实现有源滤波和无功补偿功能的同时将一部分能量存储在蓄电池内，一旦电网发生故障时，系统可以迅速切换为蓄电池对负载供电，实现UPS的功能。由于传统蓄电池如铅酸电池对环境影响比较大，近年來一种新型环保型蓄电池——全钒液流电池（Vanadium Redox Battery，VRB）开始受到越来越多的人的关注。与传统蓄电池相比，VRB寿命更长，可靠性更高，并且可以通过更换电解液来实现快速充放电过程[1-3]。
本文建立了全钒液流电池的等效电路模型，提出了一种全钒液流电池和有源电力滤波器（APF）相结合的统一滤波方案，设计了新系统的拓扑结构和控制策略。基于MATLAB/Simulink软件仿真及基于数字信号处理器TMS320F28335的样机实验的结果验证了所提出的系统的可行性。
2全钒液流电池的原理与等效电路
2.1全钒液流电池工作原理
与使用固体材料作电极的传统蓄电池不同，全钒液流电池属于液流电池，即电池的能量来源是分别存放于两个储罐中的电解质溶液，正负极电解液含有不同价态的钒离子。
正极电解液中含有V4+/V5+，负极电解液中含有V2+/V3+，电池充放电发生的反应可表示为：
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本文研究中针对全钒液流电池，主要关注电池的功率输出能力、电能储存能力和暂态反应速度，由于电池安装在室内，也不用讨论温度的影响。因此决定采用戴维南模型[4-5]，该模型由理想电压源E0，内阻r，电容C0和过压电阻R0组成。
3 APF-VRB系统的结构
4.2 UPS工作模式
UPS工作模式下，最关键因素是逆变器输出电压对电网电压频率、相位和幅值的跟踪能力。采用V-f控制方式，为交流母线提供恒定的电压和频率参考。在具体的控制中采用电压的有效值闭环控制来实现逆变器出口经滤波器后的端电压幅值和频率保持恒定。将系统电压给定值作为电压环的期望值Uref，与实际采样计算出的相电压有效值Uabc二者相减，作为离网电压环PI的输入，PI环节的输出dUabc与Uref相加后成为调制波，实现电压幅值的闭环控制；调制波的相角以同步信号为参考信号，控制器自动产生的交流电压的角度Theta，最终通过控制IGBT的开通关断，达到产生稳定电压幅值和频率的目标。
4.3电力中断检测技术
电网电力中断的检测，实质就是孤岛效应检测技术。目前孤岛效应检测技术主要分为被动式检测和主动式检测两种。
被动式检测通过检测公共点的电压和频率是否超出设定的正常范围来判断电网是否发生故障。这种检测方法不需要外加任何硬件，但是存在较大的盲区，并且存在误动作[15]。 4.4两种工作模式之间的转换
由上可知系统有两种工作模式，即正常情况下系统工作在APF模式，实现谐波抑制和无功补偿，VRB将一部分电能存储起来作为后备电源能量；而当电力中断时系统则切换到UPS模式，VRB通过逆变器直接向负载供电。
两种工作模式之间的相互转换对负载和电网的正常运行都会产生影响。当系统从APF模式切换到UPS模式时，要保证负载电压幅值和相位的连续；当系统从UPS模式切换回APF模式，装置再次投入电网时，如果系统输出的相位和电网电压相位相差较大，有可能会出现冲击电压而损坏系统和负载。
当系统从UPS模式切换到APF模式时，转换步骤为：
（1）检测电力是否恢复，如果电力恢复，检测电网电压相位，利用锁相环控制变流器输出电压与电网电压同步；（2）接通电网与系统之间的电气连接，通过直流侧电压控制稳定直流侧电压；（3）控制模式切换为APF模式，系统实现APF的功能。
5仿真与实验分析
5.1 基于Simulink的仿真分析
针对本文构建的全钒液流电池与APF统一滤波系统，利用Matlab/Simulink进行了系统仿真，系统仿真图如图12所示。结合试验系统实际参数将仿真参数设定如下：三相交流电源相电压有效值30V，负载为三相整流桥连接10Ω、20mH阻感负载，逆变器直流侧为50V全钒液流电池模型，初始荷电状态SOC=100%。
本仿真中将全钒液流电池模型等效成一个50V理想电压源和0.11Ω/0.015mH阻感构成的戴维南电路，电池电动势与电池荷电状态的关系用s-function编程实现。
（1）APF工作模式
正常情况下，电网未发生故障时，系统工作在APF模式，系统实现滤除谐波和无功补偿功能。A相负载电流、电网电流。电网电流和负载电流波形畸变率（THD）分别为18.40%和3.74%，可以看出电网电流畸变率得到了很大改善。
5.2 实验验证
根据实验室条件和仿真系统结构参数搭建了一台基于TMS320F28335的APF试验样机。全钒液流电池采用北京金能燃料电池有限公司生产的GEFC-50V50A2h-VRB，额定电压电流为50V/50A；变流器采用三菱公司IPM模块，开关频率12.8kHz；通过三相调压器将市电降到30V有效值后作为电源；直流侧电容6800μF，负载为三相整流桥连接10Ω、20mH阻感负载。
6 结语
本文提出了一种基于全钒液流电池的有源滤波器的结构及其控制策略，使APF的功能多样化，降低了单独设立APF的成本。仿真和实验的结果验证了该系统不但具有滤波和无功补偿的功能，还能在电力中断时实现UPS功能保证重要负载的持续运行。同时以全钒液流电池作为储能单元大大降低了对环境的污染。
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[15]刘芙蓉.并网型户用光伏系统的孤岛检测技术研究[D].武汉：华中科技大学：2008.