電力有源補(bǔ)償及滯環(huán)電流跟蹤控制研究

目前，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，在電力系統(tǒng)中增加了大量的非線性負(fù)載，比如各種晶閘管可控整流器、變頻器、電弧爐、ups不間斷電源等，給電力系統(tǒng)帶來了嚴(yán)重的諧波污染和功率因數(shù)的明顯降低，導(dǎo)致無功需求增加和電網(wǎng)電壓波動(dòng)，多種電力運(yùn)行指標(biāo)惡化。諧波對(duì)負(fù)載及供電系統(tǒng)的嚴(yán)重污染問題已經(jīng)引起了有關(guān)專家的特別關(guān)注[1,4]。高次諧波電流使電機(jī)、變壓器產(chǎn)生附加損耗，給通訊線路和工業(yè)自動(dòng)檢測(cè)與控制系統(tǒng)帶來噪聲干擾，對(duì)變電所內(nèi)的過流、欠壓、距離和周波等保護(hù)繼電器均會(huì)引起拒動(dòng)或誤動(dòng)，使保護(hù)裝置失靈或動(dòng)作不穩(wěn)定。
　　傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償及無源lc濾波器雖然在吸收高次諧波方面有明顯的效果，但存在以下問題[6]:
(1)電源阻抗嚴(yán)重影響濾波特性;
(2)隨著電源側(cè)諧波增加，濾波器有可能過載;
(3)同一系統(tǒng)內(nèi)在設(shè)置很多l(xiāng)c濾波回路情況下，難以取得高次諧波流入的平衡;
(4)無源lc濾波回路會(huì)因系統(tǒng)阻抗參數(shù)變化而發(fā)生與系統(tǒng)并聯(lián)諧振問題，造成電源側(cè)在某一頻率上諧波電流倍增。
　　本文在對(duì)電力系統(tǒng)有源無功與諧波補(bǔ)償?shù)脑磉M(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用其有關(guān)分析結(jié)果主要討論一種電力有源濾波補(bǔ)償器主電路及帶有非線性控制的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，給出了一種變結(jié)構(gòu)非線性電流跟蹤控制的思路，并將該控制方案拓展到三相系統(tǒng)，通過pspice軟件進(jìn)行了仿真研究，仿真結(jié)果證實(shí)了該系統(tǒng)及控制方法的正確性與可行性。

2　無功與諧波補(bǔ)償原理
　　假設(shè)電源電壓為正弦波，其表達(dá)式為

,若非線性負(fù)載從交流電源索取的電流為周期性非正弦波形，可通過傅里葉分析表示為

(1)
　　式(1)中第一項(xiàng)為基波有功電流分量，記作ip,第二項(xiàng)為基波無功電流ir,第三項(xiàng)是直流分量，第四項(xiàng)是負(fù)載電流il的高次諧波分量之和，記作ih,作一個(gè)周期的平均功率計(jì)算，則得有功功率:

(2)
　　對(duì)此式積分后，除第一項(xiàng)外，其余項(xiàng)均為零，則

(3)
　　在周期性畸變電流所包含的許多正弦分量中，與有功功率有關(guān)的只是與電源電壓同頻率同相位的分量ip, io與ir產(chǎn)生基頻無功，ih是產(chǎn)生畸變功率的根本原因。
　　根據(jù)式(1)～(3)，考慮在電源與負(fù)載之間引入一個(gè)適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電流:
ic=-(ir＋ih－io) (4)
　　則補(bǔ)償后的電源輸出電流為: is=il+ic=ip
即ic=ip－il (5)
　　由于ip是與電源電壓同頻同相的純正弦有功電流，所以無論負(fù)載電流發(fā)生何種畸變，只要保證式(4)滿足，即可使電源對(duì)外提供的電流為同頻正弦波形，并且功率因數(shù)等于1。由于式(2)中后三項(xiàng)積分結(jié)果均為零，在理想情況下，提供補(bǔ)償電流的有源補(bǔ)償器不消耗有功功率，僅向電網(wǎng)提供無功，以平衡負(fù)載的無功消耗。換言之，電源對(duì)外供出的功率恰好等于負(fù)載功率。

3　系統(tǒng)的構(gòu)成及變結(jié)構(gòu)非線性控制
　　基于上述原理構(gòu)成的單相有源無功與諧波補(bǔ)償及控制系統(tǒng)如圖1所示，主電路采用了半橋式pwm變流器，控制系統(tǒng)從功能上分，主要包括四個(gè)單元，即直流側(cè)電壓閉環(huán)控制，參考電流形成，電流閉環(huán)控制和門極開關(guān)控制信號(hào)產(chǎn)生，其中后兩部分通過一個(gè)帶有回環(huán)繼電器特性的非線性控制器來完成，該非線性控制器一身兼二職，可由一個(gè)運(yùn)算比較器及外圍電阻經(jīng)過參數(shù)設(shè)計(jì)而實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)的無功與諧波補(bǔ)償主電路，作為系統(tǒng)的非線性控制對(duì)象，是以開關(guān)切換方式工作的，兩個(gè)功率開關(guān)的互補(bǔ)通斷作用，對(duì)應(yīng)有兩種線性子電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因而該系統(tǒng)實(shí)際上具有變結(jié)構(gòu)控制對(duì)象[3,2]。具體而言，兩種不同的子電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)于補(bǔ)償電流ic有不同的變化規(guī)律，比如，在開關(guān)管m1導(dǎo)通、m2關(guān)斷時(shí)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)，由于交流側(cè)輸入濾波電感l(wèi)s的端電壓滿足lsdic/dt<0（因?yàn)橹麟娐窞樯龎菏絧wm變流器，以直流側(cè)較高電壓來保證這一點(diǎn)），所以ic可以被控制下降；相反，在開關(guān)管m2導(dǎo)通、m1關(guān)斷時(shí)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)，由于電感l(wèi)s的端電壓滿足lsdic/dt>0，所以ic可以被控制上升。我們知道，該系統(tǒng)無功與諧波補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵就是對(duì)補(bǔ)償電流ic控制效果的好壞，而ic的可控性正是通過上述兩種電路拓?fù)涞淖兘Y(jié)構(gòu)切換來實(shí)現(xiàn)的。本文所提出的帶有滯環(huán)繼電器特性的非線性控制器正是根據(jù)這種補(bǔ)償電流的變結(jié)構(gòu)控制思想而設(shè)計(jì)的[5,7]，對(duì)應(yīng)于控制對(duì)象的兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該控制器有兩種輸出邏輯狀態(tài)，通過適當(dāng)選擇補(bǔ)償電流的反饋極性和設(shè)計(jì)非線性控制器的回環(huán)寬度，可以將補(bǔ)償電流ic對(duì)其給定信號(hào)i*c的跟蹤偏差限定在很小的環(huán)寬之內(nèi)。該電流閉環(huán)控制通過回環(huán)繼電器的非線性控制方法，針對(duì)非線性對(duì)象實(shí)施有效的控制，實(shí)質(zhì)是運(yùn)用了極大值原理[3]，使時(shí)間最優(yōu)控制的分量（m1、m2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)）為時(shí)間t的分段常值函數(shù)，且僅在開關(guān)時(shí)間上發(fā)生兩個(gè)恒值間的跳變，兩個(gè)門極開關(guān)信號(hào)均在自己的兩個(gè)邊值之間來回轉(zhuǎn)換，達(dá)到時(shí)間最優(yōu)快速控制的目的。
　　整個(gè)系統(tǒng)的工作過程如下，直流電壓反饋信號(hào)vd與其給定值v*d的比較誤差信號(hào)，經(jīng)pi調(diào)節(jié)器獲得電源有功電流的幅度給定i*p，它與es的檢測(cè)信號(hào)相乘得瞬時(shí)有功參考電流i*p。電壓互感器保證了i*p與es同頻同相。經(jīng)式(5)的減法運(yùn)算產(chǎn)生所要求的無功補(bǔ)償電流給定信號(hào)i*c，最終通過帶有回環(huán)繼電器特性的非線性控制器來達(dá)到對(duì)被控對(duì)象的變結(jié)構(gòu)控制及開關(guān)驅(qū)動(dòng)，使補(bǔ)償器主電路按照給定的控制規(guī)律i*c進(jìn)行結(jié)構(gòu)變換，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償電流ic對(duì)i*c的電流跟蹤。直流電壓控制單元的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，保證了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)下，i*p大小恰好符合電源輸出功率與負(fù)載功率相平衡的要求(忽略補(bǔ)償器本身的器件損耗)，而且無需實(shí)時(shí)檢測(cè)與計(jì)算負(fù)載的無功電流成分,同時(shí)直流側(cè)電壓vd基本恒定。

4　系統(tǒng)仿真研究

圖1　有源無功與諧波補(bǔ)償器系統(tǒng)仿真電路模型

　　圖1所示為有源無功與諧波補(bǔ)償雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，所涉及的pi調(diào)節(jié)器、乘法器等都屬于常規(guī)控制環(huán)節(jié)，有關(guān)控制參數(shù)選擇，不少文獻(xiàn)都有詳細(xì)介紹。至于非線性控制器的設(shè)計(jì)，基于上述變結(jié)構(gòu)電流跟蹤控制思想，運(yùn)用電子技術(shù)手段設(shè)計(jì)一種帶有回環(huán)繼電器特性的運(yùn)算比較器是不困難的。這里需要指出的是，經(jīng)驗(yàn)告訴人們，眾多的參數(shù)設(shè)計(jì)方法只能為所要實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)提供指導(dǎo)和參考，具體實(shí)施的系統(tǒng)參數(shù)尚需通過實(shí)驗(yàn)予以調(diào)整和確定。pspice仿真軟件包為筆者的電路參數(shù)實(shí)驗(yàn)選擇與調(diào)整提供了重要的手段，尤其是對(duì)于電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，運(yùn)用軟件包十分豐富而靈活的分析方法、人機(jī)界面和元器件庫(kù)，幾乎可以仿真任何參數(shù)變化和寄生參數(shù)對(duì)系統(tǒng)波形及響應(yīng)特性的影響，大量減少完成強(qiáng)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)調(diào)試所花費(fèi)的時(shí)間與投資。由于篇幅所限，本文僅著重就變流器交流側(cè)電抗器的參數(shù)改變對(duì)系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行pspice電路仿真研究，旨在表明該仿真方法及所提出的有源補(bǔ)償系統(tǒng)的有效性。
　　對(duì)于變結(jié)構(gòu)電流跟蹤控制的有源濾波補(bǔ)償器，其交流側(cè)濾波電抗器的最小值主要由開關(guān)造成的諧波要求來決定，濾波電抗應(yīng)把這一諧波電流限定在指定范圍內(nèi)。另一方面，在給定直流側(cè)電壓的情況下，有源補(bǔ)償器輸出電流跟隨指令變化的速度決定了電抗器的最大值。如果選擇的電抗器參數(shù)偏低，則有源補(bǔ)償器輸出電流開關(guān)諧波的脈動(dòng)幅度將會(huì)增大;若此參數(shù)偏高，則由于電流慣性過大而不能保證有源補(bǔ)償器輸出電流具有較快的跟隨特性，使得補(bǔ)償效果變差。在實(shí)際調(diào)試當(dāng)中應(yīng)予以折衷考慮。本系統(tǒng)根據(jù)常規(guī)的設(shè)計(jì)方法初選參數(shù)，又經(jīng)過pspice電路仿真調(diào)整，最后選定的參數(shù)如圖1中所示，其仿真主要波形示于圖2。由圖2(a)可見，經(jīng)補(bǔ)償后的電源電流波形很接近正弦波，且與電源電壓同相位，功率因數(shù)近似為1;圖2(c)表明了非線性負(fù)載電流波形;電流控制環(huán)節(jié)中的補(bǔ)償電流指令信號(hào)及其變結(jié)構(gòu)控制下的電流跟蹤波形示于圖2(b)，可見在補(bǔ)償電流指令變化較快時(shí)，電流跟隨性能比較理想。圖2(d)所示是起初濾波電抗取值較大( ,其他參數(shù)不變)對(duì)電流波形的影響?？梢姙V波電抗參數(shù)的減小，使電流跟隨特性進(jìn)而使電源電流波形有了明顯的改善。
對(duì)于三相有源補(bǔ)償系統(tǒng)可以采用同樣的控制方案。當(dāng)然由于交流電源及非線性負(fù)載均為三相，補(bǔ)償主電路需要采用三相橋式pwm變流器。相應(yīng)的控制部分所要求的乘法器和回環(huán)遲滯比較器也需要由一個(gè)拓展為三個(gè)，不過其中的pi調(diào)節(jié)器仍采用一個(gè)為三相控制共享。圖3給出了三相有源補(bǔ)償系統(tǒng)的仿真波形。

圖2 　單相系統(tǒng)的仿真波形

圖3 三相系統(tǒng)的仿真波形

5　結(jié)束語
　　本文所提出的有源無功與諧波補(bǔ)償器及控制方法，與以往的同類系統(tǒng)相比，主要有以下特點(diǎn):
(1)能夠在任何負(fù)載條件下，同時(shí)實(shí)現(xiàn)無功與高次諧波補(bǔ)償，而且毋需實(shí)時(shí)檢測(cè)與計(jì)算負(fù)載的無功電流成分;
(2)針對(duì)系統(tǒng)主電路的開關(guān)工作方式及非線性數(shù)學(xué)模型，其電流控制環(huán)節(jié)采用變結(jié)構(gòu)非線性電流跟蹤控制方式，具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特點(diǎn);
(3)電壓和電流雙閉環(huán)控制簡(jiǎn)單易行。
有關(guān)電力系統(tǒng)有源動(dòng)態(tài)補(bǔ)償及非線性控制器的設(shè)計(jì)等問題，可以考慮對(duì)圖1中的pwm變流器采用狀態(tài)空間平均方法建模，以便進(jìn)一步研究系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能，并為系統(tǒng)參數(shù)的定量選擇提供依據(jù)。