電力有源補償及滯環(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，多種電力運行指標惡化。諧波對負載及供電系統(tǒng)的嚴重污染問題已經(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、變壓器產(chǎn)生附加損耗，給通訊線路和工業(yè)自動檢測與控制系統(tǒng)帶來噪聲干擾，對變電所內(nèi)的過流、欠壓、距離和周波等保護繼電器均會引起拒動或誤動，使保護裝置失靈或動作不穩(wěn)定。
　　傳統(tǒng)的無功補償及無源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。
　　本文在對電力系統(tǒng)有源無功與諧波補償的原理進行理論分析的基礎(chǔ)上，運用其有關(guān)分析結(jié)果主要討論一種電力有源濾波補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軟件進行了仿真研究，仿真結(jié)果證實了該系統(tǒng)及控制方法的正確性與可行性。

2　無功與諧波補償原理
　　假設(shè)電源電壓為正弦波，其表達式為

,若非線性負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)中第一項為基波有功電流分量，記作ip,第二項為基波無功電流ir,第三項是直流分量，第四項是負載電流il的高次諧波分量之和，記作ih,作一個周期的平均功率計算，則得有功功率:

(2)
　　對此式積分后，除第一項外，其余項均為零，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)，考慮在電源與負載之間引入一個適當?shù)难a償電流:
ic=-(ir＋ih－io) (4)
　　則補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，所以無論負載電流發(fā)生何種畸變，只要保證式(4)滿足，即可使電源對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)中后三項積分結(jié)果均為零，在理想情況下，提供補償電流的有源補償器不消耗有功功率，僅向電網(wǎng)提供無功，以平衡負載的無功消耗。換言之，電源對外供出的功率恰好等于負載功率。

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)控制信號產(chǎn)生，其中后兩部分通過一個帶有回環(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，可由一個運算比較器及外圍電阻經(jīng)過參數(shù)設(shè)計而實現(xiàn)。該系統(tǒng)的無功與諧波補償主電路，作為系統(tǒng)的非線性控制對象，是以開關(guān)切換方式工作的，兩個功率開關(guān)的互補通斷作用，對應(yīng)有兩種線性子電路拓撲結(jié)構(gòu)，因而該系統(tǒng)實際上具有變結(jié)構(gòu)控制對象[3,2]。具體而言，兩種不同的子電路拓撲結(jié)構(gòu)，對應(yīng)于補償電流ic有不同的變化規(guī)律，比如，在開關(guān)管m1導(dǎo)通、m2關(guān)斷時對應(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/dt0（因為主電路為升壓式pwm變流器，以直流側(cè)較高電壓來保證這一點），所以ic可以被控制下降；相反，在開關(guān)管m2導(dǎo)通、m1關(guān)斷時對應(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)無功與諧波補償?shù)年P(guān)鍵就是對補償電流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撲的變結(jié)構(gòu)切換來實現(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)這種補償電流的變結(jié)構(gòu)控制思想而設(shè)計的[5,7]，對應(yīng)于控制對象的兩種拓撲結(jié)構(gòu)，該控制器有兩種輸出邏輯狀態(tài)，通過適當選擇補償電流的反饋極性和設(shè)計非線性控制器的回環(huán)寬度，可以將補償電流ic對其給定信號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，針對非線性對象實施有效的控制，實質(zhì)是運用了極大值原理[3]，使時間最優(yōu)控制的分量（m1、m2的驅(qū)動信號）為時間t的分段常值函數(shù)，且僅在開關(guān)時間上發(fā)生兩個恒值間的跳變，兩個門極開關(guān)信號均在自己的兩個邊值之間來回轉(zhuǎn)換，達到時間最優(yōu)快速控制的目的。