電力有源補償及滯環電流跟蹤控制研究

目前，隨著電力電子技術的發展，在電力系統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，給電力系統帶來了嚴重的諧波污染和功率因數的明顯降低，導致無功需求增加和電網電壓波動，多種電力運行指標惡化。諧波對負載及供電系統的嚴重污染問題已經引起了有關專家的特別關注[1,4]。高次諧波電流使電機、變壓器產生附加損耗，給通訊線路和工業自動檢測與控制系統帶來噪聲干擾，對變電所內的過流、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定。
　　傳統的無功補償及無源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)隨著電源側諧波增加，濾波器有可能過載;
(3)同一系統內在設置很多lc濾波回路情況下，難以取得高次諧波流入的平衡;
(4)無源lc濾波回路會因系統阻抗參數變化而發生與系統并聯諧振問題，造成電源側在某一頻率上諧波電流倍增。
　　本文在對電力系統有源無功與諧波補償的原理進行理論分析的基礎上，運用其有關分析結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控制系統的結構和工作原理，給出了一種變結構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，通過pspice軟件進行了仿真研究，仿真結果證實了該系統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，與有功功率有關的只是與電源電壓同頻率同相位的分量ip, io與ir產生基頻無功，ih是產生畸變功率的根本原因。
　　根據式(1)～(3)，考慮在電源與負載之間引入一個適當的補償電流:
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，并且功率因數等于1。由于式(2)中后三項積分結果均為零，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　系統的構成及變結構非線性控制
　　基于上述原理構成的單相有源無功與諧波補償及控制系統如圖1所示，主電路采用了半橋式pwm變流器，控制系統從功能上分，主要包括四個單元，即直流側電壓閉環控制，參考電流形成，電流閉環控制和門極開關控制信號產生，其中后兩部分通過一個帶有回環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過參數設計而實現。該系統的無功與諧波補償主電路，作為系統的非線性控制對象，是以開關切換方式工作的，兩個功率開關的互補通斷作用，對應有兩種線性子電路拓撲結構，因而該系統實際上具有變結構控制對象[3,2]。具體而言，兩種不同的子電路拓撲結構，對應于補償電流ic有不同的變化規律，比如，在開關管m1導通、m2關斷時對應的結構，由于交流側輸入濾波電感ls的端電壓滿足lsdic/dt<0（因為主電路為升壓式pwm變流器，以直流側較高電壓來保證這一點），所以ic可以被控制下降；相反，在開關管m2導通、m1關斷時對應的結構，由于電感ls的端電壓滿足lsdic/dt>0，所以ic可以被控制上升。我們知道，該系統無功與諧波補償的關鍵就是對補償電流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構切換來實現的。本文所提出的帶有滯環繼電器特性的非線性控制器正是根據這種補償電流的變結構控制思想而設計的[5,7]，對應于控制對象的兩種拓撲結構，該控制器有兩種輸出邏輯狀態，通過適當選擇補償電流的反饋極性和設計非線性控制器的回環寬度，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寬之內。該電流閉環控制通過回環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，實質是運用了極大值原理[3]，使時間最優控制的分量（m1、m2的驅動信號）為時間t的分段常值函數，且僅在開關時間上發生兩個恒值間的跳變，兩個門極開關信號均在自己的兩個邊值之間來回轉換，達到時間最優快速控制的目的。
　　整個系統的工作過程如下，直流電壓反饋信號vd與其給定值v*d的比較誤差信號，經pi調節器獲得電源有功電流的幅度給定i*p，它與es的檢測信號相乘得瞬時有功參考電流i*p。電壓互感器保證了i*p與es同頻同相。經式(5)的減法運算產生所要求的無功補償電流給定信號i*c，最終通過帶有回環繼電器特性的非線性控制器來達到對被控對象的變結構控制及開關驅動，使補償器主電路按照給定的控制規律i*c進行結構變換，實現補償電流ic對i*c的電流跟蹤。直流電壓控制單元的自動調節作用，保證了系統穩態下，i*p大小恰好符合電源輸出功率與負載功率相平衡的要求(忽略補償器本身的器件損耗)，而且無需實時檢測與計算負載的無功電流成分,同時直流側電壓vd基本恒定。

4　系統仿真研究

圖1　有源無功與諧波補償器系統仿真電路模型

　　圖1所示為有源無功與諧波補償雙閉環控制系統，所涉及的pi調節器、乘法器等都屬于常規控制環節，有關控制參數選擇，不少文獻都有詳細介紹。至于非線性控制器的設計，基于上述變結構電流跟蹤控制思想，運用電子技術手段設計一種帶有回環繼電器特性的運算比較器是不困難的。這里需要指出的是，經驗告訴人們，眾多的參數設計方法只能為所要實現的系統提供指導和參考，具體實施的系統參數尚需通過實驗予以調整和確定。pspice仿真軟件包為筆者的電路參數實驗選擇與調整提供了重要的手段，尤其是對于電力電子系統設計而言，運用軟件包十分豐富而靈活的分析方法、人機界面和元器件庫，幾乎可以仿真任何參數變化和寄生參數對系統波形及響應特性的影響，大量減少完成強電系統實驗調試所花費的時間與投資。由于篇幅所限，本文僅著重就變流器交流側電抗器的參數改變對系統性能的影響進行pspice電路仿真研究，旨在表明該仿真方法及所提出的有源補償系統的有效性。
　　對于變結構電流跟蹤控制的有源濾波補償器，其交流側濾波電抗器的最小值主要由開關造成的諧波要求來決定，濾波電抗應把這一諧波電流限定在指定范圍內。另一方面，在給定直流側電壓的情況下，有源補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偏低，則有源補償器輸出電流開關諧波的脈動幅度將會增大;若此參數偏高，則由于電流慣性過大而不能保證有源補償器輸出電流具有較快的跟隨特性，使得補償效果變差。在實際調試當中應予以折衷考慮。本系統根據常規的設計方法初選參數，又經過pspice電路仿真調整，最后選定的參數如圖1中所示，其仿真主要波形示于圖2。由圖2(a)可見，經補償后的電源電流波形很接近正弦波，且與電源電壓同相位，功率因數近似為1;圖2(c)表明了非線性負載電流波形;電流控制環節中的補償電流指令信號及其變結構控制下的電流跟蹤波形示于圖2(b)，可見在補償電流指令變化較快時，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( ,其他參數不變)對電流波形的影響。可見濾波電抗參數的減小，使電流跟隨特性進而使電源電流波形有了明顯的改善。
對于三相有源補償系統可以采用同樣的控制方案。當然由于交流電源及非線性負載均為三相，補償主電路需要采用三相橋式pwm變流器。相應的控制部分所要求的乘法器和回環遲滯比較器也需要由一個拓展為三個，不過其中的pi調節器仍采用一個為三相控制共享。圖3給出了三相有源補償系統的仿真波形。

圖2 　單相系統的仿真波形

圖3 三相系統的仿真波形

5　結束語
　　本文所提出的有源無功與諧波補償器及控制方法，與以往的同類系統相比，主要有以下特點:
(1)能夠在任何負載條件下，同時實現無功與高次諧波補償，而且毋需實時檢測與計算負載的無功電流成分;
(2)針對系統主電路的開關工作方式及非線性數學模型，其電流控制環節采用變結構非線性電流跟蹤控制方式，具有快速的動態響應特點;
(3)電壓和電流雙閉環控制簡單易行。
有關電力系統有源動態補償及非線性控制器的設計等問題，可以考慮對圖1中的pwm變流器采用狀態空間平均方法建模，以便進一步研究系統的靜、動態性能，并為系統參數的定量選擇提供依據。