電力有源補償及滯環(huán)電流跟蹤控制研究

目前，隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展，在電力系統中增加了大量的非線(xiàn)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(lái)了嚴重的諧波污染和功率因數的明顯降低，導致無(wú)功需求增加和電網(wǎng)電壓波動(dòng)，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(wèn)題已經(jīng)引起了有關(guān)專(zhuān)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(xiàn)路和工業(yè)自動(dòng)檢測與控制系統帶來(lái)噪聲干擾，對變電所內的過(guò)流、欠壓、距離和周波等保護繼電器均會(huì )引起拒動(dòng)或誤動(dòng)，使保護裝置失靈或動(dòng)作不穩定。
　　傳統的無(wú)功補償及無(wú)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(wèn)題[6]:
(1)電源阻抗嚴重影響濾波特性;
(2)隨著(zhù)電源側諧波增加，濾波器有可能過(guò)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(wú)源lc濾波回路會(huì )因系統阻抗參數變化而發(fā)生與系統并聯(lián)諧振問(wèn)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(wú)功與諧波補償的原理進(jìn)行理論分析的基礎上，運用其有關(guān)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(xiàn)性控制的雙閉環(huán)控制系統的結構和工作原理，給出了一種變結構非線(xiàn)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(guò)pspice軟件進(jìn)行了仿真研究，仿真結果證實(shí)了該系統及控制方法的正確性與可行性。

2　無(wú)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(xiàn)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(guò)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(wú)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(gè)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(wú)功，ih是產(chǎn)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(gè)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(wú)論負載電流發(fā)生何種畸變，只要保證式(4)滿(mǎn)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(wǎng)提供無(wú)功，以平衡負載的無(wú)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(xiàn)性控制
　　基于上述原理構成的單相有源無(wú)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(gè)單元，即直流側電壓閉環(huán)控制，參考電流形成，電流閉環(huán)控制和門(mén)極開(kāi)關(guān)控制信號產(chǎn)生，其中后兩部分通過(guò)一個(gè)帶有回環(huán)繼電器特性的非線(xiàn)性控制器來(lái)完成，該非線(xiàn)性控制器一身兼二職，可由一個(gè)運算比較器及外圍電阻經(jīng)過(guò)參數設計而實(shí)現。該系統的無(wú)功與諧波補償主電路，作為系統的非線(xiàn)性控制對象，是以開(kāi)關(guān)切換方式工作的，兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)的互補通斷作用，對應有兩種線(xiàn)性子電路拓撲結構，因而該系統實(shí)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(kāi)關(guān)管m1導通、m2關(guān)斷時(shí)對應的結構，由于交流側輸入濾波電感ls的端電壓滿(mǎn)足lsdic/dt0（因為主電路為升壓式pwm變流器，以直流側較高電壓來(lái)保證這一點(diǎn)），所以ic可以被控制下降；相反，在開(kāi)關(guān)管m2導通、m1關(guān)斷時(shí)對應的結構，由于電感ls的端電壓滿(mǎn)足lsdic/dt>0，所以ic可以被控制上升。我們知道，該系統無(wú)功與諧波補償的關(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(guò)上述兩種電路拓撲的變結構切換來(lái)實(shí)現的。本文所提出的帶有滯環(huán)繼電器特性的非線(xiàn)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(tài)，通過(guò)適當選擇補償電流的反饋極性和設計非線(xiàn)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。該電流閉環(huán)控制通過(guò)回環(huán)繼電器的非線(xiàn)性控制方法，針對非線(xiàn)性對象實(shí)施有效的控制，實(shí)質(zhì)是運用了極大值原理[3]，使時(shí)間最優(yōu)控制的分量（m1、m2的驅動(dòng)信號）為時(shí)間t的分段常值函數，且僅在開(kāi)關(guān)時(shí)間上發(fā)生兩個(gè)恒值間的跳變，兩個(gè)門(mén)極開(kāi)關(guān)信號均在自己的兩個(gè)邊值之間來(lái)回轉換，達到時(shí)間最優(yōu)快速控制的目的。