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(lái)了嚴(yán)重的諧波污染和功率因數(shù)的明顯降低，導(dǎo)致無(wú)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(wèn)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(lái)噪聲干擾，對(duì)變電所內(nèi)的過(guò)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(wú)功補(bǔ)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(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(guò)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(wú)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(wèn)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(wú)功與諧波補(bǔ)償的原理進(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(guò)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(wú)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(guò)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)功，以平衡負(fù)載的無(wú)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(wú)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(kāi)關(guān)控制信號(hào)產(chǎn)生，其中后兩部分通過(guò)一個(gè)帶有回環(huán)繼電器特性的非線性控制器來(lái)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(guò)參數(shù)設(shè)計(jì)而實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)的無(wú)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(kāi)關(guān)切換方式工作的，兩個(gè)功率開(kāi)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(kāi)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/dt0（因?yàn)橹麟娐窞樯龎菏絧wm變流器，以直流側(cè)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(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(wú)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(guò)上述兩種電路拓?fù)涞淖兘Y(jié)構(gòu)切換來(lái)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(guò)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(guò)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(kāi)關(guān)時(shí)間上發(fā)生兩個(gè)恒值間的跳變，兩個(gè)門極開(kāi)關(guān)信號(hào)均在自己的兩個(gè)邊值之間來(lái)回轉(zhuǎn)換，達(dá)到時(shí)間最優(yōu)快速控制的目的。