電能質(zhì)量諧波控制研究

呂欣　陳明　陳洪拎

【摘 要】本文主要分析了近年來諧波的產(chǎn)生原因以及各種分析和控制諧波的理論方法，通過對(duì)各個(gè)電能質(zhì)量諧波控制方法的比較分析，確定采用電源電流預(yù)測(cè)控制算法對(duì)諧波進(jìn)行控制具有有效性和優(yōu)越性。

【關(guān)鍵詞】電能質(zhì)量控制；諧波控制方法；電流預(yù)測(cè)控制算法

0 引言

當(dāng)前，多種電力電子裝置廣泛地應(yīng)用在電力系統(tǒng)中，這使在提高工作效率的同時(shí)，也會(huì)在電網(wǎng)中產(chǎn)生了大量的諧波污染，產(chǎn)生諧波損耗，降低了電能質(zhì)量，進(jìn)而降低機(jī)器的使用效率，甚至引起嚴(yán)重事故。其中，諧波危害比較嚴(yán)重的電力設(shè)備有變頻器、電弧爐、電力機(jī)車等，給系統(tǒng)用戶帶來眾多危害，導(dǎo)致電氣設(shè)備不能正常運(yùn)行，所以控制諧波是提高電能質(zhì)量的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的諧波控制方法主要使用LC無(wú)源濾波器，其方法簡(jiǎn)單，成本低廉。然而，補(bǔ)償設(shè)備由于受到本身的結(jié)構(gòu)限制，也只能補(bǔ)償固定頻率的諧波，且補(bǔ)償效果相對(duì)來說比較差。近年來，有源電力濾波器成為抑制諧波的有效控制設(shè)備，能對(duì)任意次諧波進(jìn)行補(bǔ)償，相比無(wú)源電力濾波器具有更好的濾波效果，所以說，有源電力濾波器對(duì)于補(bǔ)償諧波，提高電能質(zhì)量具有良好的發(fā)展前景。

1 有源電力濾波器的電流控制方法

1.1 三角波跟蹤法

三角波跟蹤法是一種依據(jù)PWM控制原理的線性控制法。在一般情況下，有源電力濾波系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生延時(shí)等現(xiàn)象，這樣也就會(huì)產(chǎn)生補(bǔ)償電流與指令電流之間的誤差，如此一來產(chǎn)生的補(bǔ)償電流并不能實(shí)時(shí)跟蹤諧波電流的變化，進(jìn)而不能有效的補(bǔ)償諧波電流，則需要一個(gè)有效的控制算法，使得誤差盡可能趨近于0，獲得理想的補(bǔ)效果。三角波控制法工作過程為先將輸出的實(shí)際補(bǔ)償電流與諧波檢測(cè)的指令電流做差比較，經(jīng)比例環(huán)節(jié)放大信號(hào)，再與同步信號(hào)給出的高頻三角載波進(jìn)行比較，調(diào)制PWM開關(guān)控制信號(hào)，最終得到補(bǔ)償電流。

這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于：電路簡(jiǎn)單，且動(dòng)態(tài)性好，能夠?qū)崟r(shí)的控制高頻開關(guān)系統(tǒng)，其缺點(diǎn)在于：由于開關(guān)頻率為固定的三角載波的頻率，所以使得逆變器將一直工作在高頻的狀態(tài)，也會(huì)出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。

1.2 滯環(huán)比較法

滯環(huán)比較法為一種常見的閉環(huán)控制法，其利用滯環(huán)比較器將實(shí)際的補(bǔ)償電流與諧波指令電流進(jìn)行比較，將比較的誤差作為控制PWM變流器的開關(guān)動(dòng)作，使實(shí)際的補(bǔ)償電流保持在參考電流附近。在滯環(huán)控制結(jié)構(gòu)中，用滯環(huán)電流控制器取代了三角波控制法中的比例積分調(diào)節(jié)器，這里滯環(huán)控制器具有兩個(gè)調(diào)節(jié)功能，一個(gè)作為閉環(huán)電流調(diào)節(jié)器，另一個(gè)作為PWM調(diào)節(jié)器。其工作原理是，當(dāng)指令電流信號(hào)與反饋電流信號(hào)誤差超過滯環(huán)環(huán)寬時(shí)，功率開關(guān)將發(fā)出動(dòng)作，以PWM信號(hào)來驅(qū)動(dòng)控制電路開關(guān)器件通斷，實(shí)時(shí)補(bǔ)償電流參考值。滯環(huán)比較的環(huán)寬是其重要的控制參數(shù)，越寬電流跟蹤越慢，補(bǔ)償誤差就越大；環(huán)寬越窄，電流跟蹤越快，補(bǔ)償效果更加精確，但如果環(huán)寬過窄，誤差減小的同時(shí)，功率開關(guān)器件的開關(guān)頻率也會(huì)升高，這樣會(huì)導(dǎo)致電子器件的損壞。因此，在選擇環(huán)寬的同時(shí)還要考慮到開關(guān)器件的承受能力及開關(guān)損耗。相比三角波控制方法，滯環(huán)控制法的電流控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，跟隨誤差較小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度比較快。但在采用滯環(huán)比較法固定滯環(huán)寬度的時(shí)候，如果電流偏差過大，就會(huì)導(dǎo)致滯環(huán)寬度小的濾波器不能實(shí)時(shí)對(duì)電流變化進(jìn)行較好得跟蹤補(bǔ)償，電流偏差較大的時(shí)候，環(huán)寬固定，產(chǎn)生的補(bǔ)償電流就會(huì)過大，補(bǔ)償效果也不夠理想。同時(shí)，功率器件的開關(guān)頻率還會(huì)產(chǎn)生大量的噪聲和脈動(dòng)電流，若逆變器對(duì)三相間的控制不獨(dú)立，將會(huì)產(chǎn)生相間的干擾。

1.3 無(wú)差拍控制法

無(wú)差拍控制是一種全數(shù)字化的控制方法。其利用當(dāng)前的參考電流和補(bǔ)償電流值計(jì)算下一時(shí)刻的參考值與補(bǔ)償值，目的是使實(shí)際輸出值與參考值的誤差為0，這樣能夠準(zhǔn)確的跟蹤監(jiān)測(cè)參考電流值。無(wú)差拍控制法主要用于正弦參考波情況，具有動(dòng)態(tài)性能好、跟蹤無(wú)過沖的優(yōu)點(diǎn)。該算法首先求得到補(bǔ)償電流值和反饋電流值，并計(jì)算調(diào)節(jié)信號(hào)寬度的占空比，計(jì)算的占空比實(shí)際就是控制功率器件的開關(guān)占空比的信號(hào)，使輸出與指令信號(hào)大小相等，方向相反的補(bǔ)償值，在同一個(gè)采樣周期內(nèi)調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的寬度和極性，使輸出期望指令值，這樣使得輸出量跟蹤輸入量，達(dá)到補(bǔ)償諧波的效果。該控制是一種基于對(duì)象的數(shù)學(xué)模型控制法，可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，且能夠在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，減小過渡過程，并且可以較快的實(shí)時(shí)跟蹤電流變化。但是這種算法對(duì)電路的參數(shù)以及控制器的匹配度要求較高，如果對(duì)控制對(duì)象的參數(shù)選擇的不恰當(dāng)?shù)脑?，就?huì)導(dǎo)致瞬時(shí)響應(yīng)的超調(diào)量增大，魯棒性較差。

1.4 預(yù)測(cè)控制法

上述的無(wú)差拍控制方法，其控制效果與控制器參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)的配合有著很大的關(guān)聯(lián)性，若選擇的參數(shù)不匹配會(huì)產(chǎn)生較大的跟蹤誤差，為消除這種跟蹤誤差對(duì)補(bǔ)償性能的影響，簡(jiǎn)化計(jì)算量，提出了預(yù)測(cè)控制法。該控制算法可有效地預(yù)測(cè)指令電流和負(fù)載電流，同時(shí)也可以有效預(yù)測(cè)逆變器的輸出電壓。預(yù)測(cè)控制法是一種基于模型的全數(shù)字化的閉環(huán)控制算法，依靠數(shù)字信號(hào)處理器的數(shù)值計(jì)算并處理。利用當(dāng)前值與過值計(jì)算偏差，確定當(dāng)前的最優(yōu)輸入策略。該方法通過逆變器功率器件狀態(tài)方程以及輸出反饋量進(jìn)行預(yù)測(cè)，計(jì)算下一時(shí)刻諧波參考電流值，再計(jì)算下個(gè)開關(guān)周期的占空比。預(yù)測(cè)控制法采用全數(shù)字量控制，比傳統(tǒng)的三角波控制法和滯環(huán)控制法更能夠快速的跟蹤諧波電流的變化，響應(yīng)速度快，具有很好的魯棒性。但預(yù)測(cè)控制法對(duì)于硬件的依賴性較高，目前較少應(yīng)用。隨著微控制芯片技術(shù)的迅速發(fā)展，此控制方法也將得到更加廣泛的應(yīng)用。

2 電流跟蹤預(yù)測(cè)控制算法及改進(jìn)

有源電力濾波器的工作過程為通過改變輸出電壓，進(jìn)而改變電抗器的電流，該電流是用來抵消諧波電流和基波的無(wú)功分量，起到濾波的作用。在電源電流預(yù)測(cè)控制算法中，其直流側(cè)采用傳統(tǒng)的PI控制法，由于該算法調(diào)節(jié)速度較慢，且超調(diào)嚴(yán)重，在此處做了一些改進(jìn)，采用了基于電壓差平方的PI控制法。根據(jù)端口網(wǎng)絡(luò)的能量守恒定律，此外忽略逆變橋電路的開關(guān)等損耗，交流側(cè)發(fā)出的有功功率，其中一部分消耗在有源電力濾波器上，而另一部分消耗在非線性負(fù)載上。其中，消耗在有源電力濾波器上的有功功率記為P1，消耗在非線性負(fù)載上的有功功率記為P2，且非線性負(fù)載消耗的有功功率由負(fù)載本身決定?；谒矔r(shí)無(wú)功功率的理論，有源電力濾波器獲得的有功功率全部用來供給直流側(cè)電容，即交流側(cè)吸收或者釋放的能量應(yīng)等于直流側(cè)的電容充電或放電的能量，由此來平衡直流側(cè)電壓值，補(bǔ)償能量消耗，使之保持穩(wěn)定。通過計(jì)算電流，并采集電源電壓的相位，計(jì)算下一時(shí)刻的理想電源電流，將計(jì)算結(jié)果代入占空比的計(jì)算公式中，得出功率開關(guān)的占空比，進(jìn)而控制逆變器開關(guān)器件的開通和關(guān)斷時(shí)間。改進(jìn)以后能夠使得直流側(cè)電壓快速的上升到給定指令，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，進(jìn)而較快速的達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3 總結(jié)

對(duì)電能質(zhì)量諧波控制方法進(jìn)行分析研究，詳細(xì)的分析了有源電力濾波器的電流控制各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出和改進(jìn)了電源電流預(yù)測(cè)控制算法，對(duì)諧波進(jìn)行補(bǔ)償。改進(jìn)后的算法相對(duì)于傳統(tǒng)的控制法在保證穩(wěn)定性的同時(shí)具有良好的快速性，具有更佳的補(bǔ)償效果和動(dòng)態(tài)性能。

【參考文獻(xiàn)】

[1]曾瑞江，楊震斌，柳慧超.基于小波變換的電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)方法研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012.

[2]遲恩先.電能質(zhì)量控制技術(shù)的研究與工程應(yīng)用[D].山東大學(xué)，2012.

[3]王盼，劉飛，孫建軍，等.并聯(lián)型有源濾波器的重復(fù)學(xué)習(xí)控制策略參數(shù)分析與設(shè)計(jì)[J].電源學(xué)報(bào)，2011.

[責(zé)任編輯：湯靜]