《研究新型的无功补偿装置和有源电力滤波器》 - 工程论文发表

《研究新型的无功补偿装置和有源电力滤波器》 [关键词]无功补偿装置；有源电力滤波器；控制策略 为了抑制高次谐波和补偿无功功率,近几年出现了许多新型的无功补偿装置和有源电力滤波器(APF)。这些装置都要求准确快速地检测出电网谐波和无功功率,从而实现快速补偿。APF的关键技术之一就是逆变器的脉冲宽度调制(PWM)技术。目前常用的PWM技术有:(1)基于正弦波对三角波调制的SPWM技术;(2)基于消除特定次数谐波的HEPWM技术;(3)基于电流滞环跟踪控制的PWM技术。第(1)种方法适用于模拟系统,在微机控制系统中很少采用;第(2)种方法需要预先计算出要消除的若干次指定谐波,在负载经常变化的情况下,跟随特性难以保证;第(3)种方法比较适合微机控制,其原理为实时检测逆变器的输出、并与跟踪目标进行比较,当偏差超出允许的边带时,控制器动作,使偏差减小。一般来说,波形质量,开关损耗,电压利用率等是衡量PWM方法的几个重要指标,随着现代大功率器件开关频率的不断提高,波形质量问题己得到了较好的解决,而开关损耗问题却日益严重,以电路拓扑改进为代表的软开关技术在解决开关损耗问题的同时也带来电路结构复杂化的问题。所以,如何从PWM方法的优化上减小开关损耗,是一个值得探讨的问题。本文简要介绍几种较好、较新的控制方法。 1．空间矢量最优控制 空间电压矢量法(SVPWM)也叫磁通正弦PWM法。它以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想磁通圆为基淮,用逆变器不同的开关模式所产生实际磁通去逼近基淮圆磁通。由它们的比较结果决定逆变器的开关,形成PWM波形。此法从电动机的角度出发,把逆变器和电机看作一个整体,使电机获得幅值恒定的圆形磁场。通过控制磁通或电压矢量导通时间,用尽可能多的多边形磁通去逼近正弦磁通。此方法又分为磁通开环式和磁通闭环式。 前者用2个非零矢量和1个零矢量合成1个等效的电压矢量,若采样时间足够小,可合成任意电压矢量,其输出电压正弦波调制时提高15%,谐波电流有效值之和接近最小。后者引入磁通反馈,控制磁通的大小和变化的速度,在比较估算磁通和给定磁通后,根据误差决定产生下一个电压矢量,形成PWM波形。后者克服了前者的不足,解决了电机低速时,定子电阻影响大的问题,减小了电机的脉动和噪音。 有的学者提出一种应用于新型三电平PWM高频整流系统的电压空间矢量PWM调制控制方式[1],使得系统不仅能控制有功功率的传输,而且能提供无功功率的吞吐。它不仅优化开关矢量,降低开关频率,提高直流侧电压利用率.减小AC侧输入电流的总谐波畸变率,而且在中点电位制方面也易于实现。开关矢量选择及优化的原则如下:(l)为了优化开关频率,开关矢量选择应该是每次开关矢量变化时,只有1个开关函数变动,而且变动值循环; (2)在1个开关周期中,开关矢量的选择是对称的; (3)零矢量或等效零矢量的作用时间是等分分配的; (4)考虑正开关矢量和负开关矢量的协调作用来平衡中点电位的浮动。基于电压矢量的控制方法本身就有较高的直流电压利用率和控制精度,利用该方法能方便判定参考电压矢量所在区域,从而应用最优电压矢量进行控制,使SVPWM的性能进一步提高。 2．滞环电流控制 目前应用于有源滤波器的电流控制方法一般有2类,即滞环电流控制方法和三角波电流控制方法。前者精度较高且响应快,但开关频率可能波动很大,容易引起脉冲电流和开关噪声;而后者开关频率恒定,装置安全性较高,但响应较慢,精度较低。滞坏电流控制是一种简单的bang-bang控制,它集电流控制与PWM于一体。实际电流与指令电流的上、下限相比较,交点作为开关点。指令电流的上、下限形成一个滞环。滞环电流控制具有以下特点:(1)滞环电流控制定基于电流暂态的控制,具有动态响应速度快、鲁律性好的优点;(2)滞环电流控制本质是一种隐含载波的变频SPWM调制方式,在三相高功率因数整流器中,滞环控制的隐含载波频率随电网电压作周期性变化,变化频率为工频的2倍;(3)滞环电流控制输出频谱范围宽,滤波较困难,谐波能量均匀分布在较宽的频带范围内。该方法将指令电流值与实际补偿电流的差值输入到具有滞环特性的比较器中,然后用比较器的输出来控制逆变器的开关器件。 为解决既能保持恒定的开关频率,有较高的直流电压利用率,又能同时提高有源滤波器性能和效率的难题,有人提出一种新的基于优化电压矢量的有源滤波器定频滞环电流控制方法[2]。它的主要原理是保持一相开关合于下臂不动,用其余两相开关去独立控制相应的相间电流,并不需要估计阻抗参数,便能实现两相解耦,进而在传统的滞环控制中实现了开关定频。该方法的特点:一是能快速正确判定参考电压矢量的区域,从而选择优化电压矢量去控制电流;二是可选择逆变器中的2个适当的开关去独立控制相应的两个相间电流,不需估计阻抗值即可实现开关定频化。在达到较高的控制精度、保证较高的输出电压的同时,还实现了开关的定频化,从而使有源滤波器的综合性能明显提高。 3．单周控制 单周控制是一种非线性控制法,它同时具有调制和控制的双重性,通过复位开关、积分器、触发电路、比较器达到跟踪指令信号的目的。 单周控制的基本思想是:控制开关占空比,在每个周期内使逆变器开关变量的平均值与控制参考电压相等或成一定比例,从而消除稳态和瞬态误差。它具有反应快、抗电源干扰和控制电路简单等优点,可应用于PWM控制、软开关等。单周控制在控制回路中不需要误差综合,它能在1个周期内自动消除稳态、瞬态误差,前1周期的误差不会带到下1周期。此外,单周控制还能优化系统响应、减小畸变和抑制电源干扰,其控制原理。 单周控制由控制器、比较器、积分器及时钟组成,K可以是任何物理开关,也可是其他可转化为开关变量形式的抽象信号。单周控制法克服了传统的PWM控制方法的不足,适用于各种脉宽调制软开关等开关逆变器,此外它还可用于控制任何物理开关变量或可转化为开关变量形式的抽象信号。 4．变结构控制(VSC)[3,4] 目前,混合型电力滤波器(HAPF)是一种效率较高、应用极为广泛的APF。其中,无源滤波器对负载的谐波电流进行滤波,并提供一定的基波无功补偿;而有源滤波器则起改善无源滤波器特性的作用。HAPF以非常小容量的有源滤波器,就可以弥补无源滤波器特性的一些固有缺陷。这样既可以改善无源滤波器的滤波效果,防止与电网之间发生谐振,又避免了并联有源滤波器的谐波电流注入并联的无源滤波器形成谐波短路的现象,提高了有源滤波器的有限容量的利用率。 HAPF的控制策略,大多以瞬时功率理论为基础,通过对电力系统中无功和谐波电流的检测计算来实现无功功率和谐波电流的补偿。不仅计算、控制复杂,而且由于未对期望的电源电流实现闭环跟踪控制,测量和计算误差得不到补偿,影响了其补偿性能的提高。VSC对系统的变化和外部干扰不敏感,具有很强的鲁律性,文献[5]应用VSC理论,在建立空间矢量数学模型的基础上,推出一种混合型电力滤波器的变结构控制方法,避免了较复杂的谐波电流计算,实现了对电源电流和电容电压的闭环控制,具有良好的控制性能,是一种简单有效且易于实现的方法。 5．无差拍控制〔4〕 该方法是一种全数字化的控制技术。它利用前一时刻的指令电流值和实际补偿电流值,根据空间矢量理论计算出逆变器下一时刻应满足的开关模式。其优点是动态响应很快,易于计算机执行。其缺点是计算量大,且对系统参数依赖性较大。随着数字信号处理单片机(DSP)应用的不断普及,这是一种很有前途的控制方法。在有源电力滤波器中,跟踪参考信号的控制方法是决定有源滤波器补偿质量的关键。因为只有求得补偿信号参考值后,才能通过反馈环节和控制变流器的开关元件使变流器产生与参考信号相等的实际信号。无差拍控制的优点在于数学推导严密、跟踪无过冲、动态性能好等,此方法多用于整流器、电机驱动等参考波为正弦的情况。用无差拍控制的串联APF变流器的输出可以很好地跟踪参考谐波电压信号,使负载端的电压波形接近于正弦波。无差拍控制的有源电力滤波器即使在开关频率比较低的情况下也有着良好的动静态响应。 6．基于单位功率因数(UPF)的控制 该控制策略是使非线性负载和滤波器并联等效为一电阻性负载。假设电网电压无畸变,傅里叶展开为:US=Usinωt(l) 如加上滤波器后负载侧的输入阻抗呈电阻性,则补偿后的网侧电流可表示为: iS=kUS=kUsinωt(2) 式中　k———复合非线性负载和滤波器的组合电导。电网电流是与电网电压同频同相的正弦波且没有谐波成分,功率因数为1。为验证基于单位功率因数控制策略,利用Matlab构造图2所示的试验电路,三相整流电路的参数为:电源电压U=100×2/3V(峰值)