電能質量諧波控制研究

呂欣　陳明　陳洪拎

【摘 要】本文主要分析了近年來諧波的產生原因以及各種分析和控制諧波的理論方法，通過對各個電能質量諧波控制方法的比較分析，確定采用電源電流預測控制算法對諧波進行控制具有有效性和優越性。

【關鍵詞】電能質量控制；諧波控制方法；電流預測控制算法

0 引言

當前，多種電力電子裝置廣泛地應用在電力系統中，這使在提高工作效率的同時，也會在電網中產生了大量的諧波污染，產生諧波損耗，降低了電能質量，進而降低機器的使用效率，甚至引起嚴重事故。其中，諧波危害比較嚴重的電力設備有變頻器、電弧爐、電力機車等，給系統用戶帶來眾多危害，導致電氣設備不能正常運行，所以控制諧波是提高電能質量的關鍵因素。傳統的諧波控制方法主要使用LC無源濾波器，其方法簡單，成本低廉。然而，補償設備由于受到本身的結構限制，也只能補償固定頻率的諧波，且補償效果相對來說比較差。近年來，有源電力濾波器成為抑制諧波的有效控制設備，能對任意次諧波進行補償，相比無源電力濾波器具有更好的濾波效果，所以說，有源電力濾波器對于補償諧波，提高電能質量具有良好的發展前景。

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，有源電力濾波系統會產生延時等現象，這樣也就會產生補償電流與指令電流之間的誤差，如此一來產生的補償電流并不能實時跟蹤諧波電流的變化，進而不能有效的補償諧波電流，則需要一個有效的控制算法，使得誤差盡可能趨近于0，獲得理想的補效果。三角波控制法工作過程為先將輸出的實際補償電流與諧波檢測的指令電流做差比較，經比例環節放大信號，再與同步信號給出的高頻三角載波進行比較，調制PWM開關控制信號，最終得到補償電流。

這種方法的優點在于：電路簡單，且動態性好，能夠實時的控制高頻開關系統，其缺點在于：由于開關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，也會出現滯后現象。

1.2 滯環比較法

滯環比較法為一種常見的閉環控制法，其利用滯環比較器將實際的補償電流與諧波指令電流進行比較，將比較的誤差作為控制PWM變流器的開關動作，使實際的補償電流保持在參考電流附近。在滯環控制結構中，用滯環電流控制器取代了三角波控制法中的比例積分調節器，這里滯環控制器具有兩個調節功能，一個作為閉環電流調節器，另一個作為PWM調節器。其工作原理是，當指令電流信號與反饋電流信號誤差超過滯環環寬時，功率開關將發出動作，以PWM信號來驅動控制電路開關器件通斷，實時補償電流參考值。滯環比較的環寬是其重要的控制參數，越寬電流跟蹤越慢，補償誤差就越大；環寬越窄，電流跟蹤越快，補償效果更加精確，但如果環寬過窄，誤差減小的同時，功率開關器件的開關頻率也會升高，這樣會導致電子器件的損壞。因此，在選擇環寬的同時還要考慮到開關器件的承受能力及開關損耗。相比三角波控制方法，滯環控制法的電流控制結構簡單，跟隨誤差較小，動態響應速度比較快。但在采用滯環比較法固定滯環寬度的時候，如果電流偏差過大，就會導致滯環寬度小的濾波器不能實時對電流變化進行較好得跟蹤補償，電流偏差較大的時候，環寬固定，產生的補償電流就會過大，補償效果也不夠理想。同時，功率器件的開關頻率還會產生大量的噪聲和脈動電流，若逆變器對三相間的控制不獨立，將會產生相間的干擾。

1.3 無差拍控制法

無差拍控制是一種全數字化的控制方法。其利用當前的參考電流和補償電流值計算下一時刻的參考值與補償值，目的是使實際輸出值與參考值的誤差為0，這樣能夠準確的跟蹤監測參考電流值。無差拍控制法主要用于正弦參考波情況，具有動態性能好、跟蹤無過沖的優點。該算法首先求得到補償電流值和反饋電流值，并計算調節信號寬度的占空比，計算的占空比實際就是控制功率器件的開關占空比的信號，使輸出與指令信號大小相等，方向相反的補償值，在同一個采樣周期內調節PWM信號的寬度和極性，使輸出期望指令值，這樣使得輸出量跟蹤輸入量，達到補償諧波的效果。該控制是一種基于對象的數學模型控制法，可以消除穩態誤差，且能夠在短時間內達到穩定狀態，減小過渡過程，并且可以較快的實時跟蹤電流變化。但是這種算法對電路的參數以及控制器的匹配度要求較高，如果對控制對象的參數選擇的不恰當的話，就會導致瞬時響應的超調量增大，魯棒性較差。

1.4 預測控制法

上述的無差拍控制方法，其控制效果與控制器參數和系統參數的配合有著很大的關聯性，若選擇的參數不匹配會產生較大的跟蹤誤差，為消除這種跟蹤誤差對補償性能的影響，簡化計算量，提出了預測控制法。該控制算法可有效地預測指令電流和負載電流，同時也可以有效預測逆變器的輸出電壓。預測控制法是一種基于模型的全數字化的閉環控制算法，依靠數字信號處理器的數值計算并處理。利用當前值與過值計算偏差，確定當前的最優輸入策略。該方法通過逆變器功率器件狀態方程以及輸出反饋量進行預測，計算下一時刻諧波參考電流值，再計算下個開關周期的占空比。預測控制法采用全數字量控制，比傳統的三角波控制法和滯環控制法更能夠快速的跟蹤諧波電流的變化，響應速度快，具有很好的魯棒性。但預測控制法對于硬件的依賴性較高，目前較少應用。隨著微控制芯片技術的迅速發展，此控制方法也將得到更加廣泛的應用。

2 電流跟蹤預測控制算法及改進

有源電力濾波器的工作過程為通過改變輸出電壓，進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功分量，起到濾波的作用。在電源電流預測控制算法中，其直流側采用傳統的PI控制法，由于該算法調節速度較慢，且超調嚴重，在此處做了一些改進，采用了基于電壓差平方的PI控制法。根據端口網絡的能量守恒定律，此外忽略逆變橋電路的開關等損耗，交流側發出的有功功率，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，消耗在非線性負載上的有功功率記為P2，且非線性負載消耗的有功功率由負載本身決定。基于瞬時無功功率的理論，有源電力濾波器獲得的有功功率全部用來供給直流側電容，即交流側吸收或者釋放的能量應等于直流側的電容充電或放電的能量，由此來平衡直流側電壓值，補償能量消耗，使之保持穩定。通過計算電流，并采集電源電壓的相位，計算下一時刻的理想電源電流，將計算結果代入占空比的計算公式中，得出功率開關的占空比，進而控制逆變器開關器件的開通和關斷時間。改進以后能夠使得直流側電壓快速的上升到給定指令，縮短調節時間，進而較快速的達到穩定狀態。

3 總結

對電能質量諧波控制方法進行分析研究，詳細的分析了有源電力濾波器的電流控制各種方法的優缺點，并提出和改進了電源電流預測控制算法，對諧波進行補償。改進后的算法相對于傳統的控制法在保證穩定性的同時具有良好的快速性，具有更佳的補償效果和動態性能。

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[責任編輯：湯靜]