有源電力濾波器:結(jié)構(gòu)·原理·控制

如何提高電能質(zhì)量和治理諧波是輸配電技術(shù)中最迫切的問(wèn)題之一，有源電力濾波器已成為解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵性技術(shù)。建立了三相三線制并聯(lián)型有源電力濾波器的數(shù)學(xué)模型，把檢測(cè)電源電流控制方式應(yīng)用于并聯(lián)型有源電力濾波器，通過(guò)仿真研究驗(yàn)證了此種控制方法可以有效地實(shí)現(xiàn)諧波的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，證明了該方法的可行性。

電流控制方式檢測(cè)電源電流控制方式的數(shù)學(xué)模型

檢測(cè)電源電流控制方式的等效電路圖和結(jié)構(gòu)圖中Z_s是電源內(nèi)阻抗，Z_HPF為高通濾波器阻抗。i_c為指令電流參考值，G_Z(s)為i_s與i_cL之間的傳遞函數(shù)；G(s)為校正環(huán)節(jié)，這種控制方式把產(chǎn)生諧振的傳遞函數(shù)G_Z(s)包括在閉環(huán)內(nèi)，選擇適當(dāng)?shù)?i>G(s)就可以抑制諧振，為了獲得良好的補(bǔ)償特性，G(s)應(yīng)有較大的放大倍數(shù)，以增大系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益，但放大倍數(shù)太大會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定，通常采用一階慣性微分環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為G(s)=KTs/(1 Ts)；G_I(s)為指令電流運(yùn)算電路的傳遞函數(shù)，放大倍數(shù)為-1；G_A(s)為補(bǔ)償電流發(fā)生器的傳遞函數(shù)，為時(shí)間常數(shù)很小的一階慣性環(huán)節(jié)。得到：i_cL=i_Li_c；I_s(s)=G_Z(s)·I_cL(s)；I_ch(s)=G(s)·G_I(s)·G_A(s)·I_s(s)。

電流控制方式并聯(lián)型有源電力濾波器的控制算法

通過(guò)電源電流控制方式實(shí)現(xiàn)諧波的檢測(cè)，為了實(shí)現(xiàn)逆變器對(duì)諧波電流的補(bǔ)償，需要控制逆變器使其輸出的能夠自動(dòng)跟蹤計(jì)算所得的參考電流，主要的控制方式有兩種，分別是電流跟蹤控制和電壓控制。電流控制主要有四種，分別是周期采樣控制、滯環(huán)比較控制、無(wú)差拍控制和三角載波線性控制。

1、周期采樣控制：此控制方法主要是根據(jù)有源電力濾波器輸出電流i_c與參考電流i_cref的比較結(jié)果在采樣脈沖的上升沿改變PWM脈沖的狀態(tài)。

2、滯環(huán)比較控制：此控制方法是將補(bǔ)償電流參考值i_cref與逆變器實(shí)際電流輸出值i_c之差Δi_c輸入到具有滯環(huán)特性的比較器，通過(guò)比較器的輸出來(lái)控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)合，從而使逆變器輸出電流實(shí)時(shí)快速的跟蹤補(bǔ)償電流參考值。

3、無(wú)差拍控制：此控制方法是利用前一刻的補(bǔ)償電流參考值和實(shí)際電流值，計(jì)算下一刻的電流參考值及各種開(kāi)關(guān)狀態(tài)下逆變器的電流輸出值，選擇某種開(kāi)關(guān)模式作為下一刻的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而達(dá)到電流誤差等于零。但由于無(wú)差拍控制方法存在系統(tǒng)誤差與調(diào)制比對(duì)系統(tǒng)參數(shù)依賴性大、魯棒性差、瞬態(tài)響應(yīng)超調(diào)量大等缺點(diǎn)，因此在實(shí)際中不常用。

4 、三角載波線性控制：此控制方法是將檢測(cè)電流環(huán)節(jié)得到的電流實(shí)際值i_c與參考值i_cref之間的偏差與高頻三角載波比較，所得到的PWM脈沖作為逆變器各開(kāi)關(guān)器件的控制信號(hào)，從而在逆變器端得到所需波形的電流。

三角載波是電壓型PWM逆變器中應(yīng)用較多的一種電流控制方式，這種控制方式可以獲得恒定的開(kāi)關(guān)頻率，裝置安全性較高，鑒于此并聯(lián)型有源電力濾波器中PWM變流器采用三角載波控制算法。

電流控制方式檢測(cè)電源電流控制方式的可行性

采用檢測(cè)電源電流控制方式，逆變器采用三角載波控制算法，投入三相并聯(lián)型有源電力濾波器后的系統(tǒng)仿真波形。在0.02s之前系統(tǒng)電流存在諧波并且電壓和電流有相位差，0.02s后并聯(lián)型有源電力濾波器投入使用，經(jīng)補(bǔ)償系統(tǒng)電流相位和電網(wǎng)電壓相位基本一致，系統(tǒng)電流波形已接近正弦波，表明此控制策略的可行性。

所謂變結(jié)構(gòu)，是指當(dāng)系統(tǒng)的狀態(tài)滿足一定的條件時(shí)，系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化。變結(jié)構(gòu)控制(VSC)就是當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)穿越不同區(qū)域時(shí)，反饋控制的結(jié)構(gòu)按照一定的規(guī)律發(fā)生變化，使得控制系統(tǒng)對(duì)被控對(duì)象的內(nèi)在參數(shù)變化和外部環(huán)境擾動(dòng)等因素具有一定的適應(yīng)能力，保證系統(tǒng)性能達(dá)到期望的性能指標(biāo)要求。

由于變結(jié)構(gòu)控制具有抗擾性、自適應(yīng)性、魯棒性、實(shí)現(xiàn)容易等優(yōu)點(diǎn)，因此變結(jié)構(gòu)控制引起了人們的普遍重視。

變結(jié)構(gòu)魯棒控制發(fā)展

變結(jié)構(gòu)控制的研究始于 20 世紀(jì) 50 年代，前蘇聯(lián)學(xué)者 Emelyanov 等提出了變結(jié)構(gòu)控制概念。隨后 Utkin，Itkis 等學(xué)者總結(jié)并發(fā)展了滑模變結(jié)構(gòu)控制理論，奠定了滑模變結(jié)構(gòu)控制的理論基礎(chǔ)。20 世紀(jì) 80 年代以來(lái)，隨著確定切換函數(shù)的系統(tǒng)性方法的出現(xiàn)和微分幾何理論的發(fā)展，變結(jié)構(gòu)控制開(kāi)始了新的發(fā)展階段。近二十年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和大功率電子開(kāi)關(guān)器件的發(fā)展，變結(jié)構(gòu)控制的實(shí)現(xiàn)變得越來(lái)越容易，因此該方法受到了國(guó)內(nèi)外控制界的廣泛重視，現(xiàn)已成為自動(dòng)控制領(lǐng)域的重要設(shè)計(jì)方法，并在工程應(yīng)用中得到了推廣應(yīng)用。

變結(jié)構(gòu)控制是指系統(tǒng)狀態(tài)達(dá)到切換函數(shù)值，系統(tǒng)從一個(gè)結(jié)構(gòu)自動(dòng)地切換到另一個(gè)確定的結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)是一組數(shù)學(xué)方程描述的模型)。從本質(zhì)上講它具有開(kāi)關(guān)切換特性，是一種控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，適用于線性及非線性系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，跟蹤，自適應(yīng)及不確定等系統(tǒng)。它具有一些優(yōu)良特性，尤其是對(duì)加給系統(tǒng)的攝動(dòng)和干擾有良好的自適應(yīng)性。

變結(jié)構(gòu)魯棒控制分類(lèi)

圖 1對(duì)變結(jié)構(gòu)控制作了大致的分類(lèi)，變結(jié)構(gòu)控制可分為兩大類(lèi)：

一類(lèi)是不具有滑動(dòng)模態(tài)的變結(jié)構(gòu)控制，如Bang-Bang 控制、輸出反饋?zhàn)兘Y(jié)構(gòu)控制、多輸入繼電控制等。這一類(lèi)控制只能稱為變結(jié)構(gòu)控制，雖然控制器可根據(jù)反饋量改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)穩(wěn)定于平衡位置，但系統(tǒng)不存在一個(gè)可滑動(dòng)的面。

另一類(lèi)是具有滑動(dòng)模態(tài)(簡(jiǎn)稱為滑?；蚧Ｃ?的變結(jié)構(gòu)控制。這一類(lèi)控制可稱為滑模變結(jié)構(gòu)控制或滑?？刂?，它的控制分為兩個(gè)步驟：首先是系統(tǒng)從初始狀態(tài)趨近于并到達(dá)滑模面，接著系統(tǒng)在滑模面上滑動(dòng)并到達(dá)平衡位置。

變結(jié)構(gòu)控制器都有一個(gè)切換面，如 x1，x2或者 x1 5x2，而具有滑動(dòng)模態(tài)的切換面才稱為滑模面。