一種通用型電能質量控制器

李衛東，荊凱華，孫峰峰，閻貴東

（1.深圳市今朝時代新能源技術有限公司，廣東 深圳 518071；2.強電磁工程與新技術國家重點實驗室（華中科技大學），湖北 武漢 430074）

0 引 言

隨著電力電子技術以及PWM控制技術的成熟，電能質量控制器已經進入實用階段，并在治理電網諧波污染和無功補償等領域方面發揮越來越重要的作用［1－7］，迄今為止，已有眾多拓撲結構被提出，而任何簡單或復雜的電能質量控制器對系統的作用都可簡化為受控源。諧波抑制和無功補償目標隨不同應用場合而不同，但一般以抑制非線性負載產生的諧波電流對電網支路的污染和電網的諧波電壓對負載的影響為目的。從等效電路的觀點來看，可采用的技術途徑有［8－10］：①增大網側等效諧波阻抗；②減小濾波支路等效諧波阻抗。本文將增大網側等效諧波阻抗與減小濾波支路等效諧波阻抗結合起來，提出一種通用型電能質量控制器，這種電能質量控制器采用一種新的控制方案來增強濾波器的性能，兼具“疏導”和“隔離”諧波的作用，同時還可以進行動態無功補償的想法。本文從電能質量控制器的最佳濾波效果角度考慮，對主要組成部分的參數設計和性能進行了研究，形成了一整套并聯混合型電能質量控制器的設計方法，并在MATLAB仿真中得以驗證，實驗結果驗證了新型通用型電能質量控制器的可行性。

1 系統工作原理

通用型電能質量控制器的單相原理電路如圖1所示，電能質量控制器通過與聯結電抗串聯，然后并入電網。本文采用了一種復合控制方法，它同時檢測系統側諧波電流波形和系統基波電壓波形，將有源濾波器控制成如式（1）所表示的受控電壓源。

式中，Ish和U1分別為系統側諧波電流分量和系統基波電壓；KS、Ku為各自獨立的控制系數，其物理含義為可控阻抗。由疊加定理，對于基波和諧波分別討論有源部分對諧波而言可等效成一諧波電阻，而對工頻電路而言可近似等效為一可調電抗。采用這種復合控制方法時，2個控制系數KS和Ku是完全解耦的，因此，可以根據需要對兩個系數進行完全獨立無功和諧波補償，從而獲得滿意的控制效果。聯結電抗ZL的作用是通過控制Ku來對系統中無功功率進行快速的動態補償，兼濾除逆變器電流的主要開關諧波成份。此方案中ZL與電能質量控制器是作為一個整體并聯接入電網的。

圖1 通用型電能質量控制器的單相原理電路

2 控制參數分析和設計

圖2給出了控制方式的系統組成框圖。在電能質量控制器裝置中，通常采用零磁通工作原理的Hall電流傳感器作為電流檢測器件。在一定的電流范圍內，Hall電流傳感器構成的電流反饋環節可當作比例環節來處理。

圖2 通用型電能質量控制器的控制框圖

諧波電流的檢測環節是一個直接影響到電能質量控制器效果的關鍵環節。而諧波電流的檢測環節傳遞函數與諧波提取的方式有關。本文采用二階函數作為低通濾波器的瞬時檢測法來提取諧波時，諧波電流檢測環節傳遞函數A（s）可以表示為

檢測電路的整體性能取決于低通濾波器的設計，它們不僅決定檢測的穩態精度，而且決定著檢測的動態響應速度。為了減小測得的基波電流紋波，濾波器應該選取較低的轉折頻率ω0。但為提高檢測的動態響應速度，濾波器的轉折頻率ω0又應該選取較高，一般取為電網頻率的十分之一即可滿足精度和速度的兩方面要求。忽略邊頻帶和死區的影響，脈寬調制中的調制比為M，逆變器直流母線電壓為Ud，則逆變器輸出電壓的基波分量幅值為MUd，三角載波幅值為Ut時，脈寬調制的放大系數Kpwm＝Ud／Ut，由此非線性的電壓型PWM逆變器近似為一個純滯后的放大環節，放大系數為Kpwm。故Gv（s）為一延時環節，它近似表示為一階慣性環節［13］，即

式中，Kpwm為逆變器增益；Tv為逆變器的時間常數（半個三角載波周期值）。

為了取得良好的動態與靜態性能，選用載波濾波器濾除高頻開關諧波時，一般采用圖1所示的由電感lf和電容cf組成的二階低通濾波器，其傳遞函數為

式中，l和c分別為電感lf、電容Cf的系統等效阻抗。在設計該濾波器參數時，應考慮開關諧波頻段和補償頻段的特性。首先可根據要濾除的開關諧波頻率和對系統無功的要求初步設計輸出濾波器的參數。然后以初步設計的參數為初值，以滿足電能質量控制器補償頻段的幅頻和相頻特性要求為目標，對電路參數進行優化。最后，由于電網容量會在一定的范圍內變化，所以需考慮輸出濾波器特性受電網等效阻抗變化的影響程度來最終確定參數。在電能質量控制器主電路中，Cf值越大，則流入電容的無功電流也越大，對逆變器和lf的容量要求也越大，從而降低了系統的效率；Cf值越小，輸出濾波器的輸出阻抗越大，則其特性受負載的影響就越大。因此在實際的工程設計中，取電容的無功容量為逆變器容量的15%來確定值Cf：

式中，Fr為電能質量控制器補償諧波頻段中幅值最大的諧波的頻率；P為逆變器的容量；Uc為Cf的額定電壓。

電感值的確定，應滿足以下要求：

① 當電流過零時，此時電感足夠小，以滿足快速跟蹤電流的要求；

② 當電流處于峰值時，電感應足夠大，以滿足抑制開關諧波電流的要求。

根據上述要求，電感值lf為：

式中，m為一個與濾波器的調諧銳度有關的參數，一般在0.5～2之間。

3 交流側連接電感L的設計

在電能質量控制器系統設計中，其交流側電感的設計至關重要。這是因為逆變器交流側電感的取值不僅影響到電流環的動、靜態響應，而且還制約著逆變器輸出功率、功率因數。穩態條件下，逆變器交流側矢量關系如圖3所示，圖中忽略了高頻濾波器（lf和Cf）且只討論基波正弦電量。

圖3 逆變器交流側穩態矢量關系

由圖3看出：當Usys不變且聯結電抗值一定條件下，通過控制逆變器交流側電壓V的幅值、相角，即可實現逆變器四象限運行，且矢量V端點軌跡為以VL為半徑的園。由于VL＝ωLI，因此逆變器交流側穩態矢量關系體現了對其交流側電感L的約束。不失一般性，令矢量V端點處于圓軌跡F點處，此時設逆變器交流側功率因數角為φ，針對圖3中三角形O1OF，則θ＝90°－φ，利用余弦定理得

將｜VL｜＝ωL｜I｜代入式（7），并化簡得

由于Vm≤MVdc，在一定的電網電動勢E、直流側電壓Vdc、功率因數角φ條件下，滿足單相逆變器交流側無功功率Q指標時的單相逆變器交流側電感上限值。

4 諧波補償系數Ku和Ks設計

該系統中，對于基波（忽略起高頻濾波作用的lf和Cf）相當于并聯了一個阻抗為＝ZL／（1－Ku）的可調電抗。設系統電壓Usys基本保持不變，則該可調電抗器吸收的基波感性無功為

該感性無功與系數Ku呈線性關系，調節系數Ku可以使系統呈容性，從而系統中不用另加容性無功補償裝置，系統結構及其控制非常簡單。

采用檢測電源電流控制方式，能同時補償負載引起的電源電流畸變和電網電壓畸變引起的諧波電流，放大倍數Ks愈大補償效果越好。但是過高時，對系統穩定性不利。故根據圖2所示的電能質量控制器系統結構圖及各環節的傳遞函數，可以推導出整個系統的閉環傳遞函數為：

線性定常系統的穩定性可根據s平面上閉環極點的位置確定：若閉環極點全部位于s平面虛軸的左邊，則系統響應最終都將達到平衡狀態，系統穩定；若有任何一個極點位于s平面虛軸的右邊，則系統不穩定。當系統中各環節的參數確定后，通過勞斯（Routh）穩定判據，來選取恰當的諧波補償系數Ks。通常可以利用MATLAB進行仿真分析以確定Ks及系統各環節的參數匹配，并在此基礎上進行動態響應分析。

5 仿真和實驗結果

電網是一個復雜時變系統，電能質量控制器裝置本身也是一個高階系統，所以將裝置控制與電網參數一起用傳遞函數的方法做定量設計，具備實際的工程指導意義。本文以一個單相50 Hz，220 V（晶閘管調觸發角20°）的阻感負載系統——電感和電阻分別為10 mH，1.2Ω）為例來進行復合控制電能質量控制器的設計。電能質量控制器交流側連接電感L＝2 mH，起高頻濾波作用的lf＝0.04 mH，Cf＝5μF。采用MATLAB軟件按照圖1所示的電路建立系統的仿真電路。為了證明復合控制型電能質量控制器參數設計合理，本文特地對系統電壓Usys、系統電流Isys、負載側的電流Iload進行測量。

圖4是諧波補償系數Ks＝98時電能質量控制器進行諧波補償前后電源電流波形。補償前電源電流存在嚴重的畸變，電能質量控制器投入后電源電流會獲得明顯的改善，此時電源電流已接近正弦波，其諧波含量大大減少。

圖4 諧波補償前后電源電流波形

圖5 Ku＝1.6時，系統電壓和電流波形

諧波補償系數Ks＝98，無功補償系數Ku＝1.6時，系統電壓和電流波形如圖5所示，系統已經被補償為單位功率因數。

上述兩圖驗證了無功功率補償原理的有效性，從以上分析可見該濾波器不僅能夠有效地抑制諧波，而且通過調節無功補償系數Ku能夠補償無功功率。

為了驗證本文提出的通用型電能質量控制器的新原理，搭建了一套實驗裝置，進行了相關的實驗研究。圖6和圖7分別是Ku為0.57和1.6時的系統電壓和電流波形。

圖6 Ku＝0.57時系統電壓和電流波形

圖7 Ku＝1.6時系統電壓和電流波形

電能質量控制器投入前電源電流的總畸變率（THD）為22.1%；電能質量控制器投入后，電源電流的總畸變率（THD）為3.7%（諧波補償系數Ks＝98，無功補償系數Ku＝0.57）。同時系統側的功率因數為0.866。當通過調節控制參數，使諧波補償系數Ks＝98，無功補償系數Ku＝1.6時，從電源側看，負載的功率因數接近為1。仿真實驗結果與理論分析相一致。

6 結 論

針對電壓型諧波源和電流型諧波源的濾波和無功補償，論文提出了一種基于復合控制的通用型電能質量控制器的新方案，通過理論分析可知，該通用型電能質量控制器對諧波相當于串聯一個諧波高阻抗和并聯一個諧波低阻抗，對基波可以進行動態無功補償，同時具有疏導和隔離諧波的作用，論文還分析了系統的穩態工作特性，獲得了穩態補償特性曲線，研究了其控制放大倍數與補償性能的關系，仿真和實驗結果證明了新型通用型電能質量控制器的可行性。

［1］ 吳竟昌.供電系統諧波［M］.北京：中國電力出版社，1998.

［2］ 王兆安，楊 君，劉進軍.諧波抑制和無功功率補償［M］.北京：機械工業出版社，1998.

［3］ 羅 安.電網諧波治理和無功補償技術及裝備［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［4］ 肖湘寧.電能質量分析與控制［M］.北京：中國電力出版社，2004.

［5］ 姜齊榮，趙東元，陳建業.有源電力濾波器：結構·原理·控制［M］.北京：科學出版社，2005.

［6］ 程浩忠，艾 芊，張志剛，等.電能質量［M］.北京：清華大學出版社，2006.

［7］ 杜 雄.電力諧波有源補償新方法的研究［D］.重慶：重慶大學博士學位論文，2005.

［8］ 張 興，張崇巍.PWM整流器及其控制策略的研究［M］.北京：機械工業出版社，2013.

［9］ Peng F Z.Harmonic sources and filtering approaches［J］.IEEE Ind.App.Magazine，2001，7（4）：18－25.

［10］李達義，陳喬夫，賈正春.電力系統諧波源的種類和濾波方法綜述 ［J］.電力傳動，2005，35（12）：3－7.