新型动态无功补偿及谐波治理装置的运用探讨

新型动态无功补偿及谐波治理装置的运用探讨

欧阳乾赞

欧阳乾赞

广东光达电气有限公司广东顺德528329

摘要：在工程中合理采用SVG等设备改善电能质量对保证电网和电气设备的安全经济运行、保障正常生产和产品质量具有重要意义。特别是对用电负荷具有阶梯型特点和长距离电缆传输的企业可有效解决过补偿问题，能够产生较大的经济效益。本文结合现有的各种控制及检测方法，对这3部分进行了较为全面的研究，并在此基础上对其发展趋势进行了探讨。

关键词：控制检测驱动谐波抑制无功补偿

1稳定控制器的发展及趋势

在整个控制系统中，稳定控制器起着最为重要的角色，它直接影响着整个系统的动静态特性。传统的动态抑制补偿装置，采取的是线性控制器。即将触发和动态补偿主回路视为惯性环节，进而得到整个系统的线性化模型，而后根据控制性能的要求，选用单电压闭环PID调节器、电压外环加电流内环的双闭环PID调节器等线性补偿技术。

事实上，基于电力电子元件的动态抑制补偿装置都是非线性装置，而且其作用对象（电网）也具有强非线性。对其进行线性化，采用线性最优控制，只能对某一问题在某一工作状态处实现较好的控制。一旦电网结构发生变化，工作状态发生改变，其控制效果必然会不尽人意。随着非线性控制理论的发展，人们开始探讨用非线性控制理论来控制这些装置的方法。目前，工程应用前景比较好的非线性控制方法，主要有智能控制法和逆系统方法。

智能控制方法，作为控制理论发展的高级阶段，不必对被控对象进行精确的建模，而是在控制过程中逐渐地了解系统的特征，自主地调整控制策略，从而实现质优地控制。对于像基于电力电子的动态补偿装置，这样的具有不确定性、非线性、复杂系统的控制特别适用。因此，将其各种智能控制即综合智能控制方法，诸如神经元网络、模糊控制、变结构控制等，应用于SVG、APF等装置的研究方兴未艾。目前，制约其实际应用的主要问题在于目前动态补偿的装置较少，缺乏获取充足先验知识的条件，而经验在线积累又需要相当的过程。

逆系统方法（下图），则是通过动态系统的“逆”的概念，来研究一般非线性控制系统反馈线性化设计的一种方法。所谓“反馈线性化”，就是通过非线性反馈或动态补偿的方法，将非线性系统变换为伪线性系统，然后再用线性理论完成系统的各种控制目标的理论与方法。它利用非线性补偿规律以抵消非线性因素，所设计控制规律与工作点无关,而且可从理论上保证全局稳定性。

期望输出与微分几何非线性控制方法相比，逆系统方法计算简单，工程实用性好，可以直接处理系统的非仿射非线性模型。与智能控制相比，又具有无需先验知识的优势。加之其采用期望输出作为实际的控制输入信号，可以方便的实现人机对话。因此，逆系统方法在动态补偿装置中的应用，引起了广大专家学者们的浓厚兴趣。

2检测理论的发展及趋势

按常规思路，无论是谐波抑制还是无功补偿，首先必须知道需要补偿的无功或谐波的量是多少，才能对系统进行准确的补偿。对于动态补偿系统，要想达到满意的补偿效果，就必须得到动态的补偿量值。因此，谐波和无功的实时检测是非常重要的。

按照这种思路，目前普遍采用的也是相对成熟的检测理论，是日本学者赤木泰文等人1983年提出的瞬时无功功率理论，亦称pq理论。该理论突破了传统的以平均值为基础的功率定义，系统地定义了瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量。以该理论为基础，可以得出用于动态补偿器的谐波和无功电流的实时检测方法，对于谐波和无功补偿装置的研究和开发起到极大的推动作用。

瞬时无功功率理论已经成功地应用到三相三线制系统，并取得了良好的补偿效果。在电网电压对称的三相四线制系统中的应用问题，也已从理论上找到了比较好的解决办法。但是，由于瞬时无功功率理论未定义零序瞬时虚功率,因而从理论上讲是不遵从守恒律的。

为了解决这个问题，近几年韩国学者HyosungKim提出了p-q-r法。其基本思想，是在空间坐标系下把电压电流变换至p-q-r坐标系下。该变换以电压为基准,使ｐ轴与电压矢量方向相同,ｑ轴在αβ坐标平面上,电压只在ｐ轴有分量,从而简化了有功电流和无功电流的计算。与其它理论不同的是,它单独定义了零序瞬时功率,在此基础上提出了消除中线电流的新算法,在负载变化时能有效抑制谐波和无功,中线电流在稳态和过渡过程中均非常接近零。

但是，应该指出，这一理论也并不完美。p-q-r法从理论上将零序电流和零序电压引起的瞬时功率也归算为有功功率,是不可能完全消除相电流中所含谐波的。虽然可以通过一定的控制最终得到相对满意的结果，但从理论上讲，也还需要进一步的改进。

事实上，无论是瞬时无功理论还是改进瞬时无功理论，均存在计算复杂,耗时多等诸多缺点。

如果换个角度来想，从补偿（或抑制）的最终效果来考虑，就可以得到完全不同的检测观念。考虑到我们最终补偿的目的是使电网电流或电压为基波正弦，那么指令信号的相位可由电网电压Us的相位获得，幅值则可由装置的直流侧电压E的闭环控制器的输出决定。这样，就无需再通过对无功和谐波的复杂计算来获得指令信号了，可以大大增强实时性。

沿着这条思路，现在很多学者在寻求相应的控制方法。由美国学者KeyueM.Smedley提出的单周控制即是其中的一种方法。单周控制法（下图）是一种非线性控制方法。其基本思想是：逆变器的开断频率为一固定值，控制逆变器开关的占空比，使每个周期内开关变量的平均值与控制参考信号相等或成一定比例,从而消除稳态和瞬态误差，因而得名单周控制。从图3可以看出，单周控制直接采取系统侧电流ig与参考值进行比较后对逆变电路进行调节，不需要对采样电流进行繁琐的无功电流和谐波电流计算单周控制方法不仅无需检测计算，而且结构简单，响应速度快、稳定性好，而且既无稳态误差又无暂态误差，具有很好的鲁棒性，可适应高精度、高速度和高抗扰的控制要求，已经在开关变换器中得到了成功应用。

3底层驱动控制的发展及趋势

底层驱动控制，是基于电力电子的谐波抑制与无功补偿装置的特有问题。一种好的底层驱动控制可以有效地减小装置自身产生的谐波，简化控制系统，更好的保证开关器件安全，从而提高装置的综合性能。随着电力电子技术的迅速发展，各种驱动控制方法相继出现：从早期的移相触发，到正弦脉宽调制（SPWM），到指定谐波消去脉宽调制（SHEPWM），空间矢量脉宽调制（SVPWM），滞环PWM，直至近期出现的单周控制PWM。介绍这些方法的文献颇多，本文不再赘述。上述方法可以说是已经被尽数引入或正在尝试引入了谐波抑制与无功补偿装置的驱动控制中。

对基于电力电子变换技术的SVG和APF等而言，由于其补偿原理都是通过向电网注入一定量的电流来实现对无功和谐波的补偿，因而可以采用各种电流跟踪PWM控制。就当前的情况而言，工程应用较好的是基于滞环PWM的瞬时值比较方式和基于SVPWM三角波比较方式。单周控制由于出现较晚，目前基本上处于研究阶段，其前景值得期待。

只是对于大功率SVG，虽然原理上可以用电流跟踪的直接控制方法，但由于其电压及电流等级较高，限于电力电子器件的发展水平，目前所能选择的电力电子器件的开关频率还很低，因而，在实际应用中还是没有办法实现。目前，采取的依然是相位控制方法，依靠电路的多重化或链式结构提高输出功率。相信随着大功率电力电子器件技术的发展，实现大功率SVG的直接电流控制是必然的。

此外，随着微处理器性能的不断提高，电力电子装置的驱动控制系统逐渐由模拟型向数字型发展，数字PWM技术随着高速数字信号处理器(DSP)的应用而得以实现。与模拟PWM相比，数字PWM具有结构简单，可靠性高，精度较高的优点。

数字PWM技术的问题是，由于DSP的采样、谐波计算需要时间，而指令信号到最终执行也需要时间，因此，从电流采样到最终谐波补偿之间存在着一个时延，这个时延将对补偿效果产生负效应。这是数字PWM需要解决的一个难点。

无差拍控制作为一种在预测控制基础上发展起来的数字PWM技术（下图）,具有能够预测谐波电流变化趋势并进行跟踪的优点。缺点主要是对预测模型的依赖性较大，高精度的预测模型算法通常过于复杂，而精度如果不够高，其预测精度随着预测周期的增加而明显下降，最终影响补偿效果。

针对这个问题，有的学者提出了差拍PWM控制，主张取消谐波电流的预测环节，使下一时刻输出的实际补偿电流跟踪k时刻检测到的实际谐波电流,并在k+1时刻执行。

最近，有关文献提出了另一种基于改进的dq变换的解决方案。其基本的思想，是将所有的延时折算为在这一时段内经过瞬时无功理论算法所得出的三相基波电流的旋转角度Δθ。即假设延时为ΔT，则基波电流的旋转角度即为：Δθ＝ωΔT＝2πfΔT（rad）。对这一旋转角度在p-q变换的逆矩阵中进行补偿，最终达到补偿延时的目的。

参考文献

[1]《电网电能质量技术监督管理规定》电力工业部.

[2]《电能质量一供电电压允许偏差》GBl2325－90.

[3]《电能质量一三相电压允许不平衡度》GB/T15543-2008.

[4]《电能质量一电力系统频率允许偏差》GB/T15945-2008.