目前，隨著電力" title="電力">電力電子技術(shù)的發(fā)展，在電力系統(tǒng)中增加了大量的非線性負(fù)載，比如各種晶閘管可控整流器、變頻器、電弧爐、ups不間斷電源等，給電力系統(tǒng)帶來了嚴(yán)重的諧波污染和功率因數(shù)的明顯降低，導(dǎo)致無功需求增加和電網(wǎng)電壓波動，多種電力運行指標(biāo)惡化。諧波對負(fù)載及供電系統(tǒng)的嚴(yán)重污染問題已經(jīng)引起了有關(guān)專家的特別關(guān)注[1,4]。高次諧波電流使電機(jī)、變壓器產(chǎn)生附加損耗，給通訊線路和工業(yè)自動檢測與控制系統(tǒng)帶來噪聲干擾，對變電所內(nèi)的過流、欠壓、距離和周波等保護(hù)繼電器均會引起拒動或誤動，使保護(hù)裝置失靈或動作不穩(wěn)定。

傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償及無源lc濾波器雖然在吸收高次諧波方面有明顯的效果，但存在以下問題[6]:

(1)電源阻抗嚴(yán)重影響濾波特性;

(2)隨著電源側(cè)諧波增加，濾波器有可能過載;

(3)同一系統(tǒng)內(nèi)在設(shè)置很多l(xiāng)c濾波回路情況下，難以取得高次諧波流入的平衡;

(4)無源lc濾波回路會因系統(tǒng)阻抗參數(shù)變化而發(fā)生與系統(tǒng)并聯(lián)諧振問題，造成電源側(cè)在某一頻率上諧波電流倍增。

本文在對電力系統(tǒng)有源無功與諧波補(bǔ)償?shù)脑磉M(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，運用其有關(guān)分析結(jié)果主要討論一種電力有源濾波補(bǔ)償器主電路及帶有非線性控制的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，給出了一種變結(jié)構(gòu)非線性電流跟蹤控制" title="跟蹤控制">跟蹤控制的思路，并將該控制方案拓展到三相系統(tǒng)，通過pspice軟件進(jìn)行了仿真研究，仿真結(jié)果證實了該系統(tǒng)及控制方法的正確性與可行性。

2　無功與諧波補(bǔ)償原理

假設(shè)電源電壓為正弦波，其表達(dá)式為
 

若非線性負(fù)載從交流電源索取的電流為周期性非正弦波形，可通過傅里葉分析表示為
 

式(1)中第一項為基波有功電流分量，記作ip,第二項為基波無功電流ir,第三項是直流分量，第四項是負(fù)載電流il的高次諧波分量之和，記作ih,作一個周期的平均功率計算，則得有功功率:
 

對此式積分后，除第一項外，其余項均為零，則
 

在周期性畸變電流所包含的許多正弦分量中，與有功功率有關(guān)的只是與電源電壓同頻率同相位的分量ip, io與ir產(chǎn)生基頻無功，ih是產(chǎn)生畸變功率的根本原因。

根據(jù)式(1)～(3)，考慮在電源與負(fù)載之間引入一個適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電流:

ic=-(ir＋ih－io) (4)

則補(bǔ)償后的電源輸出電流為: is="il"+ic=ip

即ic=ip－il (5)

由于ip是與電源電壓同頻同相的純正弦有功電流，所以無論負(fù)載電流發(fā)生何種畸變，只要保證式(4)滿足，即可使電源對外提供的電流為同頻正弦波形，并且功率因數(shù)等于1。由于式(2)中后三項積分結(jié)果均為零，在理想情況下，提供補(bǔ)償電流的有源補(bǔ)償" title="有源補(bǔ)償">有源補(bǔ)償器不消耗有功功率，僅向電網(wǎng)提供無功，以平衡負(fù)載的無功消耗。換言之，電源對外供出的功率恰好等于負(fù)載功率。

3　系統(tǒng)的構(gòu)成及變結(jié)構(gòu)非線性控制

基于上述原理構(gòu)成的單相有源無功與諧波補(bǔ)償及控制系統(tǒng)如圖1所示，主電路采用了半橋式pwm變流器，控制系統(tǒng)從功能上分，主要包括四個單元，即直流側(cè)電壓閉環(huán)控制，參考電流形成，電流閉環(huán)控制和門極開關(guān)控制信號產(chǎn)生，其中后兩部分通過一個帶有回環(huán)繼電器特性的非線性控制器來完成，該非線性控制器一身兼二職，可由一個運算比較器及外圍電阻經(jīng)過參數(shù)設(shè)計而實現(xiàn)。該系統(tǒng)的無功與諧波補(bǔ)償主電路，作為系統(tǒng)的非線性控制對象，是以開關(guān)切換方式工作的，兩個功率開關(guān)的互補(bǔ)通斷作用，對應(yīng)有兩種線性子電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因而該系統(tǒng)實際上具有變結(jié)構(gòu)控制對象[3,2]。具體而言，兩種不同的子電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對應(yīng)于補(bǔ)償電流ic有不同的變化規(guī)律，比如，在開關(guān)管m1導(dǎo)通、m2關(guān)斷時對應(yīng)的結(jié)構(gòu)，由于交流側(cè)輸入濾波電感l(wèi)s的端電壓滿足lsdic/dt<0（因為主電路為升壓式pwm變流器，以直流側(cè)較高電壓來保證這一點），所以ic可以被控制下降；相反，在開關(guān)管m2導(dǎo)通、m1關(guān)斷時對應(yīng)的結(jié)構(gòu)，由于電感l(wèi)s的端電壓滿足lsdic/dt>0，所以ic可以被控制上升。我們知道，該系統(tǒng)無功與諧波補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵就是對補(bǔ)償電流ic控制效果的好壞，而ic的可控性正是通過上述兩種電路拓?fù)涞淖兘Y(jié)構(gòu)切換來實現(xiàn)的。本文所提出的帶有滯環(huán)繼電器特性的非線性控制器正是根據(jù)這種補(bǔ)償電流的變結(jié)構(gòu)控制思想而設(shè)計的[5,7]，對應(yīng)于控制對象的兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該控制器有兩種輸出邏輯狀態(tài)，通過適當(dāng)選擇補(bǔ)償電流的反饋極性和設(shè)計非線性控制器的回環(huán)寬度，可以將補(bǔ)償電流ic對其給定信號i*c的跟蹤偏差限定在很小的環(huán)寬之內(nèi)。該電流閉環(huán)控制通過回環(huán)繼電器的非線性控制方法，針對非線性對象實施有效的控制，實質(zhì)是運用了極大值原理[3]，使時間最優(yōu)控制的分量（m1、m2的驅(qū)動信號）為時間t的分段常值函數(shù)，且僅在開關(guān)時間上發(fā)生兩個恒值間的跳變，兩個門極開關(guān)信號均在自己的兩個邊值之間來回轉(zhuǎn)換，達(dá)到時間最優(yōu)快速控制的目的。
 

圖1　有源無功與諧波補(bǔ)償器系統(tǒng)仿真電路模型

整個系統(tǒng)的工作過程如下，直流電壓反饋信號vd與其給定值v*d的比較誤差信號，經(jīng)pi調(diào)節(jié)器獲得電源有功電流的幅度給定i*p，它與es的檢測信號相乘得瞬時有功參考電流i*p。電壓互感器保證了i*p與es同頻同相。經(jīng)式(5)的減法運算產(chǎn)生所要求的無功補(bǔ)償電流給定信號i*c，最終通過帶有回環(huán)繼電器特性的非線性控制器來達(dá)到對被控對象的變結(jié)構(gòu)控制及開關(guān)驅(qū)動，使補(bǔ)償器主電路按照給定的控制規(guī)律i*c進(jìn)行結(jié)構(gòu)變換，實現(xiàn)補(bǔ)償電流ic對i*c的電流跟蹤。直流電壓控制單元的自動調(diào)節(jié)作用，保證了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)下，i*p大小恰好符合電源輸出功率與負(fù)載功率相平衡的要求(忽略補(bǔ)償器本身的器件損耗)，而且無需實時檢測與計算負(fù)載的無功電流成分,同時直流側(cè)電壓vd基本恒定。