国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志
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K.Maniraj
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该项目的主要目标是通过减少传感器数量的dstatcom来提高电能质量。同时提出了减少电流和电压传感器数量的控制算法。提出了一种电流控制技术，通过三相并联逆变器控制无功功率从电网流向负载。并联逆变器即使在非线性负载存在的情况下，也能确保来自电网的有功和无功功率具有低电流总谐波失真。采用基于p-q理论的希尔伯特变换方法求并网逆变器的参考电流，以保证电网终端的理想运行条件。本文提出的电流控制器实现简单，性能优于传统的旋转框架比例积分控制器和固定框架比例谐振控制器。采用直接李雅普诺夫方法保证了控制器的稳定性。详细的实验结果显示了所提出的电流控制方案以及所提出的非线性控制器对控制无功功率流和消除源电流中的THD的有效性
关键字 |
| Dstatcom，逆变器，Lyapunov方法，pq理论，THD。 |
I.INTRODUCTION |
| 电力系统中电力电子控制设备和非线性电子设备的使用增加，导致了一种称为“谐波”的电压和电流波形失真。电力供应公司的动机是提供不间断的正弦供电电压和电流，其大小适当，谐波含量可以忽略不计。供应的质量应尽可能符合IEC 61000-3-2, IEEE 519-1992等国际监管机构的建议。然而，由于非线性负荷的快速增长，实现上述目标总是很困难。非线性负载，特别是基于可调速驱动器的电力电子转换器、计算机电源、熔炉等，会在电力系统中产生谐波电流和电压。这些谐波会导致设备过热、电容器熔断器损坏、电压波形失真、功率因数低、变压器上的涡流损耗、振荡转矩响应并降低系统效率。在三相四线制系统中，过大的中性电流也是主要问题。过大的尺寸、发热和中性导体损耗是过大的中性电流的主要弊端。传统上，无源滤波器用于消除电流谐波和提高功率因数。它们的主要优点是效率高、成本低。然而，它们体积庞大，依赖于负载，并产生共振问题。滤波器的滤波性能受源阻抗和频率的影响。 |
| 大多数较重要的国际标准将电能质量定义为在正常操作条件下，不中断或干扰客户过程的电源的物理特性。因此，如果任何电压、电流或频率偏差导致客户设备故障或不良运行，就存在电能质量问题。然而，重要的是要注意，电源的质量基本上意味着电压质量和供电可靠性。电压质量问题涉及到由于线路电压偏离其标称特性而导致的任何设备故障，而供应可靠性的特征是其充分性(供应负载的能力)、安全性(承受系统故障等突然干扰的能力)和可用性(特别是针对长时间中断)。 |
| 电能质量问题在大多数商业、工业和公用事业网络中很常见。自然现象，如闪电是电能质量问题最常见的原因。在电源中导致振荡瞬态的开关现象，例如当电容器被开关时，也在很大程度上导致电能质量扰动。此外，大功率非线性负荷的连接也会产生电流和电压谐波分量。在可能产生的不同电压扰动中，最重要和最关键的电能质量问题是由于可能产生的高经济损失而导致的电压下降。短期电压下降(凹陷)可以跳闸电气驱动器或更敏感的设备，导致昂贵的生产中断。由于所有这些原因，从消费者的角度来看，电能质量问题将成为一个越来越重要的考虑因素，以满足良好的生产力。另一方面，对于电力供应业而言，在这个竞争激烈和放松管制的市场中，所提供的电力质量将是确保客户忠诚度的重要因素之一。为了满足能源消费者试图通过减少与电能质量相关的过程中断来提高生产率的需求，以及能源供应商试图在保持客户对供应质量满意的同时实现运营利润最大化的需求，创新技术提供了具有成本效益的电能质量增强解决方案的关键。然而，随着各种可用的电能质量解决方案，对于面临特定电能质量问题的消费者或公用事业公司来说，明显的问题是哪种设备提供了更好的解决方案。 |
2并联有源滤波器 |
| 电力电子变换器利用开关器件实现高功率效率。开关动作产生瞬态和杂散频率，这对电源有不可容忍的影响。通过供电线路辐射或传导的电磁干扰也会影响负载和附近的其他设备。因此，有必要同时过滤输入和输出，或者两者都过滤。用于改善波形的滤波器分为无源滤波器、有源滤波器或两者的组合，称为混合滤波器。 |
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| R -电阻 |
| L -电感器 |
| Cdc -直流电容器 |
| 由于在工业和一般消费者中大量使用电力转换器和其他非线性负载，可以观察到电力系统电压和电流波形的日益恶化。电力线中的谐波会导致配电中更大的功率损失，通信系统中的干扰问题，有时还会导致电子设备的运行故障，这些设备越来越敏感，因为它们包括工作在非常低能量水平的微电子控制系统。 |
| 由于这些问题，交付给终端消费者的电能质量问题比以往任何时候都更受关注。有关电能质量的国际标准(IEEE-519、IEC 61000、EN 50160等)规定，电气设备和设施不应产生超过规定值的谐波，并规定了供电电压的失真限值。同时，必须解决已安装设备产生的谐波问题。无源滤波器已被用作解决谐波电流问题的解决方案，但它们存在几个缺点，即:它们只过滤先前调谐的频率;它们的操作不能局限于一定的负载;由于无源滤波器和其他负载之间的相互作用，可能会发生共振，结果不可预测。为了应付这些缺点，最近的努力已经集中在有源滤波器的发展。 |
3参考电流产生 |
| 本节所考虑的三相三线系统由一组三相非线性负载组成。三相非线性负载为带R负载的二极管桥式整流器。由这种非线性负载所引出的线路电流包含大量的谐波。为了降低电流谐波，控制无功潮流，电流不平衡，提出了并联型有源电力滤波器。有源补偿或有源滤波器可以根据估计的参考电流信号同时解决谐波和无功问题。采用基于希尔伯特变换的pq理论。 |
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| 希尔伯特变换的传递函数是 |
| H(s) = (1-Ts)/ (1+Ts) |
| 其中T = 1/ω ω是基本功率频率，单位为弧度/秒。利用该技术，从瞬时测得的vgr估计出vgi。因此，在时域卷积方面， |
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| 利用p-q理论，可将电网瞬时有功和无功潮流平衡方程写成，通过对矩阵求逆，可求解igr和igi。实际电网电流参考ig*可计算如下 |
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| 如果在PCC端应用基尔霍夫电流定律(KCL)，则通过测量负载电流is找到CCVSI的参考电流，如所给出的 |
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| 在这里，负载电流和源电压被感知为参考电流产生。根据来自源的平均负载功率要求，并联逆变器的电流控制动作已经实现。 |
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四、李雅普诺夫控制器 |
| CCVSI电流参考ic*可以具有任何类型的周期形状(即正弦或非正弦形状)，这取决于负载。为了保证正确的潮流，需要一个快速的电流跟踪控制器。CCVSI的当前跟踪系统可以建模为一阶系统。忽略与开关频率相关的谐波电压，将VSI建模为依赖电压源vinv = Vdc × vc，其中vc为正弦PWM逆变器的控制信号。CCVSI电流集成电路的动力学方程为 |
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| dic / dt = (- r * ic / L) + (Vdc * Vc / L) - (Vg / L) |
| 为了从控制角度分析系统，选择系统的状态为x = ic，控制输入u = vc，扰动输入d =−(1/L)vg，状态函数f(x) =−(R/L)I c，输入函数b(x) = Vdc/L。因此，系统的状态方程可以写成 |
| dx / dt = f (x) + b (x) u + d |
| 然而，所考虑的单脉冲宽度调制(SPWM)逆变器模型是简单的，它没有考虑任何不可预测的非线性周期性扰动dup(这样一个可能的来源是逆变器驱动电路中的消隐时间)。在实际电路中，这些非线性周期性扰动起着重要作用。在实际情况下，扰动项d不仅包括电网电压扰动−(1/L)Vg，还包括如下不可预测的非线性扰动 |
| d=−(Vg/L) +dup |
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| 需要生成控制输入u (t)，使x = ic跟踪参考值xd = ic*。动态跟踪误差可写成e = xd−x。需要找到一个控制输入u(t)，使跟踪误差e(t)渐近收敛于零。针对具体应用，采用李雅普诺夫直接法求出控制输入u(t)。 |
| 李雅普诺夫函数如下 |
| V = 1 * e2/2 |
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五、直流电容器的控制 |
| DSTATCOM通过直流电容器供电。为了实现完美的电流跟踪，必须保持存储在存储电容Cdc中的直流电压(Vdc)。然而，这将是不可能的，除非由于射频的损失以某种方式补充从源的额外功率。为了适应这一点，源提供的实际功率不等于平均负载功率 |
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| 变换器的传递函数为: |
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| 对于逆变器，Rdc值很高 |
| 逆变器的输入电流调节是通过调节占空比来实现的。一般使用的三种基本算法是P、PI和PID。这里在这个项目中使用了PI控制器。PI由两种基本模式组成，即比例模式和积分模式。比例控制器(kp)减少了沉降时间，减少了误差，但没有消除它。积分控制器(ki)具有消除稳态误差的作用。限幅器用于将占空比控制在理想的频段内 |
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7结论 |
| 利用MATLAB/SIMULINK对三相三线制电网接口逆变器进行了仿真。研究了三支腿VSI型并联有源滤波器的闭环响应。利用基于希尔伯特变换的pq理论生成参考电流。源电流中的总谐波失真降低。它补偿了电源与负载之间的无功功率流、电源电流整形、电流不平衡，使功率因数保持在接近统一的水平。 |
参考文献 |
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