谐波抑制及无功补偿装置探讨

【摘 要】随着电网负荷的日益增大以及负荷类型的不断增多，进行电网的无功补偿变得必要而紧迫。实现电网无功功率因数的高效补偿以及谐波抑制能够极大的提高电能质量，实现节能降耗。随着科学技术的发展，一些新的谐波抑制技术和无功补偿装置相继问世，本文结合当前的控制检测方法，对有源电力滤波器和静止无功发生器等装置的控制系统进行了研究，并对其未来的发展进行了合理预测。

【关键词】谐波抑制；无功补偿装置；控制检测

引言

随着高压大功率电力半导体器件的发展，电力系统中出现了越来越多的非线性负荷，它们在提高输电能力和节能降耗上有着突出贡献，但同时也给电网带来了严重的谐波污染。因此，进行电网谐波污染的消除以及提高其功率因数变得十分有必要，这也成为当下众多学者研究的热点课题。有源电力滤波器（APF）、静止无功发生器（SVG）就是在这样的形势下诞生的；它们作为新的无功补偿装置，性能十分优越；尽管两者的名字不同，功能也存在差异，但两者的工作原理基本相同。本文对这两种装置的控制系统进行研究。

1 稳定控制器

在上述两种装置的控制系统中，起着重要作用的器件之一是稳定控制器，它对于整个系统的动静态性能而言起着决定性的作用。在传统的无功补偿装置中，一般是采用线性控制器，在实现惯性环节时采用的是触发以及动态补偿回路，从而实现线性化的模型；随后依据具体的性能要求采用闭环调节器进行补偿，图1给出了双闭环控制方法示意图。

图1 双闭环控制方法示意图

实际上，动态抑制补偿装置具有较强的非线性特性，同时，电力系统也具有很强的非线性。进行非线性特性的线性化时采用最优控制也只能实现某一状态下的良好控制；当电网的结构或者是工作状态发生变化时，控制效果并不理想。随着非线性控制理论的发展，采用非线性理论控制装置逐渐实现。智能控制法以及逆系统方法就是在这种形势下诞生的。其中，前一种方法是控制理论发展的产物，它不需要精确地建模，在控制过程中对系统特征进行了解，实现自动化的控制；这种方法应用于不确定性、非线性以及复杂的系统中十分适宜。如：神经元网络、模糊控制、变结构控制等等[1]；将它们应用于SVG、APF中十分适宜，但是由于当前的动态补偿装置很少，使用经验不足。逆系统方法采用的是反馈线性化的方法，它通过非线性反馈或者是动态补偿的方式进行系统的伪线性化；随后采用线性理论进行系统控制。图2给出了其结构图。使用这种方法时，工作点不会对设计控制规律造成影响，并且能够保证足够的稳定。相比于微分几何非线性控制，这种控制方法更加简单，具有更好的实用性，并且不需要具备先验知识；实际的控制输入信号是期望输出，人机对话十分方便。所以，这种方法引起了人们极大的兴趣。

图2 伪线性系统结构

2 检测理论

通常情况下，在进行谐波抑制和无功补偿时，首先应该把握补偿量的大小，以实现准确补偿。在动态补偿系统中，为了实现良好的补偿效果，需要知道动态的补偿量。所以，需要实时检测谐波以及无功。据此，当前采用的检测理论为瞬时无功功率理论，也即：p-q理论[2]。它突破了过去以平均值为依据的功率定义，引入了瞬时无功功率和瞬时有功功率的概念[3]。以此为基础，可以得到需要的实时检测方法，这对于谐波以及无功补偿装置的发展来说，起到了改革性的作用。p-q理论在三相三线制系统中得到了成功的应用，实践证明其补偿效果良好。但是，该理论没有对零序瞬时功率进行定义，因此它是不遵守守恒律的。对此，有人在此基础上提出了改进方法，即：P-q-r法；这种方法基于坐标系，将电压和电流由空间坐标系变换到P-q-r坐标系中，其基准为电压。这种方法大大简化了电流的计算。不同于其他理论，这种方法对零序瞬时功率进行了定义，并提出了一种新的消除中线电流的方法。当负载发生变化时，这种方法可以有效抑制谐波和无功。但是，值得注意的是，P-q-r法将零序瞬时功率看成是有功功率，无法完全将相电流中的谐波消除掉。

总体而言，不管是何种理论，都存在复杂的计算，需要耗费大量时间。如果能够换一种角度思考，从补偿的结果出发，可以产生一种新的检测思想。我们之所以需要进行无功补偿，目的是为了实现基波正弦电流和电压；对此，可以由电网电压的相位得到指令信号的相位，指令信号的幅值可以由相应的闭环控制器得到。这样一来，可以避免繁琐的计算，提高了实时性。单周控制即是在这种形势下诞生的一种方法。它是一种非线性控制方法，控制思路是：由于逆变器具有固定的开断频率，对其开关占空比进行控制，保证在一个周期内开关量平均值等于控制的参考信号或者是与之成一定比例，最终实现误差的消除。这种方法避免了繁琐的电流计算，结构简单，具有较快的响应速度和较好的鲁棒性。

3 底层触发控制

在进行电力电子装置的谐波抑制以及无功补偿时，好的底层触发控制能够减小装置产生的谐波；对控制系统进行简化，从而保护了开关器件。当前，出现有各种各样的触发控制方法。最早出现的是移相触发，当前使用最多的是正弦脉宽调制（SPWM）。就后者而言，又演变出多种针对性强的触发方式，如：指定谐波消去脉宽调制（SHEPWM），空间矢量脉宽调制（SVPWM），滞环PWM以及单周控制PWM[3]。在基于电力电子变换的SVG以及SVC中，其无功补偿的原理都是将电流注入到电网中，实现谐波和无功的补偿。就当前而言，在工程应用上比较成功的是：滞环PWM瞬时值比较法和SVPWM三角波比较法。单周控制依然处于研究阶段。在大功率的SVG中，由于电流电压的等级高，而电力电子器件的频率较低，所以在实际中还无法实现。相位控制法依然是当前使用较多的方法，它依据的是电路的多重化性能。另外，微处理器的发展使得相应的控制系统由模拟系统转向数字系统，系统的精度和可靠性都会更上一层楼。

4 结束语

近年来，在电网谐波抑制和无功补偿装置的研究领域，各种新的控制检测技术层出不穷；很多实用的方法在APF、SVG等装置中得到了较好的应用。就装置稳定控制而言，一些非线性的控制策略表现出了优越的性能，具有良好的发展前景。就信号检测而言，其理论将会朝着瞬时无功理论的方向发展；工程计算将会被摒弃，实现直接检测。

参考文献：

[1]唐杰，罗安，范瑞祥，等.无功补偿和混合滤波综合补偿系统及其应用[J].中国电机工程学报，2007（1）.

[2]马文川，谭光慧，王树文.等.新型高压动态无功补偿装置的研究[J].中同电机工程学报，2008（9）.

[3]许明.中压系统无功补偿装置元件参数的选择[J].电网技术，2006 （30）.