有源电力滤波器滑模控制技术研究

- I - 摘 要 电力电子技术的飞速发展，虽然给电能的使用带来了诸多好处，但它也对电能质量造成了严重污染，如波形畸变、电压波动、 三相不平衡、电压闪变等。其中谐波的产生对电网电压、电流造成的危害较大，它会使用电设备所处的环境恶化，对设备的使用寿命带来影响，也会对周围的通信系统带来危害。在此背景下，研制先进的补偿装置对谐波污染严重的电网进行电能质量的有效治理受到越来越多的关注。这其中，有源电力滤波器（ 系统参数、电网负载变化反应灵敏，被公认为是解决电网谐波污染，提高电能质量最有效的手段，现已成为谐波治理技术的研究热点。本文以 谐波治理实现方案，重点讨论滑模变结构控制理论在谐波治理控制技术中的应用。 变结构控制（ 论自 20 世纪 50 年代被提出，已有半个多世纪的发展，现已成为控制领域的一种重要设计方法。由于计算机技术的飞速发展，离散系统滑模变结构控制自 20 世纪 80 年代末成为了滑模变结构控制理论的研究热点，并有大量理论提出。本文将重点研究高为炳提出的离散趋近律方法在 的应用。 在实际 ，系统控制方式为控制电力电子器件的开合时间、状态，来改变电路拓扑结构，使其具有跟踪谐波电压的能力，系统具有不连续性，为天然的离散变结构控制系统。 本文将结合离散滑模变结构控制理论的研究现状， 对其在 的应用进行重点分析。本文的研究内容概括如下： （ 1）首先，分析 电路拓扑和系统组成； （ 2）对谐波源的设计及检测算法做简要分析； （ 3）重点分析离散滑模变结构控制的研究现状，存在的问题。设计完整的 真模型，提出三种不同的滑模算法，并进行仿真研究； （ 4）在理论上验证设计正确的情况下，实验调试 机，验证三种不同的离散滑模变结构控制算法在 的应用效果； （ 5）结论。 关键词 ：电网谐波；滑模控制算法； 机；趋近律；谐波补偿 - he of to of it as to it of to be on of of In of is is of In on in in of a 950s an of As of 980s, a on in of to as of of on of (1) PF (2) of a (3) on of of a (4) As in PF (5) - 目 录 摘 要 . I. 绪论 . 1波问题概述及 展现状 . 1波危害及治理技术 . 1内外发展现状 . 3谐波抑制技术中的地位及其分类 . 3模变结构理论概述 . 7模变结构理论发展历程 . 7模变结构控制的基本原理 . 7散滑模变结构控制理论存在的问题 . 9散滑模变结构控制的研究现状 . 10文的工作、意义 . 112 并联型 扑结构和系统组成 . 12联型 作原理 . 12联型 学模型 . 13文采用的 扑结构及系统组成 . 14文采用的 扑结构 . 14机系统组成 . 153 测算法与谐波源 . 17测算法简介 . 17模迭代 测算法 . 18散傅立叶变换（ . 18窗迭代 法 . 19于 滑窗迭代算法仿真 . 21波源仿真 . 22于 谐波电源介绍 . 244 三种改进的离散滑模变结构控制算法 . 26模变结构控制率 . 26统变结构控制率设计思路 . 26 - 数趋近律控制设计思路 . 29数趋近律到达条件 . 30推积分 制与传统变结构控制的复合控制 . 31推积分 法 . 32合算法滑模控制器设计 . 33法仿真 . 33合趋近律的离散滑模控制 . 36速趋近律 . 36合趋近律滑模控制器设计 . 37法仿真 . 38适应离散滑模控制 . 39散指数趋近律控制的抖振分析 . 39适应滑模控制器设计 . 40法仿真 . 41结 . 425 机研制与系统调试 . 44D 采样硬件电路设计 . 44步采样均匀细分电路 . 44流信号调理电路 . 45于 控制算法平台设计 . 47台设计 . 47件设计 . 48动电路设计 . 50相全桥电路 . 50试 . 51度波形 . 51种不同滑模控制算法的补偿效果 . 53统样机描述 . 546 结论 . 56作 者 简 历 . 60学位论文原创性声明 . 61学位论文数据集 . 62 1 1 绪论 本论文结合导师的辽宁省教育厅创新团队 基金项目“矿用电能质量调节器的研制” （项目编号： 2008内编号： 08，对课题中 制算法进行详细分析。针对课题中谐波补偿控制算法单一、补偿效果较差的问题，深入研究了滑模变结构控制方法在 制中的应用可行性。 结合实际应用中滑模变结构控制固有的缺点和实际 统对滑模控制性能的要求，给出了本文的主要研究内容，包括递推积分 离散滑模控制、组合趋近律的离散滑模控制、自适应离散滑模控制在 的应用研究。 本章主要介绍滑模变结构的发展历程、基本原理，离散滑模变结构控制存在的问题及研究现状；谐波的危害及治理方法， 谐波抑制技术中的地位，国内外发展现状及其分类。 波问题概述及 展现状 波危害及治理技术 谐波对电力系统产生的危害主要有以下几方面1 （ 1）由于谐波的存在，发电、输电及用电环节都会 产生附加的功率损耗，使各环节效率降低。 （ 2）谐波会引起电力网中无功补偿电容器、电抗器 发生串联或并联谐振，使谐波电流大大增加，严重时会烧毁电容器及电抗器，引起事故。 （ 3）谐波会使电子测量仪器的计量出现问题，影响 严重时，会导致继电保护和自动控制装置误动作。 （ 4）谐波的存在会对附近的通信信号产生干扰，不 严重时，降低通信质量；谐波较多时，可能导致信号丢失，通信失败。 （ 5）电力网中的谐波还会对电网上的各种电气设备造成影响，轻时使设备寿命缩短，严重时损坏设备。 谐波治理措施总结如下图： 2 谐波治理受端治理 被动治理 主动治理提高受端设备抗谐波干扰能力外加滤波器，阻止谐波注入电网从谐波源出发，使其不产生谐波传统无源滤波器波治理技术 图所示，按治理谐波部位分，治理方法可分为：受端治理，被动治理，主动治理。 受端治理，即提高用电设备的抗干扰能力，这与设备制造工艺有关； 被动治理，外部注入谐波来阻止电网谐波变化。目前主要有三种方式5 （ 1）利用电感、电容元件谐振特性的传统无源滤波器 在电网上并联无源滤波器组。 其成本低、技术成熟，使用十分广泛。 （ 2）静止无功补偿装置。静止无功补偿装置 现在广泛应用于电力系统，它主要用来对无功功率进行动态补偿，提高功率因数。它包括晶闸管控制电抗器（ 、晶闸管投切电容器（ 及这两者的混合装置（ 、晶闸管控制电抗器与固定电容器（ 。 80 年代以来，出现了比 加先进的静止无功发生器（ ，和 要大容量的电抗器、 电容器等储能元件不同， 在直流侧需要小容量的电容器维持电压，通过控制 可以发出无功功率，呈容性，也可以吸收无功功率，呈感性。静止无功补偿装置主要补偿电力系统中的无功功率，功能较单一。 （ 3）在电网上串联或并联或混合联上电力有 源滤波器，该种方式的特点是先检测出负载产生的谐波电流或者谐波电压，再利用电力电子器件产生与该电流成一定比例的谐波电流或谐波电压抵消负载产生的谐波电流或者谐波电压的影响，使得流入电网的谐波电流 3 达到最小。 主动治理，即对谐波源进行改造，降低其产生的谐波含量。主动式谐波治理技术的应用对象包括工业电网大功率负载，比如：多脉整流、准多脉整流技术以及多重化变流技术等；也包括民用低压小功率负载，主要指各种 制技术，如 。 内外发展现状 20 世纪 80 年代，随着 大功率开关器件的出现，各种检测、控制理论的提出以及高性能数字信号处理器的出现， 始进入实用阶段。日本、美国等发达国家先后将 用在工业和民用设备上，技术已比较成熟。在日本， 经开始了普及应用阶段8目前，许多国家已将有源电力滤 波器作为改善电能质量的一项关键技术和措施。 我国的 展始于 90 年代中期，许多研究机构对 行了应用研究，但由于我国电子工业和发达国家相比还有一定的差距，国内的有源电力滤波器技术大多处在实验室阶段12 20 世纪初，国内的低压 场出现了一些商业化产品，但基本上都为纯有源的拓扑，应用对象都是中低容量的电力系统。 随着非线线负载及电力电子器件的广泛使用，工业电力系统的谐波污染会日益严重，研究大功率 置对于提高工业经济效益，减少电能损耗，确保工业用电安全稳定都有很大意义。 谐波抑制技术中的地位及其分类 有源电力滤波器（ 治理电力系统谐波、改善电能质量的有效措施。与无源滤波器相比较，有源电力滤波器的优点主要表现在17 （ 1）它能对频率和大小都变化的谐波以及变化的无 功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应； （ 2）可以同时对谐波和无功功率进行补偿，且补偿的大小可以做到连续调节； （ 3）补偿无功功率和谐波所需的贮能元件容量不大； （ 4）即使补偿对象电流过大， 不会发生过载，并能正常发挥补偿作用； （ 5） 电网阻抗的影响不大，不容易和电网发生谐振； （ 6）能够跟踪电网频率的变化，补偿性能不受电网频率变化的波动的影响； （ 7） 可以对一个谐波和无功源单独补偿， 也可以对多个谐波和无功源进行集中补偿等。 4 经过近 10 多年的研究，有源滤波器的主电路发展出多种拓扑形式。按 电网的连接方式可以分为并联型 0串联型 4混合型 6 称为 类。其接入电网示意图如下所示： 图 联型有源滤波器结构 联型有源滤波器结构 扑结构示意图如下所示： （ 1）并联型 扑 5 联型 扑结构 PF 联型 当于一个任意波形发生器，它以检测到的谐波电流为跟踪信号，经高速处理器处理后，产生特定的开关脉冲，使逆变器输出与检测谐波大小相等、方向相反的谐波电流，实时抵消电网中的谐波电流。通过软件编程，可以实现不同的控制作用，对谐波、无功、三相不平衡分量进行补偿等，功能多且实现灵活。但该拓扑结构一般只适合补偿谐波电流。 （ 2）串联型 扑 联型 扑结构 PF 6 串联型 两种基本的控制方式，一种是谐波电压控制谐波电压源（ ，另一种是谐波电流控制谐波电压源（ 。 串联型 原理是通过调节网侧谐波阻抗来抑制谐波， 可有效防止电网系统阻抗与负载阻抗之间可能发生的谐振，提高电网的稳定性。与并联型 同，串联型 用于补偿谐波电压。 （ 3）混合型 扑 种混合型 扑结构 PF 合型 多种拓扑结构，上图所示这个拓扑中， 量很小，大部分谐波被除。 混合型 多种拓扑结构， 都是纯有源滤波器与 合而成。 即串联混合型 联混合型 串并联混合型 扑。 （ 4）统一电能质量调节器29图 一电能质量调节器结构图 串联型 并联型 合在一起使用，即构成统一电能质量调节器。该系统中，串联型 节电压波动，并联型 制谐波电流和无功功率，理论上，系统可以得到优质电能，但其控制复杂、设备昂贵，制约了其应用。 7 模变结构理论概述 模变结构理论发展历程 变结构控制在实际工程中逐渐得到推广应用，如电机与电力系统控制、机器人控制、飞机控制、卫星姿态控制等。自 20 世纪 50 年代提出后，大致经过了三个发展阶段30 20 世纪 50 年代，前苏联的学者 变结构控制的基本思想做了一些阐述，主要讨论了变结构控制方法在二阶线性系统中应用的可行性。 20 世纪 60 年代，此阶段的学者在二阶系统的基础上，开始讨论变结构控制在高阶线性系统中的应用。但所讨论的对象只是单输入、单输出系统。 20 世纪 70 年代以后， 出了滑模变结构控制 方法， 学者们研究发现，该控制方法应用在线性系统中，对摄动和干扰具有不变性，即有很好的鲁棒性。这项研究成果提升了各国学者对滑模变结构控制的研究兴趣。研究对象也由单输入、单输出系统转换到多输入、多输出系统。此阶段，学者们对滑模变结构控制所产生的抖振进行了较深入的分析，并给出了一些抑制抖振的解决方法。 由于计算机技术的飞速发展，在实际设计系统时，由计算机控制的实时系统都是离散的，滑模变结构控制不能产生理想的连续滑动模态，被控量只能在切换面领域里，不断穿越或抖动。中国学者高为炳将这类运 动形式称为离散滑模变结构控制（ 准滑动模态。 20 世纪 80 年代以来，滑模变结构控制在离散时间系统中的应用研究受到越来越多的重视。例如， 于 1987 年提出了一种新型离散滑模到达条件，并在些基础上提出了离散控制信号必须是有界的理论； 1990 年提出了基于等效控制的离散滑模变结构控制；高为炳于 1995 年提出了基于趋近律的离散滑模变结构控制34。 模变结构控制的基本原理 滑模变结构控制与其它控制方法的不同在于系统的“结构”不固定， 每个“结构”都使系统的参数或结构不同，但各“结构” 都是固定的。由于控制量不连续，而是可以在动态过程中根据当前状态不断变化， 迫使系统按在一定特性下按给定的 “滑模面” 运动 ,因此，采用离散滑模变结构控制的系统对模型不确定性和外部干扰具有较强的鲁棒性35。 在滑模变结构控制中，一般初始状态无重要意义，终止状态有特殊含义。在到达条件约束下，运动都会由初始状态在有限时间内被“吸引”到切换带。终止状态指 0=s 上的所有运动点，运动轨线最终都会在 0=s 两侧的切换带内。此切换带一般称为“滑模”区，系统在其中的运动就叫做“滑模运动” 。 8 滑模变结构研究的主要问题如下： 对于任一控制系统 =,),( （ 设计恰当的切换函数 ),( （ 求解控制律函数 =+0)()(0)()(（ 式中， )( )(别为系统的两种控制“结构” ，期望的控制效果为： （ 1）存在恰当的切换函数使式（ 立； （ 2）满足李亚普诺夫到达条件，运动在有限步内到达切换面； （ 3）系统稳定。 为说明滑模变结构控制的基本原理，设有一 =.（ 式中， b 为已知系数，是系统状态变量。 根据运动必须趋近切换函数这一要求，控制律函数式（ 满足如下条件： 0)(+0)( 定义切换函数 )(： += 112211.)( （ 变结构控制中的滑动超平面 )(的常数121,.,满足条件：0.+特征根均具有实部。 令切换函数 0)( =得到： 112211.= （ 式（ 状态方程可改写为： 9 11221113221.= 对比式（ 、式（ 以看出，系统以滑模动模态运行时，其动态特性不受系统参数的影响。 在控制律式（ 3）的作用下，系统由初始状态第一次穿越切换面 0)( =，当 0)( )()( ；在到达条件式（ 作用下，系统状态将在有限时间内穿越切换面，进入 0)( 即形成了滑动运动。以二阶系统为例，其系统滑模运动状态轨迹示意图如下： 0)(2211=+= ， 0q 分别表示采样周期、趋近速度、趋 近速度指数。在李亚普诺夫到达条件 )21(02 、 0q 的约束下，离散滑模变结构系统有如下几点结论： （ 1）运动轨线单调的趋向切换面； （ 2）运动在有限时间内到达或穿越切换面； （ 3）运动穿过切换面后， 后继步再次穿越切换面的时间与 当 时间内就可能穿越。又如， T 的大小也会影响运动轨线趋近切换面的趋近速度 和切换带厚度 ， T 越小， =+)()1(0)(就越小； （ 4）运动不会只趋近不穿越； （ 5）运动不会从初始状态开始每一步都穿越切换面； （ 6）运动开始穿越切换面过程后，每一步的长度不会递增。 文的工作、意义 对大功率 置的研究对受谐波污染严重的工业电网有很大的意义。在实际 统控制方式为控制电力电子器件的开合时间、状态，来改变电路拓扑结构，使其具有跟踪谐波电压的能力，系统具有不连续 性，为天然的离散变结构控制系统。 因此本文将研究离散滑模变结构控制在 的应用。 作为先进的控制技术，采用离散滑模变结构控制的系统对模型不确定性和外部干扰具有较强的鲁棒性。但该控制方案固有的抖振问题会增加 统的开关毛刺，系统中开关器件的使用寿命。 本文将针对实际应用中滑模变结构 控制固有的抖振问题和实际 统对滑模控制性能的要求，提出以下三种改进的滑模控制算法：基于递推积分 离散滑模控制、基于组合趋近律的离散滑模控制、自适应离散滑模控制。 12 2 并联型 扑结构和系统组成 在各类有源电力滤波器的拓扑结构中，并联型 能多、实现灵活，能有效补偿谐波电流，受到越来越多的重视。本文将在完整 机基础上，研究滑模变结构控制在变器控制策略上的有效性。 联型 作原理 ci+联型 理图 PF 中， 电网电流，负载电流，补偿谐波电流，*检测谐波电流。 工作时补偿谐波电流零，电网电流于负载电流包含了非线性负载产生的大量谐波电流，即 = （ 式中，电网电流基波成分，谐波成分。 并联型 行谐波补偿的基本工作原理就是控制逆变器，输出与小相等，相位相反的电流，即 （ 注入电网后，最终使得电网电流只含有基波分量，即 （ 统主要包括检测、控制两部分，检测部分利用合适的算法检测谐波电流*并作为 流控制的给定信号， 控制部分对检测谐波电流*补偿谐波电流算法处理， 13 产生逆变器的控制脉冲，使逆变器输出电流踪检测电流*并联型 当于一个逆变器构成的任意次谐波电流发生装置，当*也含有无功电流时， 出电流中也有无功电流分量，即并联型 能补偿谐波电流也能补偿无功电流。 联型 学模型 联型 统结构图 PF 中：三相电源电压；电网电流；负载电流；带初始电压的电容 C 起缓冲作用。 定义： ）（，通上桥臂关断，下桥臂导断上桥臂导通，下桥臂关,0,1=（ 在三相对称电路中，选取三相电源电压中点为零参考电压。由基尔霍夫定律可得： +=+=+= 式中，交流侧电感= ，直流侧电压。 设模型理想，则 0=+ 0=+由上式可以得到： 14 =031（ 该式带入上式，可以得到并联型 用开关函数描述的数学模型表达式： =1()31()31(,（ 上式离散化，可以得到 统的离散数学模型： =+=+=+)()()()1()()()()1()()()()1( 式中： T 为采样周期，且 )()()( +=+=3/)(2)()()()(3/)()(2)()()(3/)()()(2)()( 由系统的离散数学模型可以看出， 出电流波形 ),( 仅与开关模式),( 有关。 文采用的 扑结构及系统组成 文采用的 扑结构 本文利用实验室 机、独立谐波源作为实验条件。其中补偿电网的电压等级降为110V。谐波电源为数字型谐波电压源，设计容量为 带一定的负载，当负载为阻性时，回路中将产生与电压波形同频率同相的谐波电流，因此通过程序设计可改变电压波形来改变回路中的电流波形。比如，可设置基波 50流电压上叠加 5 次、 7 次、 11次谐波。 由于系统容量较低，并且电压等级也不高，因此，图中的 分采用电感直接注入方式。本文 扑结构简图如下所示： 15 扑结构 PF 机系统组成 本文所采用的 统的特点在于设计了完全独立的谐波电源， 带阻性负载时在回路中产生谐波电流，并且可以通过谐波监控设备来在线检测谐波的参数和补偿的效果。整体系统如图所示。 图 统图 PF 统可分为三大部分：谐波电源、谐波监控、 偿系统。 过三相霍尔传感器检测谐波电流，谐波电流信号经过 相信号 理采集， 统读取集的三相电流信号，经过软件 窗迭代算法提取谐波指令