（电力系统及其自动化专业论文）有源全补偿消弧控制h∞控制算法的研究.pdf

华北电力大学硕上学位论文 摘要 本文通过分析日控制理论和消弧线圈发展现状，提出了一种基于以灵敏度控 制技术的新型的有源全补偿消弧控制方案，论述了新型消弧线圈的结构和工作原 理，并对消弧控制进行了分析和研究。 在分析基于以控制的并联型a p f 系统的基础上，着重分析全补偿消弧系统的 应用特点，实现了基于以控制理论的全补偿消弧系统控制设计新方法。利用风控 制混合灵敏度理论设计不依赖于对象模型的鲁棒控制器，实现对补偿电流的动态跟 踪和优化控制，进而在满足控制要求基础上对所设计控制器进行降阶处理，以便于 工程实践。并通过m a t l a b 仿真分析，验证所提方法的正确性。为有源全补偿消弧 的以控制新方法的实现提供了充足的理论支持。 关键词：以控制，消弧线圈，有源全补偿，鲁棒控制器，降阶 a b s t r a c t b ya n a l y z i n gt h eh 。c o n t r o lt h e o r ya n dt h ew e a k n e s so fe x i s t i n ga r cs u p p r e s s i o n c o i l s ( a s c ) ，an e wt y p eo fa c t i v e & f u l lc o m p e n s a t i o na r cs u p p r e s s i o np r o g r a m m e b a s e do n as e n s i t i v i t yh 。c o n t r o lt e c h n o l o g yi sp r o p o s e d d i s c u s st h es t r u c t u r ea n d w o r k i n gp r i n c i p l e o ft h en e wt y p eo fa s c ，a n da n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nt h e a r c s u p p r e s s i o nc o n t r 0 1 b a s e do nt h ea n a l y s i so fh 。c o n t r o la p p l y i n go nt h ep a r a l l e l - c o n t r o ls y s t e mo f a p f , w ef o c u so na n a l y z i n gt h ea p p l i c a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea c t i v e & f u l l c o m p e n s a t i o na r cs u p p r e s s i o nc o i l s ，a n dr e a l i z ed e s i g n i n go ft h en e wc o n t r o ls y s t e m b a s e do n h 。c o n t r o lt h e o r y u s i n gm i x e ds e n s i t i v i t yh 。c o n t r o lt h e o r yt od e s i g n r o b u s tc o n t r o l l e rt h a td o e sn o td e p e n do no b j e c t i v em o d e l ，s oa c h i e v eo fc o m p e n s a t i o n c u r r e n td y n a m i ct r a c k i n ga n do p t i m i z a t i o no fc o n t r o l ，a n dt h e np r o c e e dt om e e tt h e c o n t r o lr e q u i r e m e n t so nt h eb a s i so ft h ed e s i g no ft h ec o n t r o l l e rr e d u c e do r d e r p r o c e s s i n g ，i nf a v o ro fe n g i n e e r i n gp r a c t i c e m a t l a bs i m u l a t i o na n da n a l y s i st h r o u g h v e r i f i e dt h ec o r r e c t n e s so ft h em e t h o d o f f e rs u f f i c i e n tt h e o r e t i cs u p p o r tf o rt h ea p p l y i n g o fa c t i v e f u l lc o m p e n s a t i o na r cs u p p r e s s i o n k e yw o r d s ：hc o n t r o lt h e o r y ，a s c ，a c t i v e & f u l l c o m p e n s a t i o n ，r o b u s t c o n t r o l l e r ，r e d u c eo r d e r 声明尸州 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文有源全补偿消弧控制巩控制 算法的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：丝垄日期：煎星五。丝 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：避 日 期：篮佥显：i ，1 2 导师签名： 华北电力人学硕：i j 学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着配电网的迅速发展，电缆长度大量增加，系统的接地电容电流越来越大， 达到很大的量值，有的系统接地电容电流甚至超过3 0 0 a ，同时，由于电力电子技术 的广泛应用，故障电流中的谐波分量造成的危害也是不容忽视的。因此，消除系统 接地电流中的谐波分量，实现真正意义上的全补偿，提高电网的供电可靠性，对系 统的安全、稳定运行具有重要的意义。而基于单相直交逆变技术的新型消弧线圈一 主从式全补偿消弧线圈，具有响应速度快，补偿精度高，补偿范围广，无谐波污染 的优点。这种新型的消弧线圈是非常符合电力系统发展的实际需要的。 如何保证消弧线圈补偿的可靠性是一个非常重要的课题，它的关键则在于寻求 一种不依赖于精确模型的鲁棒性好的控制方法。日。控制理论作为二十世纪8 0 年代 以来，控制理论发展的重要成就之一，是目前解决鲁棒控制问题比较成功且比较完 善的理论体系，其主要的优点在于具有使干扰影响达到最小的能力，并能对模型的 不确定性具有较强的鲁棒性，业已成为近二十年来自动控制理论及工程应用研究的 最热门课题之一。【l 】 本文研究的目的就是借助以控制理论，重点解决由于有源全补偿方式所带来 的各种控制问题，寻求基于巩灵敏度技术的接地电流跟踪补偿的控制新方法；优 化原有消弧线圈补偿方式，以最大程度的发挥这种接地方式的优点。 1 2 国内外的研究现状 1 2 1 也控制理论在电力系统的研究现状 1 9 8 1 年，加拿大学者z a m e s 提出了著名的h 。控制思想。z a m e s 考虑如下一个 单输入单输出系统的设计问题：对于属于一个有限能量的信号集的干扰信号，设计 一个控制器使得闭坏系统稳定且干扰对系统期望输出影响最小。由于传递函数的 以范数可描述有限输入能量到输出能量的最大增益，因此用表示上述影响的传递 麟数的巩范数作为目标函数对系统进行优化设计，就可使具有有限功率谱的干扰 对系统期望输出的影响小。可以看出以巩范数作性能指标还具有如下优点：( 1 ) 可 以处理在有界干扰下系统的控制问题；( 2 ) 风范数具有乘法性质l i p o l l ，l i p i i ，i i o l l ， 这一性质使其便于研究对象具有不确定性时的鲁棒稳定问题。 日。鲁棒控制理论可以弥补传统控制理论的实践应用缺陷。它在设计过程中考 虑控制模型所具有的不确定性，以从系统扰动输入到系统输出的传递函数的h ，范 华北电力大学硕十学位论文 数作为目标函数对系统进行优化设计，从而使扰动对系统输出的影响最小。巩鲁 棒控制理论已在很多领域得到广泛应用。例如，永磁自线电机的控制瞳3 ，卫星姿态 控制，感应电机速度控制和永磁同步电机无传感器控制口1 等。电力系统及电力电子 控制领域也得到了广泛应用，如文献 4 利用混合灵敏度方法设计了汽轮发电机组 的鲁棒以扭振滤波器；文献 5 利用直接反馈线性化和风控制理论设计了多机系 统t c s c 多目标风控制器；文献 6 将巩干扰抑制技术、反馈线性化和滑模变结 构控制相结合设计了矾滑模鲁棒励磁控制器；文献 7 利用以控制理论的干扰抑 制方法提出了同步发电机调速系统附加玩鲁棒分散控制策略；文献 8 利用混合灵 敏度方法设计了也电力系统稳定器。 将巩控制理论应用于有源全补偿方式的消弧线圈控制在国内外还鲜有报道， 但针对接地故障的复杂性和随机性，以及有源全补偿方式实现模型的不确定性，日。 控制理论势必是一个恰当的对接地电流补偿的控制方式，也具有非常重要的理论意 义。0 1 1 2 2 国内外消弧线圈的研究现状 中性点经消弧线圈接地的方式在国内外都有成功运行的经验。近几年来随着微 电子技术的长足发展，各种形式的自动跟踪补偿消弧系统相继出现，大大克服了传 统消弧线圈的缺点，无论从补偿效果还是过电压水平来说，都得到了改进。国内已 有越来越多的单位使用消弧线圈，并取得了相当多的运行经验。 目前国内使用最多的是自动调匝式消弧线圈，但由于存在各档位电感值相差过 大，响应速度慢等缺点，消弧效果较差。其后国内先后开发出多种消弧线圈，意在 提高其调谐精度，提高响应速度，主要有气隙可调式、自动调匝式、直流偏磁式、 二次侧调容式等。这些消弧线圈虽然在某些方面作了改进提高，但同时也并存着一 定的问题，如容量上的局限、结构的复杂程度谐波和成本等问题，致使消弧线圈的 熄弧能力依然有限。其具体的特点和局限性介绍如下： 气隙可调原理是通过连续改变磁路中的气隙长度来实现电感的连续可调，这种 调节方式要求采用精密的机械传动机构，因而响应速度慢，噪声大，易产生机械动 作失灵，一般又需加装限压电阻，所以现场使用较少，坦1 。 自动调匝式消弧线圈：装置的接地变压器采用曲折型结构，其消弧线圈采用1 4 档有载开关的调匝式电抗器，配以专用接地变压器和以8 0 9 8 为核心的微机控制器， 可实时监测电力系统接地电容电流。当其发生变化时，自动调节电抗器的分接头， 使残流限制在允许范围内。为了实现全工况工作( 既可工作于欠补偿，全补偿，过 补偿三种状态) ，其消弧线圈串联了一个电阻于接地回路，抑制电网的中性点位移 电压，把过电压水平限制在允许值( 2 6 倍相电压) 以下。其不足主要是消弧线圈调 谐精度不够，故消弧线圈不能始终运行予最他补偿状念= 。 华北电力人学硕士学位论文 直流偏磁式消弧线圈：直流偏磁式消弧线圈的基本工作原理是利用附加直流励 磁磁化铁芯，改变铁芯的磁导率，实现电感量的连续变化。这种消弧线圈的优点： 无传动装置，属静止调节方式；响应速度较快；调节范围较宽，交流等值电感线性 度较好。缺点是：需要附加电源，设计、制造技术复杂，造价成本高；需要直流励 磁，控制复杂，长时间励磁还会使铁芯过热。1 9 9 7 年1 月在国内首次投运，不过， 因受电容电流跟踪方法的限制，同类消弧线圈运行尚存在困难，这种形式的消弧线 圈并没有得到发展n 5 1 。 二次侧调容式消弧线圈需装设二次绕组，并在二次绕组上并联不同容量的电容 器组，采用晶闸管开关投切电容器以达到调节补偿电流的目的。系统正常运行时消 弧线圈远离谐振点，发生单相接地故障时调谐至谐振点。这种消弧线圈的局限性显 而易见，装设二次绕组，增加了消弧线圈的复杂度；二次侧并联电容，增加了额外 的投资，而且由于电容经常运行在谐振状态，又极容易损坏n 6 1 。 因此，目前国内外的消弧线圈，包括一些新型的基于晶闸管控制的自动调谐消 弧线圈n7 。：晶闸管自动投切电阻式、高漏抗变压器式以及晶闸管投切电容式。通过 使用晶闸管可以达到微秒级的响应速度。但总的来说，从原理上还是通过不同的调 节方式，尽可能地补偿工频下的电网接地电容电流，使残流限制在一个允许的范围 内。然而，在实际应用中，既便是消弧线圈工作在理想调谐下，接地电流中仍然存 在由于系统中非线性元件而产生的电流谐波分量。尤其随着配电网接地电流的不断 增大，这部分未补偿部分的含量有时甚至达到整个接地电流的1 0 ，这将严重威 胁配电网的安全可靠运行。 1 3 研究的必要性及意义 补偿电网的中性点装设消弧线圈，主要是为了自动消除电网的瞬间单相接地故 障。其作用的原理有二：一是消弧线圈的电感电流补偿了电网的接地电容电流，限 制了接地故障电流的破坏作用，使残余电流的接地电弧易于熄灭；二是当残流过零 熄弧后，又能降低故障相恢复电压的初速度及其幅值，避免接地电弧的重燃并使之 彻底熄灭。由于接地故障电流的减小，有力的限制了接地电流和电弧的电动力、热 效应和空气游离等的破坏作用，防止或减小了在故障点形成残留性故障的概率饽， 使故障点介质绝缘的恢复强度很容易地超过故障相电压的恢复初速度，如此，接地 电弧得以彻底熄灭，谐振接地电网便在瞬间恢复了正常运行。 此外，消弧线圈多年的运行实践表明，绝大多数( 超过9 0 ) 单相接地故障为弧 光接地和高阻接地，这使得单相接地故障时的中性点电压( 即消弧线圈上实际承受 的电压) 并不是系统额定相电握。实际运行中，1 0 k v 电网中，中性点电压低于2 0 0 0 v 的单相高阻接地人有记录。冈此，在消弧线圈伏安特性非线性的状况下，消弧线圈 华北电力大学硕上学位论文 是以额定电压下补偿电流相等或相近于此时的零序电容电流来进行补偿的，则使实 际接地残流补偿受消弧线圈伏安特性的影响很大，并不能保证对接地零序电流的精 确补偿，这就必然导致补偿后的接地残流中存在残余无功及谐波分量。接地电流不 能完全补偿的直接后果是：威胁系统的绝缘安全，存在使事故扩大的可能，给系统 带来严重危害。 可见，为了消除系统接地电流中的有功和高频谐波分量，实现真正意义上的全 补偿，提高电网的供电可靠性，就要求研究接地故障电流的全补偿技术，补偿包括 谐波电流在内的残余电流。快速、准确的补偿特性是消弧控制的重要研究内容。在 配电网规模不断扩大的今天，对系统接地电流进行真正意义上的完全补偿，提高对 配电网的保护控制效果，意义深远。 目前，欧美发达国家在电力电子技术在电力系统中的应用控制领域，技术上处 于领先地位。我国的高等院校、科研院所也开展了大量的相关工作，取得了一定的 成绩。为加强电力生产的控制保护，提高控制技术，加强系统的安全性、稳定性和 经济性，要求我们应积极吸收和借鉴国外的发展经验和教训，跟上国外先进技术的 发展步伐，加强对新技术的研究与开发，为我国的电网发展提供科学的理论指导， 并为新技术的采用打下坚实的基础，因而目前在我国开展有源全补偿消弧控制技术 的理论研究和实践开发有着明确的现实意义。 同时谐振接地系统接地故障发生的复杂性和随机性，为采用逆变器式的有源消 弧线圈的实际控制应用带来诸多难处。传统的控制理论和方法如经典控制理论、现 代控制理论等，都是建立在对控制对象的精确模型或要求对对象模型的不确定性和 外界干扰满足特殊的假定，然而在实际控制应用中，要获取控制对象的精确模型是 非常困难的，即使能够获取，也可能由于过于复杂需要进行简化处理。同时，随应 用中元件的损坏和老化，控制对象特性的变化，都将最终导致控制的失调乃至失效， 使得传统控制理论与工程实践之间出现了较大的差距。目前在s v g 、a p f 、d v r 、u p s 等的电力电子逆变器的应用控制中广泛采用的控制方法有p i d 控制、滞环比较控 制、空间矢量控制、模糊逻辑控制、无差拍控制等引。这些方法有着各自的优缺点， 其中p i d 控制、滞环比较控制技术简捷易于工程实现，但控制器的设计不易优化： 空间矢量控制方法能实现解耦控制，但实现起来比较复杂，需要进行复杂的计算； 模糊逻辑控制作为一种智能控制方法，不需要对系统建立精确的数学模型，具有较 强的鲁棒性，但存在稳态误差，在工作点附近容易引起小范围振荡；无差拍控制是 现代控制理论在逆变器输出波形控制中的具体应用，它主要是根据系统的状念空间 表达式和当前的状态信息推算出下一周期的开关控制量，最终达到使输出量跟踪输 入量的目的，该方法跟踪速度快，控制精度高，但其控制效果依赖于系统状态空间 表达式中参数的精确度，鲁棒性较差。 而鲁棒控制理论是在设计过程中考虑了数学模型所具有的不确定性，假设模型 4 华北电力人学硕_ ：学位论文 频率特性与实际被控对象的频率特性，或者模型参数与实际对象的参数具有一定范 围内的偏差，然后用解析的手段设计控制器使得系统对这一误差范围内的所有被控 对象均能满足理想的性能指标要求。近几十年发展起来的玩控制理论正是基于这 种思想解决鲁棒控制问题的，是一个比较成功且比较完善的理论体系。 以控制思想可以描述为：以从扰动输入到系统输出的传递函数的玑范数作为 目标函数对系统进行优化设计，从而使扰动对系统输出的影响最小。传递函数的矾 范数描述了有限输入能量到输出能量的最大增益，因而将其作为控制器优化性能指 标能使具有有限功率谱的干扰多系统的期望输出的影响最小。巩理论是目前解决 鲁棒控制问题的有力工具，因此可对有源全补偿消弧线圈的控制带来深远的影响。 1 4 本文所作的主要工作 针对目前国内对单相接地故障电流全补偿研究还是完全空白的现状，本文提出 一种基于单相有源滤波技术的新型主从式消弧线圈，实现对接地故障电流有源全补 偿。文章的重点在于根据全补偿技术的特点提出了以控制新方法，采用基于h 。灵 敏度技术的接地电流跟踪补偿的控制新方法，以期对接地故障电流进行全补偿，这 是对过去用传统消弧线圈束补偿接地故障电流无功分量( 传统方法) 的一种本质上 的革新，必将对电网的安全运行起到有益的作用。 本文所做的工作主要有以下几个部分： 1 研究a p f 及有源全补偿消弧线圈的主电路 由于并联采用单相电压式有源滤波器形式的从消弧线圈，因此论述了单相有源 滤波器a p f 的结构和工作原理，得出了等值电路数字模型，为有源全补偿技术的展 开做了良好的铺垫。同时，对有源全补偿消弧线圈系统的工作原理、数学模型和调 谐方式进行了相应的研究。 2 研究单相有源滤波器a p f 电流跟踪补偿控制新方法 论述了以灵敏度技术的问题，并依据此技术实现了对a p f 的控制。在m a t l a b 仿真平台上搭建了a p f 控制系统等值电路数字模型，验证了虬控制新方法的可行 性。 3 实现有源全补偿消弧理论的以控制技术 在将以控制技术成功的运用在并联型a p f 系统的基础上，大胆地将此日。灵敏 度技术投入到有源全补偿系统的控制方法之中。并在m a t l a b 仿真平台上搭建了系 统故障时带有消弧线圈的零序等值电路数字模型，验证了有源全补偿控制。控制 的可行性。 华北电力大学顾卜学位论文 第二章a p f 及有源全补偿消弧线圈主电路研究 传统的消弧线圈只能对基波无功电流进行补偿，所谓的全补偿也是针对故障电 流基波含量中的容性分量而言的。而由于消弧线圈电感的非线性及为了避免谐振而 人为设置偏离谐振点运行等原因，传统意义上的全补偿也是难以达到的。本文提出 一种新型的有源全补偿消弧线圈，它不仅可以补偿基波无功电流，还可以补偿有功 和谐波电流，真正做到对故障电流的完全补偿。 有源全补偿中的一个重要概念是有源电力滤波器，且队p f 。下面一小节着重介 绍并联型有源电力滤波器的有关知识。 2 1 并联型有源电力滤波器研究 对于传统的有源电力滤波器来说，谐波检测和控制技术是决定它补偿性能好坏 的决定性因素。随着现代控制理论和智能控制技术的发展，以及有源电力滤波器研 究工作的进一步进展，在有源电力滤波器中应用新的控制技术来提高滤波性能是一 个倍受关注的课题，已经成为有源电力滤波器的研究热点之一。将新的控制理论和 控制技术应用于有源电力滤波器，首先要对有源电力滤波器的工作原理、物理意义、 补偿特性以及控制机理等有较为明确的认识。 2 1 1 工作原理分析 图2 一l 为传统的并联型有源电力滤波器系统的原理图。图中电网电源为单相或 三相交流电源，i ，为电源电流，非线性负载为谐波源，f ，为负载电流。有源电力滤 波器系统由两部分构成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路( 包括电流跟踪 控制电路、驱动电路和主电路三部分组成) 。其中指令电流运算电路的核心是检测 出负载电流中有害电流( 包括谐波、无功以及可能存在的负序电流) 。补偿电流发生 电路的作用是根据指令电流运算电路得出补偿电流的指令信号f ：，产生实际的补偿 电流i o 。 图2 1 并联型有源电力滤波器系统构成 6 华北电力大学硕上学位论文 图2 1 所示并联型有源电力滤波器的基本工作原理是：检测补偿对象的电压和 电流，经指令电流运算电路计算得到补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生 电路，得到补偿电流，该补偿电流与负载电流中的有害电流相互抵消，使得电源电 流中只含有基波电流，这样就达到了抑制电源电流中谐波的目的。负载电流f ，按傅 里叶级数展开，可以表示为： t = l s i n ( n c o t + 0 ) n = l = 厶e o s o , s i n c o t + i ls i n o lc o s o ) t + 厶s i n ( n c o t + 0 , , )( 2 - 1 ) n f f i 2 = i l p + 么+ t = ，+ 么 式中，0 = ic o s o is i n 纠为基波有功电流； k = is i n o tc o s 国t 为基波无功电流； 么= ls i n ( n c o t + 0 , , ) 为高次谐波电流； 盯= 2 0 = + i l 。为基波电流： q 为基波电流初相位； 只为n 次谐波初相位； 缈为系统电源基波角频率。 由图2 1 可以看出：负载电流i ，由电源电流i 。和有源电力滤波器输出的电流f 共 同提供。当需要补偿负载产生的高次谐波电流f ，。时，可以控制有源电力滤波器的输 出电流，使其产生一个与f ，。大小相等方向相反的补偿电流，则系统电源中就只需 供给基波电流( 有功和无功) 了，从而达到谐波抑制的目的。上述补偿原理可用如下 的一组公式来描述： = 屯+ f c ( 2 2 a ) i l = i 叮七i 噱 t2 叫朋 ( 2 2 b ) ( 2 - 2 c ) = t 。l ( 2 - 2 d ) 由上述分析我们还可以看到，有源电力滤波器可同时补偿无功功率，这时只需 使f c = 一( + k ) ，则i s = k ，即系统电源中就只需要供给负载电流中的基波有功电 流。 华北电力人学硕士学位论文 作为主电路的p w m 变流器，在产生补偿电流刚，主要作为逆变器工作，此时 可以将其称为逆变器。但当电网向有源电力滤波器直流侧储能元件充电时，它就作 为整流器工作，也就是说，它既工作于逆变状态，也工作于整流状态。为了保持通 用性，在有源电力滤波器的建模过程中，将其称为变流器。 2 1 2 建立数学模型 有源电力滤波器的主电路根据储能元件的小同，可以分为电压型和电流型 p w m 变流器。由于电压型滤波装置效率高、初期投资小、易于单机小型化，目前 9 0 以上的装置使用电压型p w m 变流器。本节以电压型p w m 变流器作为有源电 力滤波器的主电路，推导变流器数学模型，并在此基础上完成三相并联型有源电力 滤波器的建模工作。 三相并联型有源电力滤波器系统电路原理图如图2 2 所示，主电路采用三相电 压源型p w m 变流器。乞、k 和k 为电源侧等效电感，、足。和为电源侧等 效电阻；庙、l i b 和府为逆变器交流测滤波电感，疋、兄和r 为等效电阻。 图2 - 2 三相有源电力滤波器系统电路原理图 对于图2 2 所示的三相并联型a p f ，我们可以通过对其中的一相进行工作原理 分析，并建立相应模型。以a 相为例，从工作原理上看，可以将逆变器开关管认为 是理想开关，其电路图如图2 - 3 ( a ) 所示。此处以并联型a p f 对电流源型谐波源进行 补偿为例，其单相等效电路图如图2 - 3 ( b ) 所示。图中”。是电源电压，z ，是电源侧等 效阻抗，t 是电源电流；，d 为等效谐波电流源，z ：是负载侧等效阻抗，f ：是负载 电流；z ，是逆变器交流侧等效阻抗，“，为逆变器交流侧输出电压。工作时，通过 a p f 产生一个与负载谐波电流大小相等方向相反的谐波电流注入电网，抵消负载 产生的谐波电流，使t 接近正弦波。因此，并联型a p f 本质上属于受控电压源，它 以电压源方式进行谐波补偿。 华北电力人学硕- i ：学位论文 ( a )( b ) 图2 3 单相并联型a p f 等效电路图 2 1 3 并联型a p f 补偿特性分析 并联型a p f 补偿电流型谐波源的基本原理图如图2 - 4 所示，其中互是电源侧等 效阻抗，k 为等效谐波电流源，z l 为负载侧等效阻抗，g 为a p f 的等效传递函数。 通常情况下g 对基波成分有一陷波作用，即对基波成分ig l r = o ，对于谐波成分 i g l 。= o 在以下的分析中所用的等式用标么值( p e ru n i t ，p u ) 来表示。 图2 - 4 补偿电流型谐波源 从图2 4 可以得到以下等式： ic = g i l 驴碡z l + 亳 z l 仁磋1 - g + 而1 亮 6 一t 一 - 从上述等式可以得到，对于谐波成分，如果满足 烈 i 吼 则式( 2 3 ) ，( 2 - 4 ) 币1 ( 2 5 ) 可以分别写成如下等式： i c = i t 9 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 华北电力人学顾十学位论义 l 郇- g 地珊+ ( 1 一g ) 芝o ( 2 - 8 ) l = t d + 挚 ( 2 - 9 ) 厶 其中，符号“h ”和“f ，分别代表谐波成分和基波成分，“i i ”代表传递函数 的量值。 从式( 2 8 ) 可以看出，如果式( 2 6 ) 成立并且1 1 - g 。= o ，则电源电流变成正弦波。 因此，只有满足式( 2 6 ) 的条件，并联型a p f 才能够良好补偿电流型谐波源产生的 谐波。从式( 2 6 ) j 丕n - i 以看出，由于五和z 。分别表示电源阻抗和负载阻抗，所以这 两个值由系统决定，只有通过设计a p f 的传递函数g 来保证等式成立。因此，并 联型a p f 的补偿特性不仅与a p f 本身有关，同时还受电源特性和负载特性的影响。 此外，如果i 互i l 互i ，那么上述谐波源就是一个理想的电流型谐波源，1 1 ( 2 - 4 ) 和( 2 6 ) 可以简写为： ， = 1 一g ( 2 1 0 ) l d j 1 - g l 1 ( 2 - 1 1 ) x - ( 2 1 0 ) 表明：如果满足i 乙l i 乏i ，a p f 的补偿特性将不受电源阻抗互的影响， 这是a p f 相对于无源滤波器的一个优点。由于a p f 的传递函数g 主要包括电流检 测电路、控制延时电路，p w m 信号产生电路，一般情况下，| 卜g i 。= o 1 一o 3 ，所 以等式( 2 1 1 ) 很容易满足。 综上所述不论负载是否为理想谐波电流源，并联型a p f 均能给予补偿。 2 2 全补偿的概念 2 2 1 传统意义上的全补偿和几个重要概念 在对谐振接地系统进行金属性接地故障分析时，通常采用的零序等值模型如图 2 5 所示。图中开关s 的开断表示了故障的开始和结束，c 为电网三相对地电容之和， 为消弧线圈的调谐电感，砜为中性点位移电压，金属性接地故障时其幅值与相电 压幅值相等v o = ，i r 为残流中的有功分量，i c 为电网的接地电容电流，。为消 弧线圈的补偿电流。接地残流，。的表达式为： 1 0 华北电力人学硕，j 二学位论文 厶= u o r + j c o c u 妒+ u o j c o l = i 足+ ( 七- 1 0 = i c ( d + d ) ( 2 - 1 2 ) 由此可以引出和谐度k ，阻尼率d 和失调度u 的概念。u = ( i c l ) = 卜k ， d = ，置* c ，它们分别表征了补偿后的残流中容性无功分量和有功分量与电网接地电 容电流的比值。 s 图2 - 5 单相接地故障零序等值电路 根据失调度的符号j 下负，消弧线圈的工作状况被分为欠补偿，全补偿和过补偿 三种。 ( 1 ) 欠补偿( d 0 ) 。这种工况下消弧线圈的感性电流不足以补偿故障电流的 无功分量，残流中除了有功分量外还含有一定的容性无功电流分量，残流，。超前于 。 ( 2 ) 全补偿( d ：0 ) 。这时候电流谐振回路恰好在谐振点工作，缈l ：1 c o c ， 电容电流与电感电流大小相等，方向相反，彼此完全抵消，残流与位移电压同相， 只含有有功分量。 ( 3 ) 过补偿( d 0 ) 。即电感电流大于电容电流，残流中含有感性无功分量， 相位滞后于位移电压。 由以上分析可见，传统意义上的全补偿指的是调谐电感和系统接地电容恰好构 成谐振时的补偿工况。然而，在这种工况下故障点的接地电流并不是等于零的。以 下将分析残流中各成分的来源和对熄弧的影响。 2 2 2 谐波的来源和影响 间歇性电弧接地故障能产生大量的谐波。在接地电弧燃烧时接地电阻几乎为 零，而电弧熄灭后相当于开路或高阻接地。由于电弧的不稳定，故障电流中含有丰 富的谐波。这些谐波的特点是频率范围大、变化多样和难以预测。目前分析电弧过 程有三种理论：高频熄弧理论、工频熄弧理沦和熄隙恢复抗电强度理论。这些理论 华北电力人学硕士学位论文 都是在假设熄弧条件的前提下分析电弧过程和过电压等影响。然而电弧真正在何时 会熄灭目前还没有定论，所以谐波的成分不能预测。 在传统的系统中，j 下常状态下的零序回路中谐波主要是变压器铁心的非线性特 性造成的。但是近代随着大量换流设备和非线性负荷不断地投入电力系统，系统中 出现了新的谐波源，而这些谐波源所产生的谐波量是变压器所不能相比的。在接入 可控硅换流装置，电弧炉变压器及大功率独立牵引机车的系统中，不能排除接地故 障残流中的谐波分量接近或超过基波的情况。文献 1 9 称德国柏林的一个3 0 k v 系 统经全补偿后残流为1 2 2 a ，其中5 次谐波电流为8 2 h ，几乎与基波电流同样大小。 随着工业的发展谐波污染还会加剧，作为一种能量形式必然会影响接地电弧的熄 灭。国外已经研制出宽频接地电流补偿装置，而国内目前尚无这方面的研究。 同时，在2 0 0 5 年7 月2 8 号，在丹东供电局的组织下，实验室在东沟东沟变电 站的1 0 k v 系统进行了一次现场接地试验，该试验在随机线上的随机工具厂内进行。 金属性接地实验中，投入消弧线圈后接地电流波形如图2 - 6 所示： 图2 - 6 金属性接地试验接地电流波形( 2 0 0 5 年7 月2 8 口，1 1 ：1 8 ：0 2 ) ( 纵坐标：接地电流一次值( a ) ；横坐标：故障维持时间( s ) ；下同) 经过分析，在这次金属性接地试验中，各次谐波成分为： 表2 1 金属性接地试验各次谐波成分分析( 利用第2 秒时刻的数据，对应点数1 1 0 0 1 1 1 4 0 0 ) 谐波次序 基波( a )三次谐波( a )五次谐波( a )七次谐波( a ) 1 2 81 o o1 7 31 1 4 从此次实验的结果来看，接地残流中的谐波含量非常丰富，且五次谐波含量最 大。 而且，随着城市配电网容量的同益扩大，非线性负荷的大量增加以及电缆线路 的大量使用，在接地故障电流不断提高的同时，其中的谐波分量也随之大幅提高， 文献 2 0 根据上海浦东某3 5 k v 变电站接地电流的试验报告指出，在接地电流的谐 波分褂| | ，5 次谐波含齄最人，已经占到基波含量的1 0 15 ；对于一个接地电 华北电力人学硕l 学位论文 容电流为3 0 0 a 的系统，含有的3 0 - - 4 5 a5 次谐波电流无法消除，是导致单相接地 故障由于“热因素 和“弧光接地引起过电压快速发展为其他事故的首要原因。 文献 2 1 通过分析两次现场的实际事故波形，指出过大的电网电容电流，以及接地 电流中的有功分量和高次谐波是导致电网单相接地故障加重的主要原因；文献 2 2 中有通过对一个中压配电网的实际运行监测，指出当电缆线路发生单相接地故障 时，接地电流中的高次谐波含量不可忽视，并将影响继电保护装置的正常工作，直 接威胁电网的正常运行。 2 2 3 全补偿新技术 由以上分析可知，传统意义上的全补偿与对接地电流真正的完全补偿还有一定 的距离，在某些恶劣的情况下甚至不能满足熄弧要求。可见，为了消除系统接地电 流中的谐波分量，实现真正意义上的全补偿，提高电网的供电可靠性，要求研究接 地故障电流的全补偿技术，补偿包括谐波电流在内的残余电流。快速、准确的补偿 特性是消弧控制的重要研究内容。在配电网规模不断扩大的今天，对系统接地电流 进行真正意义上的完全补偿，提高对配电网的保护控制效果，具有深远的意义。 全补偿控制的具体要求是：快速、准确、安全、可靠，有效地发挥消弧线圈对 接地故障电弧的快速熄弧作用，降低电弧重燃几率，降低电网过电压水平。而现有 各种形式的消弧线圈，结构上都是无源形式，无法实现全补偿的功能。 随着电力电子器件的飞速发展，运行可靠性的不断提高，电力电子技术已经迅 速而广泛地应用于工业控制的各个领域，其突出的优点就是快速、可靠、灵活，这 为建立满足上述补偿要求的快速有源全补偿消弧线圈系统创造了条件n0 1 。 2 2 4 有源全补偿消弧线圈 2 2 4 1 有源全补偿消弧线圈的结构和工作原理 本文结合消弧线圈的发展现状和消弧控制技术的特点，提出一种基于单相有源 滤波技术的新型消弧线圈一一有源全补偿消弧线圈，其结构如图2 7 所示，由自动 调匝式消弧线圈和有源从消弧线圈两部分组成，以实现对接地故障电流的有源全补 偿。 华北i 乜力人学顾_ ：学位论文 图2 - 7 新型的有源全补偿消弧线圈 与原有无源消弧线圈相比，有源全补偿消弧线圈具有高度的可控性和快速响应 性，其具体特点如下： 1 具有自适应功能，实现了动态补偿，可对接地电流中频率和幅值都变化的谐 波进行全补偿，对补偿对象的变化有极快的响应，并可做到连续调节补偿，保证可 靠熄弧。 2 受电网阻抗的影响不大，不会发生谐振。 3 补偿电流可连续无级调节，调整平滑，线性度好；结构紧凑。补偿后残余电 流小。 有源全补偿消弧线圈以自动调匝式消弧线圈为主体，用于补偿大部分的基波接 地故障电流，并且可以明显降低有源消弧线圈的容量，这有利于使有源消弧线圈具 有快速的响应特性；并联于自动调匝式消弧线圈的有源从消弧线圈，采用单相电压 源式有源逆变器形式，应用日，控制技术生成补偿电流。有源全补偿消弧线圈具有 响应速度快，补偿精度高，补偿范围广，无谐波污染的优点。为保障补偿精度，有 源从消弧线圈的补偿范围将覆盖调匝消弧线圈最大的两个补偿档位。 其中有源从消弧线圈可以看作是等效的可控电压源u ，。，图中的z ，主要包括输 出滤波阻抗和输出电抗。构成，其中输出滤波阻抗主要是滤除输出电压中的高次谐 波分量。其基本的工作原理就是：当电网发生单相接地故障时，电网中会出现一个 中性点电压，这个电压同可控电压。共同作用于输出电抗l 上时，就会有： 木d t 爿d f = ( u 一( f ) 一u o ( f ) ) ( 2 1 3 ) 通过控制与不同相位、幅值的叽，即可实现生成任意需要的有源从消弧线 圈输出电流乙。这样就可以通过有源注入的方式，不仅实现对接地故障电流中无 功及谐波分量的动态补偿，还可抵消故障发生时的有功损耗，即实现对接地故障电 流所有分量的有源全补偿。 1 4 华北f 【l 力人学硕上学位论文 2 2 4 2 调谐方式的选择 为了更好的发挥消弧线圈的作用，既要有效减小接地残流，又要将中性点位移 电压限制在许可的范围内。目前国内外通用的预调式补偿方案和随调式补偿方案， 各有其应用特点，但都存在一定的不足。预调式的补偿精度受限于消弧线圈的调节 精度，故障接地残流大小与阻尼电阻的退出速度有直接关系；随调式方案解决了自 动调匝式消弧线圈精度不高的问题，并可避免谐振过电压的出现，但无法抑制故障 瞬间接地点残流过大的问题。 因此，针对新型有源全补偿消弧线圈的结构特点，本文运用预调和随调相结合 的补偿方式。系统正常时，将调匝式消弧线圈置于1 5 过补偿点附近，有源从消弧 线圈不工作：当系统发生接地故障时，有源消弧线圈快速跟踪接地电流变化，利用 稳态信息和故障线路零序电流实测值还原故障点接地电流值，生成控制信号驱动有 源逆变器，对接地电流实施全补偿；故障结束后，有源消弧线圈退出工作。 这种补偿方式的优点在于：发挥调匝式消弧线圈在接地故障发生时立即补偿的 优点，可熄灭大部分电网中的瞬时接地电弧：同时，迅速调整有源消弧线圈注入电 流，自动跟踪接地电流的变化，实施全补偿，熄灭系统接地故障发生的电弧。 2 3 控制方案的选择 不论对并联型a p f 还是新型的有源全补偿消弧技术，控制系统都是其核心元素， 设计控制系统的目标主要有两个：一是保证输出的补偿电流能够精确、实时地跟踪 其指令电流的变化，最终使得电网侧电流为理想正弦波；二是控制主电路直流侧储 能电容的充放电，使电容两端电压保持稳定。 可以利用简单的a p f 电路分析引入控制技术的选择。从图2 1 描述的并联型有源 电力滤波器系统构成中，可以看出，传统的电流控制方法是基于对补偿电流f 的控 制，通过指令电流运算电路，得到指令信号f ：以后，a p f 逆变主电路通过p w m 方法 控制其开关通断，使补偿电流f 跟踪指令信号f ：，从而使电源电流f 。中只含有基波 电流。这种电流控制策略是通过直接控制有源电力滤波器的输出电流f ，所以本文 称之为直接电流控制。直接电流控制策略是有源电力滤波器最早应用的控制策略， 具有如下特点： ( 1 ) 需要在线检测负载电流f ，并实时计算出指令信号f ：，这对电流检测电路和指令 电路运算电路提出了很高的要求； ( 2 ) 由于指令电流i 中含有谐波成分，因此电流跟踪的难度较大且控制复杂； ( 3 ) 由于控制参量是补偿电流f ，对期望的电源电流f ，来说，系统是开环的，即使对 给定补偿电流的跟踪非常准确，但给定补偿电流的检测和计算误差将得不到闭环控 制，补偿效果也因而受到影响； 华北 乜力人学硕士学位论文 ( 4 ) 补偿电流c 必须流入电网才能与负载电流中需要补偿的成分相抵消，其补偿性能 受电网和负载阻抗特性影响很大。在负载谐波阻抗较小的应用场合，滤波器发生的 补偿电流将部分流向负载，这将严重增加滤波器的工作负担甚至使滤波器无法工 作。 直接电流控制策略的上述特点在一定程度上制约了并联型a p f 的发展与用。但 这些问题并不是电网谐波电流抑制问题本身带来的，而是人们采用谐波注入的补偿 思想所致。 就谐波抑制问题本身的要求来看，其目的是使电源电流正弦化，滤波系统的实 现难度应该在基波电流控制的水平上。所以，可以直接控制电源电流为正弦波， 而无需检测负载谐波电流，也无需进行谐波电流跟踪，克服了传统并联型a p f i , 皆波 电流检测和发生困难的缺点。由于这种控制策略是自接控制电源电流，而非有源电 力滤波器输出的补偿电流，所以可以称之为“间接电流控制策略”。但是，有源电 力滤波器的目的是使非线性负载电流中的畸变电流得到补偿，从而使电源只提供基 波分量。从这个意义上看，间接电流更为“直接”。 间接电流控制策略中控制方法的选择直接影响到控制器的效果，事实上，目前 已有一些新兴的控制理论可以实现良好的间接控制。其中，日控制理论是迄今为 止己经发展的比较成熟的间接控制技术之一。它是以某种性能指标的优化为设计依 据的鲁棒控制理论。何。控制在研究具有强鲁棒性的稳定控制中占据了重要地位， 己经成为控制论中一个引人注目的分支。h 控制不仅具有处理多变量问题的能力， 而且可以解决具有建模误差、参数不确定和干扰未知的控制问题，并直接解决鲁棒 控制问题。以算法具有较好的直观性及严格的数学基础。此外，日。控制经较简单 的运算便可使系统具有良好的性能。日控制理论是分析和设计不确定系统的有利 工具，目前主要还是应用于线性系统和仿射非线性系统。 由于电网及其消弧控制装置在实际运行时会受到各种不确定性的影响，因此可 通过对其确定性模型引入干扰，得到非线性鲁棒模型。对此非线性模型，既可应用 反馈线性化方法使之局部线性化，再利用所用线性系统的控制规律进行控制；也可 以直接采用h 鲁棒控制理论设计控制器，利用其自身优势，使系统具有很好的鲁 棒性。因此，本文选取日鲁棒控制技术作为所提出的新型有源全补偿消弧线圈控 制系统的关键技术。 2 4 小结 本章首先对并联型有源电力滤波器主电路电压源型p w m 变流器进行了分 析，在此基础上，对有源电力滤波器的：工作原理、数学模型和补偿特性进行了研究。 工作原理和建模分析的研究为有源电力滤波器控制系统的设计奠定了基础。 华北电力大学硕1 ：学位论文 在有源逆变的基础上，根据配电网接