非线性鲁棒控制技术在电能质量控制中的应用国内外研究现状综述

1、电能质量、 电能质量控制装置 与 电能质量控制方法 n引言引言 随着电力电子技术的发展 非线性电力电子器件和装 置在现代工业中得到了广泛应用,同时,为了解决电力 系统自身发展存在的问题,直流输电和FACTS技术不断 投入实际工程应用,调速电机以及无功功率补偿电容 器也大量投入运营这些设备的运行使得电网中电压 和电流波形畸变越来越严重,谐波水平不断上升,另外, 冲击性、波动性负荷,例如电弧炉、大型轧钢机、电 力机车等,运行中不仅会产生大量的高次谐波,而且还 会产生电压波动、闪变、三相不平衡等电能质量问题 电能质量概述电能质量概述 另一方面,越来越多的生产过程和流水线(如半导体制 造、计算机集成制

2、造、造纸业等)依赖于对电能质量十 分敏感的微处理器为核心的设备,哪怕几个周期的供电 中断或电压跌落都会影响这些设备的正常工作,造成产 品质量下降甚至生产中断,从而造成巨大的经济损失, 因此许多用户对电能质量提出了更高的要求。这些引 起了电力工作者的广泛关注,已成为研究的热点问题。 电能质量概述电能质量概述 n电能质量的概念电能质量的概念 到目前为止,人们对电能质量的范畴、定义,以及引起 电能质量变化的原因等仍没有统一的认识。IEEE对 “电能质量”的技术定义是:合格电能的定义是指给 敏感设备提供的电力和设置的接地系统能使设备正常 工作。 从不同的角度定义电能质量,其内容也不同： 电能质量概述电

3、能质量概述 电能质量概述电能质量概述 电压中断(断电,interrupt)：在一段时期内一相或多相完 全失去电压(低于0.8(标幺值)称为断电。按持续时间长 短,分为瞬时断电(0.5周期3s),暂时断电(3s60s)和持续 断电(大于60s) 。 电压跌落(dip)：系统在标称频率下,电压或电流幅值下 降到0.10.9(标幺值),持续时间在0.5周期1min 。 n电能质量问题的分类电能质量问题的分类 IEEE第22标准协调委员会和 其他国际委员会关于电能质量问题作了如下的分类： 电能质量概述电能质量概述 电压隆起(swell)：系统在标称频率下,电压或电流幅值上 升到1.11.8(标幺值),

4、持续时间在0.5周期1min 。 过电压(overvoltage)：系统在标称频率下,电压或电流幅 值在1.11.2(标幺值),持续时间大于1min。 欠电压(undervoltage)：系统在标称频率下,电压或电流幅 值在0.80.9(标幺值),持续时间大于1min。 电能质量概述电能质量概述 电压波动(fluctuation)与闪变(flicker)：电压波动是在包络 线内的电压的有规则变动,或是幅值通常不超出0.91.1电 压范围的一系列电压随机变化。闪变则是指电压波动对 照明灯的视觉影响。 电压切痕(notch)：电压切痕是一种持续时间小于0.5周期 的周期性电压扰动。电压切痕主要由于

5、电力电子装置在 相关的两相间发生瞬时短路时电流从一相转换到另一相 而产生的,电压切痕的频率非常高,用常规的谐波分析设备 很难检测出来。这就是过去从未有过此项电压扰动内容, 直到最近才正式列入的原因。 电能质量概述电能质量概述 谐波(harmonics)：含有基波整数倍频率的正弦电压或电 流称为谐波。谐波是由于电力系统和电力负荷设备的非 线性特性造成的。 间谐波(inter-harmonics)：含有基波非整数倍频率的正弦 电压或电流称为间谐波。小于基波频率的分数次谐波也 属于这一类。间谐波会使照明装置引发视觉闪变。 电能质量概述电能质量概述 瞬时脉冲(impulse)：在两个连续稳态之间的一种

6、在极短时 间内发生的电压或电流变化。瞬时脉冲可以是任一极性 的单方向脉冲,也可以是发生在任一极性的阻尼振荡波第1 个尖峰。 频率偏差(frequency deviation)：频率偏差=实际频率-标称 频率(国内50Hz,国外60Hz) 。各国对频率偏差的规定不同。 我国电力系统的正常偏差值是0.2Hz,当系统容量较小时, 可以放宽到0.5Hz。 电能质量概述电能质量概述 概括起来,电能质量问题包括以下4个方面: v 电压波动(fluctuation)和闪变(flicker) v 谐波(harmonics) v 三相电压不平衡(imbalance) v 电压跌落(dip)和供电中断(inter

7、rupt) n电能质量控制器电能质量控制器 电能质量的控制装置电能质量的控制装置 不间断电源(UPS) 无功补偿电容器 LC滤波器 有源滤波器(APF) 统一电能质量控制器(UPQC) 动态电压调节器(DVR) 固态切换开关(SSTS) 高功率因数变流器 n不间断电源不间断电源UPS 电能质量的控制装置电能质量的控制装置 不间断电源UPS是一种含有储能装置，以逆变器为主 要组成部分的恒压恒频设备，主要用于给计算机、计 算机网络或其他重要设备提供连续不间断、高质量的 电能供应及机场、 电站、 医院等重要部门的备用电 源，以提高供电的可靠性。输出电能的高可靠性和高 质量是对UPS的基本要求。 n无

8、功补偿电容器无功补偿电容器 电能质量的控制装置电能质量的控制装置 实际电力系统中,大部分负载为异步电动机,可以等效 为阻感性负载,其功率因数为 ，其 中 。如图1所示。由相量图可知,加入电容器 后,功率因数提高了,b图是欠补偿的情况,c图是过补偿 的情况,一般不采用过补偿,因为这会引起变压器二次 电压的升高,而且容性无功在电力线路传输上会增加 电能损耗。从而必须使线路电压升高,这就会增大电 容器本身的功率损耗,使温升增大,影响电容器的寿命。 22 cos/ L RRX L XL 电能质量的控制装置电能质量的控制装置 电网中的谐波对并联电容器有很大的影响: v 一方面谐波电流加在电容器上,使得电

9、容器电流有效 值增大,温升升高,甚至引起过热而降低其寿命和损坏。 v 另一方面并联电容器具有放大谐波的作用,不仅危害 电容器本身,还会危机电网中的电气设备。 v 据统计,由于谐波而损坏的电气设备中,电容器约占 40%,其串联电容器约占30%,其他因谐波而损坏的电气 设备也与电容器有很大的关系,因此使用中要特别注 意,一般在使用并联电容器时串联上电抗器。 n 静止无功补偿装置静止无功补偿装置 电能质量的控制装置电能质量的控制装置 上一节介绍的无功补偿电容器是传统的无功补偿装置， 其阻抗是固定的，不能跟踪负载无功需求的变化，也就 是不能实现无功功率的动态补偿。随着电力系统的发 展，对无功功率的动态

10、补偿的需求越来越大。 传 统 的 无 功 功 率 动 态 补 偿 装 置 是 同 步 调 相 机 （Synchronous CondenserSC）。它是专门用来产生无 功功率的同步电机，在过励磁和欠励磁的不同情况下， 可以分别发出不同大小的容性或感性无功。但其是旋转 电机，因此噪声较大，运行维护复杂，而且响应速度 慢，很多情况下不能满足要求。 n 静止无功发生器静止无功发生器(Static Var GeneratorSVG) 电能质量的控制装置电能质量的控制装置 简单地说, SVG的基本原理就是将自换相桥式电路通过电 抗器或者直接并联在电网上，适当地调节桥式电路交流 侧输出电压的相位和幅值，

11、或者直接控制其交流侧电流， 就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电 流，实现动态无功补偿的目的。 nLC滤波器概述滤波器概述 电能质量的控制装置电能质量的控制装置 LC滤波器又称无源滤波器，是传统的谐波补偿装置，其 以结构简单，设备投资少、运行可靠性较高、运行费用 较低等优点，成为至今仍是应用最多的方法。 LC滤波器是由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而 成的滤波装置，与谐波源并联，除起了滤波作用外，还 兼顾无功补偿的需要。LC滤波器分为单调谐滤波器、高 通滤波器及双调谐滤波器等几种，实际应用中常用几组 单调谐滤波器和一组高通滤波器组成滤波装置。 n电力滤波器的特点比较电力滤波器的特点比

12、较 电能质量的控制装置电能质量的控制装置 LC无源滤波器具有投资少、效率高、结构简单、运行可 靠及维护方便等优点，因此LC无源滤波是目前广泛采用 的抑制谐波及无功补偿的主要手段,但其也具有以下缺点： v滤波特性受系统参数的影响较大； v只能消除特定的几次谐波，而对其它的某些次谐波会产 生放大作用； v滤波、无功补偿、调压等要求之间有时难以协调； v谐波电流增大时，滤波器负担随之加重，可能造成滤波 器过载； v有效材料消耗多，体积大。 电能质量的控制装置电能质量的控制装置 v实现了动态补偿，可对频率和幅值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； v滤波特性不受系

13、统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生 谐振的危险； v可同时对谐波和无功功率进行补偿，且补偿无功功率的 大小可实现连续调节； 与LC无源滤波器相比，有源电力滤波器具有以下优点： 电能质量的控制装置电能质量的控制装置 v补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需储能 元件容量也不大； v即使补偿对象电流过大，有源电力滤波器也不会发生过 载，并能正常发挥作用； v能跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率的影 响； v既可以对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波 和无功源集中补偿。 n统一电能质量控制器统一电能质量控制器 电能质量的控制装置电能质量的控制装置 统一电能质量控制器UPQC（Un

14、ified Power Quality Controller）是由串联型APF和并联型APF通过公用的 直流母线电压耦合而成，故也称其为串并联复合型有 源滤波器，集串联型APF和并联型APF的功能于一体， 不仅可以补偿由非线性负载产生的谐波、无功、负序 电流，还可以调节负载端电压为幅值一定的三相对称 电压，具有综合的电能质量调节功能是一种较为理想 的提高配电网电能质量的补偿装置。 电能质量的控制装置电能质量的控制装置 UPQC的拓扑结构：主要由串联APF 和并联APF 构成， 串、并联APF 的直流侧使用共同的母线电容，串联 APF 通过耦合变压器连接在电网和负载之间按受控电 压源方式工作主要

15、用来调节负载电压幅值和补偿电源 电压谐波。并联APF并联连接在负载上按受控电流源 方式工作主要作用是补偿负载谐波、基波无功和负序 电 流 ， 并 调 节 两 个 有 源 滤 波 器 之 间 的 直流母线电压。 电能质量控制方法电能质量控制方法 n目前，国内外常见的电能质量控制方法主要有以 下几种 n1）PID控制。 n2）空间矢量控制。 n3）模糊逻辑控制。 n4）人工神经网络（ANN）。 n5）非线性鲁棒控制。 非线性 鲁棒控制技术 鲁棒性鲁棒性(Robustness) 系统的不确定性系统的不确定性 , 1 1 )( 2 aaa ass sG 为确定函数)(, )()(jWRjWj )(s

16、)()(),( 0 ssGsG )()(),( 0 sGsIsG 鲁棒控制的研究历史可追溯到鲁棒控制的研究历史可追溯到20世纪世纪40年代的单年代的单 变量控制系统设计。以下几方面的开创性工作大变量控制系统设计。以下几方面的开创性工作大 大推动了鲁棒控制的发展：大推动了鲁棒控制的发展： H 控制理论控制理论 )()(1 )()( ),()()( jKjP jKjP GjKjPjG BK )()()( 0 sPsPsP )()()( )()()( 0 0 jGjGjG jGjGjG BBB KKK )()(1 )()( ),()()( 0 0 000 jKjP jKjP GjKjPjG BK )

17、( )( )()(1 1 )( )( 0 jG jG jKjPjG jG K K B B )()(1 1 )( 0 sKsP sS KK GG BB GG 为充分小正数, )(jS )(sup)( jSsS R )(,)()( 2 1 * max AAA )(sS 为最大特征值。的共轭转置阵，为 max * AA 0 2 2 )(| )(dttwtwL (1) , 2 2 2 2 2 2 Lwwz 2 2 0 sup)( w z jT w zw )( jTzw djuu u Gu sG 2 2 2 2 )( 2 1 ,sup)( )(sup)( jGsG R 非线性 鲁棒控制技术 在 电能质量

18、控制 中的应用 张敏. 包含静止同步补偿器的电力系统稳定性分析与非线 性鲁棒控制 指出包含静止同步补偿器（STATCOM）的电力系统 存在不确定性，作者针对这种不确定性，用基于状态空 间方程和形方程的方法设计了系统控制器。文中首次给 出了一类混合不确定系统的描述。这些不确定性包括， 由于系统结构的突变导致系统模型存在的摄动、外部对 系统的干扰、精确线性化补偿不能消去的子系统间的非 线性互联项。之后根据混合不确定系统的特点，将其鲁 棒控制器的设计问题进行分解成若干个比较容易解决的 问题，包括干扰抑制问题、参数不确定系统的鲁棒一控 制问题、残余非线性项的参数不确定系统的鲁棒镇定问 题。综合上述多个

19、问题的解，最后得到了混合不确定系 统的鲁棒镇定问题的解。 方振.静止无功补偿器与励磁系统的鲁棒协调控制 针对电力系统的强非线性和不确定性，应用直接反 馈线性化(direct feedback linearization，DFL)和 H 非线性 控制理论，设计了一种用于静止无功补偿器与发电机励 磁的鲁棒协调控制策略，使 SVC 在维持系统电压的同时 改善系统阻尼，得到可同时满足发电机功角稳定和电压 控制 2 个目标的协调鲁棒控制律。并且利用Simulink仿真 证明了基于该方法的 SVC与发电机励磁 H 控制策略能 有效提高系统的动态和暂态稳定性。 李乔.并联型混合有源电力滤波器的自抗扰与H 鲁

20、棒控 制. 对有源电力滤波器的控制系统进行了研究。利用H 控制理论演化出的混合灵敏度方法，对有源电力滤波器 模型设计了H 鲁棒控制器。设计结果表明H 控制器不 依赖于对象模型，可最大限度地消除系统中的不确定性 和扰动对系统动态性能的影响，既可以保证闭环系统内 部稳定，又能达到一定的鲁棒性和灵敏度指标。作者指 出H 控制是一种典型的鲁棒控制方法，有非常严密完整 的理论体系，但它的设计过程比较复杂，得出的控制器 阶数一般较高。相对而言，自抗扰控制器作为一种不基 于模型的设计方法，它在实验系统中较容易实现，且性 能优良。 张俊波. H 鲁棒控制理论在有源电力滤波器中的应用 针对有源电力滤波器的模型不确定性和易受外界干 扰的特点，将H 控制理论应用到有源电力滤波器中，根 据谐