基于智能整流技术电网电流谐波补偿方法研究.doc

基于智能整流技术电网电流谐波补偿方法研究 　　摘 要： 目前用于电网电流谐波补偿的电器设备，主要以PWM整流器为主。基于PWM整流器的电源产品只能被动地减小自身向电网输出的谐波电流，而对电网中业已存在的电流谐波污染束手无策。为了解决电网中电流谐波污染以及相关联的电压波形失真问题，采用基于SRM（智能整流模块）技术对电网电流谐波进行补偿。仿真结果表明，基于 SRM 的电力电子装置在从电网吸取电流并在向负载供电的同时，还能对电网电压的波形进行补偿，使电网电压波形接近正弦波形。 　　关键词： 智能整流； PWM整流器； 谐波污染； 谐波补偿 　　中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）05?0083?04 　　0 引 言 　　大多数电力电子装置通过整流器与电网接口，传统的二极管整流器产生大量的谐波电流，对电网造成污染。用电负载在电压幅值高时从电网吸收较多的电流，导致电流的脉动特性，产生大量的谐波；电流在电网线路中产生的电压降使电压波形失真。脉动的电流波形将降低电网的运行效率，产生电磁辐射干扰；电压波形失真会使接入电网的所有负载都产生谐波电流，严重时将导致整个电网无法正常工作。 　　IEC和IEEE等先后推出了一些限制电流谐波的标准，如IEC61000?3?2，IEEE519等。我国对开关电源、变频空调等家用电器行业强制实施“3C”认证，规定电器产品只有达到电磁兼容标准才能上市。 　　电网中的谐波污染基本上都是来自接入电网的装有整流器的电力变换器，限制和减小电力变换器的谐波电流是解决谐波污染问题的关键。目前技术上主要集中在减小整流器DC端电力滤波电容的容量上，较小的容量可使电力变换器在更大的电压范围内从电网吸收电流。基于这种技术的电气产品改善了整流器的非线性特性，减少了向电网输出的各次谐波电流[1]。一方面要从管理和技术上限制电力电子装置向电网输出谐波电流，另一方面要对电网进行有功补偿以减小谐波污染，这是目前解决供电系统供电质量和供电安全问题的主要的两条途径。 　　本文提出解决电力电子装置谐波污染的另一条途径：电力电子装置中的整流器在从电网吸收电流的同时，输出与电网中的谐波电流反相的电流使电网中的电压波形得到部分补偿。 　　1 基于SRM的整流器 　　SRM（Smart Rectifier Module，智能整流模块）整流器是在PWM整流器基础上引入新的电路拓扑和数据处理技术而形成的新技术。SRM中的整流器受到功率开关（MOSFET、GTO 或 IGBT）的控制[2]，功率开关的导通（ON）与截止（OFF）状态受控于嵌入模块的智能芯片。智能芯片（MCU、DSP、ARM 或 FPGA）检测电网电压的波形，计算THD和功率因数PF，确定补偿方案[3?4]；通过驱动电路，控制功率开关的状态，使整流器有选择地从电网吸取电流。为了减少功率损耗，提高基于SRM的电力变换器的转换效率，SRM中采用准谐振软开关技术，使应用这项技术的电源产品降低能耗、减小体积、提高效率。智能芯片和软开关技术的引入再加上对功率开关工作状态的监控，可形成对SRM最有效的保护机制，有可能使其被烧毁的概率降至为零，工作寿命也会大幅度延长。基于SRM的电源产品包括各种开关稳压电源、充电器、电子镇流器和变频器等，应用非常广泛[5]。 　　SRM属于非线性混合控制系统，基于小信号模型用线性控制方法进行研究已不适应。为提高整流器的性能，应采用非线性控制理论或新的控制方式研究控制方案[1]。应用于PWM整流器的控制算法主要有：功率控制[6?7]、反馈线性化控制[8]、基于Lyapunov稳定性理论的控制[9?10]、基于无源控制理论的控制[11?12]、基于自抗扰理论的控制[13]和基于反步法的控制[14]等，为SRM 控制算法的研究提供了很好的基础。SRM控制算法的研究将在这些算法的基础上，引入电压波形预测和电流指令加权后，提出自己的独特的控制算法。 　　当电网中存在谐波污染时，电压波形不再是正弦波，电压波形偏离正弦波的程度，由智能芯片测得。智能芯片测量每个周期的电压波形得到的信息可以给出当前周期中电压波形的估计值，用作控制系统的输入信号。本文中SRM采用“直接电流控制”方案，直接电流控制采用交流电流内环、直流电压外环的控制系统。双闭环结构，电压外环输出与电网电压波形信息共同形成电流指令，电流内环则控制输入电流快速响应电流指令，电流指令是整流器网侧电流的期望波形。对于PWM整流器，电流的期望波形是正弦波，近似单位功率因数和接近无谐波输出是其重要特点。对于本文提出的SRM，电流指令取决于当前的电压波形，如果当前电压波形有失真（偏离正弦波形），此时的电流波形也要偏离正弦波。SRM的网侧电流含有谐波，其相位与电网