基于智能整流技術(shù)的電網(wǎng)電流諧波補償方法研究

周劉兵

摘 要： 目前用于電網(wǎng)電流諧波補償?shù)碾娖髟O(shè)備，主要以PWM整流器為主?；赑WM整流器的電源產(chǎn)品只能被動地減小自身向電網(wǎng)輸出的諧波電流，而對電網(wǎng)中業(yè)已存在的電流諧波污染束手無策。為了解決電網(wǎng)中電流諧波污染以及相關(guān)聯(lián)的電壓波形失真問題，采用基于SRM（智能整流模塊）技術(shù)對電網(wǎng)電流諧波進(jìn)行補償。仿真結(jié)果表明，基于 SRM 的電力電子裝置在從電網(wǎng)吸取電流并在向負(fù)載供電的同時，還能對電網(wǎng)電壓的波形進(jìn)行補償，使電網(wǎng)電壓波形接近正弦波形。

關(guān)鍵詞： 智能整流； PWM整流器； 諧波污染； 諧波補償

中圖分類號： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）05?0083?04

0 引 言

大多數(shù)電力電子裝置通過整流器與電網(wǎng)接口，傳統(tǒng)的二極管整流器產(chǎn)生大量的諧波電流，對電網(wǎng)造成污染。用電負(fù)載在電壓幅值高時從電網(wǎng)吸收較多的電流，導(dǎo)致電流的脈動特性，產(chǎn)生大量的諧波；電流在電網(wǎng)線路中產(chǎn)生的電壓降使電壓波形失真。脈動的電流波形將降低電網(wǎng)的運行效率，產(chǎn)生電磁輻射干擾；電壓波形失真會使接入電網(wǎng)的所有負(fù)載都產(chǎn)生諧波電流，嚴(yán)重時將導(dǎo)致整個電網(wǎng)無法正常工作。

IEC和IEEE等先后推出了一些限制電流諧波的標(biāo)準(zhǔn)，如IEC61000?3?2，IEEE519等。我國對開關(guān)電源、變頻空調(diào)等家用電器行業(yè)強制實施“3C”認(rèn)證，規(guī)定電器產(chǎn)品只有達(dá)到電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)才能上市。

電網(wǎng)中的諧波污染基本上都是來自接入電網(wǎng)的裝有整流器的電力變換器，限制和減小電力變換器的諧波電流是解決諧波污染問題的關(guān)鍵。目前技術(shù)上主要集中在減小整流器DC端電力濾波電容的容量上，較小的容量可使電力變換器在更大的電壓范圍內(nèi)從電網(wǎng)吸收電流?；谶@種技術(shù)的電氣產(chǎn)品改善了整流器的非線性特性，減少了向電網(wǎng)輸出的各次諧波電流[1]。一方面要從管理和技術(shù)上限制電力電子裝置向電網(wǎng)輸出諧波電流，另一方面要對電網(wǎng)進(jìn)行有功補償以減小諧波污染，這是目前解決供電系統(tǒng)供電質(zhì)量和供電安全問題的主要的兩條途徑。

本文提出解決電力電子裝置諧波污染的另一條途徑：電力電子裝置中的整流器在從電網(wǎng)吸收電流的同時，輸出與電網(wǎng)中的諧波電流反相的電流使電網(wǎng)中的電壓波形得到部分補償。

1 基于SRM的整流器

SRM（Smart Rectifier Module，智能整流模塊）整流器是在PWM整流器基礎(chǔ)上引入新的電路拓?fù)浜蛿?shù)據(jù)處理技術(shù)而形成的新技術(shù)。SRM中的整流器受到功率開關(guān)（MOSFET、GTO 或 IGBT）的控制[2]，功率開關(guān)的導(dǎo)通（ON）與截止（OFF）狀態(tài)受控于嵌入模塊的智能芯片。智能芯片（MCU、DSP、ARM 或 FPGA）檢測電網(wǎng)電壓的波形，計算THD和功率因數(shù)PF，確定補償方案[3?4]；通過驅(qū)動電路，控制功率開關(guān)的狀態(tài)，使整流器有選擇地從電網(wǎng)吸取電流。為了減少功率損耗，提高基于SRM的電力變換器的轉(zhuǎn)換效率，SRM中采用準(zhǔn)諧振軟開關(guān)技術(shù)，使應(yīng)用這項技術(shù)的電源產(chǎn)品降低能耗、減小體積、提高效率。智能芯片和軟開關(guān)技術(shù)的引入再加上對功率開關(guān)工作狀態(tài)的監(jiān)控，可形成對SRM最有效的保護(hù)機(jī)制，有可能使其被燒毀的概率降至為零，工作壽命也會大幅度延長?；赟RM的電源產(chǎn)品包括各種開關(guān)穩(wěn)壓電源、充電器、電子鎮(zhèn)流器和變頻器等，應(yīng)用非常廣泛[5]。

SRM屬于非線性混合控制系統(tǒng)，基于小信號模型用線性控制方法進(jìn)行研究已不適應(yīng)。為提高整流器的性能，應(yīng)采用非線性控制理論或新的控制方式研究控制方案[1]。應(yīng)用于PWM整流器的控制算法主要有：功率控制[6?7]、反饋線性化控制[8]、基于Lyapunov穩(wěn)定性理論的控制[9?10]、基于無源控制理論的控制[11?12]、基于自抗擾理論的控制[13]和基于反步法的控制[14]等，為SRM 控制算法的研究提供了很好的基礎(chǔ)。SRM控制算法的研究將在這些算法的基礎(chǔ)上，引入電壓波形預(yù)測和電流指令加權(quán)后，提出自己的獨特的控制算法。

當(dāng)電網(wǎng)中存在諧波污染時，電壓波形不再是正弦波，電壓波形偏離正弦波的程度，由智能芯片測得。智能芯片測量每個周期的電壓波形得到的信息可以給出當(dāng)前周期中電壓波形的估計值，用作控制系統(tǒng)的輸入信號。本文中SRM采用“直接電流控制”方案，直接電流控制采用交流電流內(nèi)環(huán)、直流電壓外環(huán)的控制系統(tǒng)。雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，電壓外環(huán)輸出與電網(wǎng)電壓波形信息共同形成電流指令，電流內(nèi)環(huán)則控制輸入電流快速響應(yīng)電流指令，電流指令是整流器網(wǎng)側(cè)電流的期望波形。對于PWM整流器，電流的期望波形是正弦波，近似單位功率因數(shù)和接近無諧波輸出是其重要特點。對于本文提出的SRM，電流指令取決于當(dāng)前的電壓波形，如果當(dāng)前電壓波形有失真（偏離正弦波形），此時的電流波形也要偏離正弦波。SRM的網(wǎng)側(cè)電流含有諧波，其相位與電網(wǎng)中存在的諧波電流相反，因此電網(wǎng)中的諧波污染得以減少，網(wǎng)側(cè)電壓波形也得到矯正。如果網(wǎng)側(cè)電壓波形沒有失真，電流指令應(yīng)該是正弦波，此時電壓波形也無須校正。

2 SRM電路拓?fù)?/p>

SRM的電路拓?fù)浼案魈庪妷弘娏鞑ㄐ稳鐖D1所示。SRM與普通整流器相比，增加了兩只功率開關(guān)，[T1，T2]和一只濾波電感[L。]

加在功率開關(guān)[T1]和[T2]控制極[G1]和[G2]上的電壓波形如圖1（b）中[UG1]和[UG2]所示，從圖中可以看到相應(yīng)的輸入電壓和電流的波形，SRM中網(wǎng)側(cè)輸入電流的位置受到[UG1]和[UG2]的控制。在電網(wǎng)電壓的下降段，通過電感的電流[IL]在功率開關(guān)導(dǎo)通的[t1]時刻從零開始增加并向電容[C]充電，充電電流波形如圖1（c）所示，充電結(jié)束時[（t2]時刻）電感電流降為零。功率器件的開通與截止兩個開關(guān)狀態(tài)都是處于電路的零電流時刻，[IL=0，]故稱功率開關(guān)為零電流型軟開關(guān)（ZCS）；電感電流[IL]電感[L]向電容[C]充電過程中處于準(zhǔn)諧振狀態(tài)，故稱SRM是基于諧振軟開關(guān)的。

3 SRM的控制方案

SRM控制電路的任務(wù)是提供兩只功率開關(guān)的控制信號，使整流器在合適的電壓位置處從電網(wǎng)吸收電流。

控制系統(tǒng)方框圖如圖2所示。3路模擬輸入信號分別是電網(wǎng)電壓、電感電流和輸出電壓，驅(qū)動電路輸出兩路功率開關(guān)的控制信號。MCU應(yīng)選擇有多路A/D轉(zhuǎn)換的控制芯片，要求在半個周期（10 ms）內(nèi)完成從信號采集，運算處理到輸出控制脈沖全過程。

完整的SRM是圖1（a）電路拓?fù)浜蛨D2所示控制電路構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)。

4 基于SRM的開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計方案

基于SRM的開關(guān)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)框圖如圖3所示。與普通開關(guān)電源相比，基于SRM的開關(guān)穩(wěn)壓電源的控制電路以智能芯片為核心，增加了對電網(wǎng)電壓的采樣，電壓控制方案與SRM 的控制方案基本相同。智能控制電路要對電網(wǎng)電壓、電感電流和輸出電壓三個信號進(jìn)行采樣，按設(shè)定的算法控制開關(guān)管的通斷（占空比）），使輸出電壓穩(wěn)定在一定范圍之內(nèi)。

控制電路對占空比的加權(quán)作用不應(yīng)該是即時的，一般情況下應(yīng)在延時一個電網(wǎng)電壓周期后有效，這應(yīng)該是智能芯片的運算速度允許的。

通過對電感電流的采樣，智能芯片能夠獲得網(wǎng)側(cè)電流信息，再通過與電流指令信息比較，獲得對占空比的加權(quán)信號，控制功率開關(guān)的工作狀態(tài)，使網(wǎng)側(cè)電流跟蹤電流指令。電感電流還可用于控制功率開關(guān)的工作狀態(tài)。對于負(fù)載電流變化較快的用電器，亦可用于通過調(diào)整占空比使輸出電壓更快地趨于穩(wěn)定。

5 仿真實驗

仿真結(jié)果表明，電網(wǎng)中只要有一部分（約占總功率的40%）基于SRM的用電器，即可達(dá)到圖5所示效果，功率因數(shù)PF=0.998，能夠達(dá)到與100%理想PWM整流器基本相同的電網(wǎng)效率。

PWM整流器需要4～6個功率開關(guān)且控制電路復(fù)雜，高昂的成本使其難以得到推廣；同等功率的SRM只需1～2個功率開關(guān)，控制電路也相對簡單。PWM整流器對電網(wǎng)中存在的諧波污染和電壓波形失真無能為力；SRM能夠吸收電網(wǎng)中的諧波電流，對電壓波形也有矯正作用。

6 結(jié) 語

基于SRM的電力電子裝置在從電網(wǎng)吸取電流并在向負(fù)載供電的同時，還能對電網(wǎng)電壓的波形進(jìn)行補償，使電網(wǎng)電壓波形接近正弦波形。SRM自動選擇在電網(wǎng)阻抗最大處導(dǎo)通，從電網(wǎng)吸收電流，足夠多的SRM將使電網(wǎng)的阻抗總體上趨于均勻。SRM的調(diào)節(jié)作用，可以實現(xiàn)對電網(wǎng)的有功功率補償，而無需消耗額外的電能。

值得肯定的是，哪怕是一小部分基于傳統(tǒng)的二極管或晶閘管的整流器被SRM取代，電網(wǎng)中諧波干擾的降低情況也是可以預(yù)知的?；赟RM的用電器會吸收一部分向電網(wǎng)發(fā)出的高次諧波，而不會向電網(wǎng)輸出新的諧波輻射。更令人樂觀的展望是，電網(wǎng)中多數(shù)整流器使用SRM技術(shù)，一個基本上無諧波干擾的電網(wǎng)將呈現(xiàn)在人們面前。

參考文獻(xiàn)

[1] 王久和.電壓型 PWM整流器的非線性控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2] ON Semiconductor. Rectifier applications handbook： reference manual and design guide [EB/OL]. [2001?11?02]. http：//www. onsemi.com/tech?support.

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[10] WANG Jiu?he， XIA Pei?rong， ZHANG Jin?long. Control strategy of three?phase AC/DC voltage?source converters based on storage function [C]// Proceedings of 2008 Workshop on Power Electronics and Intelligent Transportation System. Guangzhou， China： PEITS， 2008： 117?121.

[11] ESCOBAR G， ORTEGA R， SIRA?RAMIREZ H， et al. A hybrid passivity based control design for a three phase voltage sourced reversible boost type rectifier [C]// Proceedings of the 37th IEEE Conference on Decision and Control. Tampa， Florida， USA： IEEE， 1998： 2035?2040.

[12] 喬樹通，姜建國.三相Boost型PWM整流器輸出誤差無源性控制[J].電工技術(shù)學(xué)報，2007，22（2）：68?73.

[13] 韓京清.自抗擾控制器及其應(yīng)用[J].控制與決策，1998，13（1）：19?23.

[14] 胡躍明.非線性控制系統(tǒng)理論與應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002.

[15] 涂永昌，劉建功，王偉.基于瞬時無功功率理論的諧波檢測改進(jìn)算法研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（3）：145?147.

3 SRM的控制方案

SRM控制電路的任務(wù)是提供兩只功率開關(guān)的控制信號，使整流器在合適的電壓位置處從電網(wǎng)吸收電流。

控制系統(tǒng)方框圖如圖2所示。3路模擬輸入信號分別是電網(wǎng)電壓、電感電流和輸出電壓，驅(qū)動電路輸出兩路功率開關(guān)的控制信號。MCU應(yīng)選擇有多路A/D轉(zhuǎn)換的控制芯片，要求在半個周期（10 ms）內(nèi)完成從信號采集，運算處理到輸出控制脈沖全過程。

完整的SRM是圖1（a）電路拓?fù)浜蛨D2所示控制電路構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)。

4 基于SRM的開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計方案

基于SRM的開關(guān)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)框圖如圖3所示。與普通開關(guān)電源相比，基于SRM的開關(guān)穩(wěn)壓電源的控制電路以智能芯片為核心，增加了對電網(wǎng)電壓的采樣，電壓控制方案與SRM 的控制方案基本相同。智能控制電路要對電網(wǎng)電壓、電感電流和輸出電壓三個信號進(jìn)行采樣，按設(shè)定的算法控制開關(guān)管的通斷（占空比）），使輸出電壓穩(wěn)定在一定范圍之內(nèi)。

控制電路對占空比的加權(quán)作用不應(yīng)該是即時的，一般情況下應(yīng)在延時一個電網(wǎng)電壓周期后有效，這應(yīng)該是智能芯片的運算速度允許的。

通過對電感電流的采樣，智能芯片能夠獲得網(wǎng)側(cè)電流信息，再通過與電流指令信息比較，獲得對占空比的加權(quán)信號，控制功率開關(guān)的工作狀態(tài)，使網(wǎng)側(cè)電流跟蹤電流指令。電感電流還可用于控制功率開關(guān)的工作狀態(tài)。對于負(fù)載電流變化較快的用電器，亦可用于通過調(diào)整占空比使輸出電壓更快地趨于穩(wěn)定。

5 仿真實驗

仿真結(jié)果表明，電網(wǎng)中只要有一部分（約占總功率的40%）基于SRM的用電器，即可達(dá)到圖5所示效果，功率因數(shù)PF=0.998，能夠達(dá)到與100%理想PWM整流器基本相同的電網(wǎng)效率。

PWM整流器需要4～6個功率開關(guān)且控制電路復(fù)雜，高昂的成本使其難以得到推廣；同等功率的SRM只需1～2個功率開關(guān)，控制電路也相對簡單。PWM整流器對電網(wǎng)中存在的諧波污染和電壓波形失真無能為力；SRM能夠吸收電網(wǎng)中的諧波電流，對電壓波形也有矯正作用。

6 結(jié) 語

基于SRM的電力電子裝置在從電網(wǎng)吸取電流并在向負(fù)載供電的同時，還能對電網(wǎng)電壓的波形進(jìn)行補償，使電網(wǎng)電壓波形接近正弦波形。SRM自動選擇在電網(wǎng)阻抗最大處導(dǎo)通，從電網(wǎng)吸收電流，足夠多的SRM將使電網(wǎng)的阻抗總體上趨于均勻。SRM的調(diào)節(jié)作用，可以實現(xiàn)對電網(wǎng)的有功功率補償，而無需消耗額外的電能。

值得肯定的是，哪怕是一小部分基于傳統(tǒng)的二極管或晶閘管的整流器被SRM取代，電網(wǎng)中諧波干擾的降低情況也是可以預(yù)知的。基于SRM的用電器會吸收一部分向電網(wǎng)發(fā)出的高次諧波，而不會向電網(wǎng)輸出新的諧波輻射。更令人樂觀的展望是，電網(wǎng)中多數(shù)整流器使用SRM技術(shù)，一個基本上無諧波干擾的電網(wǎng)將呈現(xiàn)在人們面前。

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[15] 涂永昌，劉建功，王偉.基于瞬時無功功率理論的諧波檢測改進(jìn)算法研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（3）：145?147.

3 SRM的控制方案

SRM控制電路的任務(wù)是提供兩只功率開關(guān)的控制信號，使整流器在合適的電壓位置處從電網(wǎng)吸收電流。

控制系統(tǒng)方框圖如圖2所示。3路模擬輸入信號分別是電網(wǎng)電壓、電感電流和輸出電壓，驅(qū)動電路輸出兩路功率開關(guān)的控制信號。MCU應(yīng)選擇有多路A/D轉(zhuǎn)換的控制芯片，要求在半個周期（10 ms）內(nèi)完成從信號采集，運算處理到輸出控制脈沖全過程。

完整的SRM是圖1（a）電路拓?fù)浜蛨D2所示控制電路構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)。

4 基于SRM的開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計方案

基于SRM的開關(guān)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)框圖如圖3所示。與普通開關(guān)電源相比，基于SRM的開關(guān)穩(wěn)壓電源的控制電路以智能芯片為核心，增加了對電網(wǎng)電壓的采樣，電壓控制方案與SRM 的控制方案基本相同。智能控制電路要對電網(wǎng)電壓、電感電流和輸出電壓三個信號進(jìn)行采樣，按設(shè)定的算法控制開關(guān)管的通斷（占空比）），使輸出電壓穩(wěn)定在一定范圍之內(nèi)。

控制電路對占空比的加權(quán)作用不應(yīng)該是即時的，一般情況下應(yīng)在延時一個電網(wǎng)電壓周期后有效，這應(yīng)該是智能芯片的運算速度允許的。

通過對電感電流的采樣，智能芯片能夠獲得網(wǎng)側(cè)電流信息，再通過與電流指令信息比較，獲得對占空比的加權(quán)信號，控制功率開關(guān)的工作狀態(tài)，使網(wǎng)側(cè)電流跟蹤電流指令。電感電流還可用于控制功率開關(guān)的工作狀態(tài)。對于負(fù)載電流變化較快的用電器，亦可用于通過調(diào)整占空比使輸出電壓更快地趨于穩(wěn)定。

5 仿真實驗

仿真結(jié)果表明，電網(wǎng)中只要有一部分（約占總功率的40%）基于SRM的用電器，即可達(dá)到圖5所示效果，功率因數(shù)PF=0.998，能夠達(dá)到與100%理想PWM整流器基本相同的電網(wǎng)效率。

PWM整流器需要4～6個功率開關(guān)且控制電路復(fù)雜，高昂的成本使其難以得到推廣；同等功率的SRM只需1～2個功率開關(guān)，控制電路也相對簡單。PWM整流器對電網(wǎng)中存在的諧波污染和電壓波形失真無能為力；SRM能夠吸收電網(wǎng)中的諧波電流，對電壓波形也有矯正作用。

6 結(jié) 語

基于SRM的電力電子裝置在從電網(wǎng)吸取電流并在向負(fù)載供電的同時，還能對電網(wǎng)電壓的波形進(jìn)行補償，使電網(wǎng)電壓波形接近正弦波形。SRM自動選擇在電網(wǎng)阻抗最大處導(dǎo)通，從電網(wǎng)吸收電流，足夠多的SRM將使電網(wǎng)的阻抗總體上趨于均勻。SRM的調(diào)節(jié)作用，可以實現(xiàn)對電網(wǎng)的有功功率補償，而無需消耗額外的電能。

值得肯定的是，哪怕是一小部分基于傳統(tǒng)的二極管或晶閘管的整流器被SRM取代，電網(wǎng)中諧波干擾的降低情況也是可以預(yù)知的?；赟RM的用電器會吸收一部分向電網(wǎng)發(fā)出的高次諧波，而不會向電網(wǎng)輸出新的諧波輻射。更令人樂觀的展望是，電網(wǎng)中多數(shù)整流器使用SRM技術(shù)，一個基本上無諧波干擾的電網(wǎng)將呈現(xiàn)在人們面前。

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