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并联型有源电力滤波器谐波检测及控制技术研究

谢斌

  电力电子技术的广泛应用为工业设备提供了高速、高效和节能的控制手段,但同时也给电网注入了不可忽视的无功以及谐波电流。有源电力滤波器是一种高效、稳定、灵活的优化电能质量的重要而且先进的手段,它的应用在提高公用电网质量上将占据重要地位。 本文首先介绍了谐波的产生及危害、国际及国家规定的谐波标准、谐波抑制的方法、有源电力滤波器的分类以及基本工作原理。 并联型有源电力滤波器常见的主电路结构有三相三线APF、电容中点型三相四线APF和三相四桥臂APF。数学模型是所有研究工作的基础,本文分别建立了三种主电路在同步旋转坐标系下的数学模型。虽然这些数学模型中存在着d轴与q轴电流的耦合,但在同步旋转坐标系下基波正序分量被变换成直流分量给控制策略带来了优势。 对于三种主电路来说,在同步旋转坐标系下的双闭环控制策略基本相同。三相三线APF采用了SVPWM策略,电容中点型三相四线APF采用了SPWM策略,三相四桥臂APF采用了3D-SVPWM策略。调制策略的不同造成了直流侧电压利用率的不同,也即是相同的直流侧电压下APF的补偿能力不同。电容中点型APF与三相四桥臂APF相比有着以下缺点:由于采用了SPWM算法,输出波形畸变率较大,直流侧电压利用率较低,需要提高直流侧电压以满足补偿精度的要求;由于电容中点与零线相连,当需要补偿不平衡电流时,电容上会流过补偿电流,将会导致电容的使用寿命的减少。而优势在于结构简单,节省了一个桥臂的IGBT及输出电抗;SPWM算法实现简单,编程容易;由于该主电路与三相三线有源电力滤波器使用相同的主电路、控制电路,在实际工业应用时,可补偿三相三线系统和三相四线系统的谐波电流,对于不同的系统采用不同的控制软件即可。总的来说,目前国内外的APF产品多采用电容中点型的拓扑结构,这样既可以应用于三相三线系统,也可以应用于三相四线系统。 直流侧电压控制是并联型有源电力滤波器的关键技术之一。直流侧电压的指令值都是根据电网电压的工作范围、APF的直流侧电容、额定输出电流、PWM逆变器输出侧电感、电流电压调节器以及调制策略等参数设计一个固定值,这样设计出来的直流侧电压指令值通常比较高。而较高的直流侧电压需要较大的直流侧电容耐压值同时带来了较大的开关损耗。直流侧电压的大小影响了APF的功率损耗大小。另一方面,直流侧电压的大小又会影响APF的补偿性能。本文提出了一种采用下垂调节器来控制直流侧电压指令值的控制策略。当电网电压升高时,提高直流侧电压,从而提高APF的补偿性能;当电网电压降低时,降低直流侧电压,在保证APF的补偿性能的基础上降低功率损耗。采用下垂调节器能够实现APF功率损耗和补偿性能的综合优化。 谐波检测算法是影响有源电力滤波器性能的一个关键因素。在负载波动时,有源电力滤波器的动态响应速度与谐波电流指令的跟踪速度密切相关。通常负载电流发生变化时,任何谐波检测算法都需要一定的时间来跟踪这个变化,而这个时间的大小也就是谐波检测算法的动态响应时间。在这个动态响应时间内,谐波检测算法计算出的谐波指令是存在误差的。如果在负载电流的波动中含有有功电流的波动,则对于不同的谐波检测算法来说,这个误差也不相同。通常对各种谐波检测算法的分析仅包括了动态响应速度的分析,比较其动态响应时间,而并没有分析在动态响应时间内这个误差对有源电力滤波器的工作是否会造成影响。本文将以同步坐标变换检测算法和递归的离散傅立叶变换检测算法为例,来介绍基波提取算法和谐波直接提取算法在负载波动的暂态过程中对直流侧电压控制的影响。 为提高有源电力滤波器的补偿性能和动态响应,本文提出了一种基于多同步旋转坐标的谐波电流控制策略,采用通过与某指定次正序或负序谐波角速度同步的旋转坐标变换,将该指定次谐波变成直流量,实现指定次谐波的检测和PI控制,从而实现对某指定次谐波电流的无静差补偿。完整的谐波电流控制器由多个独立的不同角速度的谐波电流控制器叠加组成。本文建立了APF在谐波旋转坐标系下的数学模型,针对谐波坐标系下的电流耦合提出一种更简单的综合解耦策略。对提出的指定次谐波电流控制器进行了分析,从理论上证明了与传统的电流环控制方法相比,指定次谐波控制可以使得补偿精度明显提高,利用零极点对消方法对提出的控制器参数进行了设计。试验结果验证了提出的控制策略的优越性。 最后在以上研究的基础上,本文研制了三台并联型有源电力滤波器装置,采用了三种主电路结构。在这些装置基础上本文对调制策略、谐波检测算法、直流侧电压控制和电流调节器等进行了大量的实验研究,实验验证了本文论述的观点。……   
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