并联型APF时间最优抗启动冲击的控制算法研究

摘要

随着现代可控变换电力电子技术的快速发展，人们的生活质量得到提到，从中受益。但由于非线性动态负载所带来的谐波污染等问题，会使电能质量的利用降低。而有源电力滤波器(Active Power Filter，APF)不仅能提高电能质量的利用，而且在无功补偿及动态谐波抑制等方面效果显著。
　　针对APF投入电网时直流侧电容电压和交流侧电感电流存在着启动瞬时冲击而造成交直流侧电感、电容等元器件损坏及开关保护装置动作误差等问题，本文展开分析研究。通过启动限流电阻加PI控制的传统方法，存在着启动时间长、硬件成本高，因此需要更为先进、有效的控制策略对启动过程进行时间上的最优控制。针对传统PI控制的缺点，本文提出多种控制算法进行改进。通过不同控制算法的仿真结果对比分析，说明了各个控制算法在交直流侧并网抑制冲击的有效性。本文内容分以下四个模块:
　　(1)首先选择三相并联型APF为系统模板，讲述了系统的基本工作原理、大致分类，重点讲述了几种基于瞬时无功功率理论的谐波检测法。然后设计并建立了APF的数学模型，为接下来研究并网抑制冲击的控制算法做了铺垫。对于一些重要的系统参数，如:直流侧电容、电压，交流侧电感做了取值分析。
　　(2)基于对称分量法和瞬时能量法的理论推导，分析了直流侧电容电压启动时的波动最大幅值和波动畸变率。对于并网启动瞬间电压冲击过大的问题，提出选用时间最优的Bang-Bang控制算法来抑制冲击，对于稳定后的纹波电压，通过偏差阀值和模糊规则切换到模糊PI来进行消除。通过仿真实验对比分析，相比通过用预充电电阻或PI控制等传统方法，采用新的改进算法，并网抑制冲击效果较好，实现时间上的最优控制。
　　(3)对于交流侧电感电流并网瞬时冲击过大的问题，首先通过对有功和无功电流进行了详细的冲击过程理论分析，建立了目标函数，然后分析了基于电压外环和电流内环的双环分段启动分析，结果表明不能做到时间上的最优控制，存在延时缺点。最后是基于三相电流前馈解耦逐步增压的新型控制算法来降低并网电流端的瞬时冲击，抑制冲击电流效果最好，基本无冲击毛刺，且所用稳定时间较少。最后皆在仿真中验证了有效性。
　　(4)介绍了几种电力电子设备中常用的并网软启动方法，最后针对不同电容、电感值对系统并网启动的影响进行了仿真验证，确定了合适的参数值。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文主要研究内容

2 APF的工作原理及主电路参数设计

2．1 APF的基本工作原理

2．1．1 APF的分类

2．1．2 APF的基本电路理论及数学模型设计

2．2 基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测法

2．2．1 基于瞬时无功功率的理论分析

2．2．2 几种基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测法

2．3 APF主电路的参数设计

2．3．1 直流侧电压值的设计与选择

2．3．2 直流侧电容值的设计与选择

2．3．3 交流侧电感值的设计与选择

2．4 小结

3 APF直流侧电压启动控制优化策略研究

3．1 直流侧电压启动理论分析

3．1．1 基于对称分量法的计算

3．1．2 基于瞬时能量法的计算

3．2 直流侧电压的时间最优启动控制研究

3．2．1 基于Bang-Bang算法的时间最优控制理论分析

3．2．2 Bang-Bang控制在直流侧电压启动优化设计

3．3 基于偏差阀值切换的Bang-Bang模糊PI控制器设计

3．3．1 自适应模糊PI控制理论基础

3．3．2 直流侧电压时间最优模糊PI启动设计分析

3．4 基于直流侧电压模糊规则切换的时间最优模糊PI算法启动设计

3．5 小结

4 APF交流侧电感电流启动控制优化策略研究

4．1 时间最优目标函数的建立

4．2 交流侧电感电流启动理论分析

4．3 基于前馈解耦逐步增压的抗启动冲击电流分析

4．4 基于双环分段启动控制策略对比分析

4．5 小结

5 系统仿真验证

5．1 一般三相并联型APF仿真模型的搭建

5．2 几种并网软启动的方法

5．3 直流侧电压并网抑制冲击算法的仿真验证与分析

5．4 交流侧电感电流并网抑制冲击算法的仿真验证与分析

5．5 电容电感值对系统并网启动影响的仿真验证与分析

5．6 小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果