基于二极管钳位型三电平拓扑的电力有源滤波器跟踪控制研究

摘要

近年来,随着电力系统中各类非线性负荷的大量投入,由开关动作产生的大量谐波及次谐波分量不断注入电网,导致了电能质量急剧下降,严重影响着供、用电设备的安全经济运行。因此,如何提高电网的电能质量已成为电力公司和用电客户日益关注的问题。而电力有源滤波器作为治理谐波污染、改善电能质量最有效的方式之一,逐渐成为灵活交流输配电方向的一个研究热点。但受器件耐压水平的限制,传统两电平拓扑的电力有源滤波器难以实现对中高压非线性负载的谐波补偿。而自日本学者A.Nabae提出中点钳位型(Neutral-Point Clamped,NPC)三电平拓扑后,由于该技术具有降低开关管耐压值,减小开关管电压应力,改善输出波形质量,提高应用电压和功率等级等诸多优势,该结构已广泛应用于中高压交流电机传动、新能源发电等领域,特别在电网谐波抑制及无功补偿方面具有非常广阔的实用前景。本文主要针对二极管钳位型三电平拓扑的电力有源滤波器的跟踪控制方法进行了研究,为其在中高压大容量领域应用提供研究基础。
　　 本文对并联型电力有源滤波器的工作原理进行了深入分析,详细介绍了二极管钳位型三电平拓扑在三相静止坐标系下的数学模型,并通过坐标变换等方式进一步简化其数学模型。在此基础上,分析了二极管钳位型三电平拓扑的调制策略,着重分析钳位中点电位平衡问题产生的原因及解决方案,并运用矢量分析的方法研究基于二极管钳位型三电平拓扑的电力有源滤波器基本工作原理。
　　 在瞬时无功功率理论体系下,文中运用同步旋转坐标变换方式,将控制系统分为上层指令电流及跟踪控制两个模块。在上层指令电流算法的模块中,采用了基于瞬时无功理论的谐波检测方法。以计算ip和iq为出发点,通过Clark变换和pq变换,得到指令电流。跟踪控制模块的设计,以同时减小开关频率和电流跟踪误差为控制目标,文中提出了一种电力有源滤波器电压空间矢量双滞环电流跟踪控制的新方法。该方法直接在复平面上实施控制,能够准确给出参考电压矢量,并结合误差电流矢量与双滞环选择优化的开关状态输出。
　　 针对二极管钳位型三电平电力有源滤波器直流侧钳位中点电位不平衡问题,本文在传统矢量调制(SVPWM)及虚拟空间矢量调制(VSVPWM)的基础上,提出了一种改进的虚拟空间矢量调制方法,该方法通过将虚拟空间矢量分解到60°坐标系,无需进行扇区判断以及大量三角函数的计算,在每一次参考电压合成的同时即可完全解决中点电压偏移问题。
　　 考虑到中高压大容量电力有源滤波器单台功率等级限制问题,本文提出了一种多组APF间协调补偿的容量限制算法,即能根据自身容量,合理分配投运的APF数量,对电网谐波进行抑制,确保多组APF联合运行的安全可靠,便于容量的进一步扩充。
　　 在上述理论分析的基础上,针对二极管钳位型三电平电力有源滤波装置的整体设计、硬件电路的设计和软件程序的开发进行了探讨,提出了具体的实现方法。最后针对不同的功能模块,构建了该控制策略下的几组试验,仿真及试验结果表明,该控制策略补偿效果良好,为今后钳位型多电平电力有源滤波装置的实用奠定了一定的基础。