基于无谐波检测的有源电力滤波器模型预测控制研究

摘要

在我国低压三相四线制供电系统中，由各类非线性和不对称负载引起的谐波以及中性线电流问题日益突出。三相四线制有源电力滤波器（APF）作为一种能有效改善电网谐波和不平衡电流问题的装置备受关注。本文以三桥臂电容中分型 APF为研究对象，对基于无谐波电流检测的模型预测电流跟踪控制策略展开研究。
　　首先，为简化控制系统和降低成本，以综合补偿谐波与无功电流为目标，研究了一种基于无谐波检测的 APF电网电流直接控制策略。通过分析 APF交、直流侧的能量传递过程，指出直流侧电压控制输出可作为无谐波检测方案中的指令电流。推演分析传统APF谐波检测环节的等效形式，并由此讨论检测误差影响，证明在综合补偿目标下可省去谐波检测环节，再通过进一步简化推出电网电流直接控制策略。经过总结，分别从四个方面对比分析有、无谐波检测环节的两种APF控制策略。
　　其次，因有限控制集模型预测控制（FCS-MPC）简单易行、响应快速，将其应用于电容中分型 APF的电流跟踪控制策略中。建立三维坐标系下的系统数学模型，分析三相电流耦合消除和不平衡电流抑制原理。先后推导出以补偿电流、电网电流为控制对象的两种预测模型，并建立相应的单目标与多目标控制下的评价函数，对比分析两种模型下的控制流程。推导模型预测控制下由控制延时与电感失配系数决定的系统稳定性条件。采用双环PI控制以保证直流侧电容电压的稳定和均衡，并设计控制器参数。
　　再次，针对常规模型预测控制方法存在的采样频率高、开关频率不固定等问题，给出了一种适用于所研究APF结构的定频模型预测控制方法。该方法结合SVPWM实现原理，通过空间划分和电网电压矢量定位，确定每个控制周期输出所需的基本电压矢量组合，并根据预测模型计算出各矢量的作用时间，经过脉冲调制，最终可实现开关频率的基本固定，获得更好的补偿性能。对定频控制下的系统实现流程和电流跟踪控制过程进行分析，总结其与常规模型预测控制方法之间的区别。
　　最后，设计了 APF系统主要仿真参数，并对所研究电流控制策略进行仿真分析。仿真结果表明，在综合补偿时，直流侧电压控制能自动补偿有功检测误差，验证了无谐波检测方案的可行性；并且在模型预测控制下电流动态响应迅速，与有谐波检测时相比，无谐波检测策略下系统的稳态补偿效果更好。通过仿真分析采样频率、多目标权值系数、控制延时以及电感失配系数对系统补偿性能的影响，为控制性能的进一步优化提供了参考依据。此外，仿真结果显示直流侧稳压和均压控制性能良好，验证了双环 PI控制的有效性。通过与常规模型预测控制的仿真对比，表明定频模型预测控制下系统的动态响应速度相当，但稳态补偿精度更高，且受参数变化影响较小。

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变量注释表

1绪论

1.1研究背景（Research Background）

1.2研究现状(Research Status)

1.3本文主要研究内容（Main Contents）

2无谐波电流检测策略的原理与分析

2.1 APF交、直流侧的能量传递（Power Transfer Between the AC and DC Side of APF）

2.2 传统APF控制策略及其等效推演（Traditional APF Control Strategy and Its Equivalent Deduction）

2.3 无谐波检测控制策略（ Control Strategy Without Harmonic Detection）

2.4 两种控制策略的对比分析（ Comparative Analysis of Two Control Strategies）

2.5本章小结（Summary）

3基于无谐波检测的四线制APF模型预测控制

3.1四线制APF数学模型（Mathematical Model of Four-wire APF）

3.2基于无谐波检测的模型预测控制原理与分析（Principle and Analysis of the Model Predictive Control Without Harmonic Detection）

3.3控制系统稳定性分析（Stability Analysis of Control System）

3.4直流侧电容电压控制（Voltage Control of the Capacitor on DC Side）

3.5本章小结（Summary）

4四线制APF的定频模型预测控制

4.1 常规模型预测控制存在的问题（ Problems in Conventional Model Predictive Control）

4.2 定频模型预测控制的原理（Principle of the Model Predictive Control with Fixed Switching Frequency）

4.3定频控制的具体实现分析（Analysis of Specific Implementation of the Control Method with Fixed Switching Frequency）

4.4本章小结（Summary）

5基于无谐波检测的APF模型预测控制仿真分析

5.1系统主要参数设计（Design of Main System Parameters）

5.2 负载特性与无谐波检测策略的验证（ Load Characteristics and Verification of the Strategy Without Harmonic Detection）

5.3 基于无谐波检测的常规模型预测控制仿真（ Simulation of the Conventional Model Predictive Control Without Harmonic Detection）

5.4 四线制 APF 的定频模型预测控制仿真（ Simulation of the Model Predictive Control with Fixed Switching Frequency for Four-wire APF）

5.5本章小结（Summary）

6总结与展望

6.1总结（Conclusions）

6.2展望（Prospects）

参考文献

作者简历

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