高性能模块化并联有源电力滤波器若干关键技术研究

摘要

随着电力电子技术和电力自动化设备在工业现场的大范围使用，电气自动化水平和电力生产效率得到提高的同时，由此带来的电能质量问题的日益严重。并联有源电力滤波器(Shunt Active Power Filter，SAPF)作为电能质量治理的主要装置之一，近年来在大量工业现场投入使用，但随着工业现场电能质量问题的复杂化，对SAPF的性能提出了更高的要求，同时，模块化SAPF以其可靠灵活扩容的特点也在目前谐波量大量增加的工业现场得到了广泛的应用，因此，如何研制更高性能，更高可靠性的模块化SAPF系统成为了目前的研究热门。本文以此为切入点，对SAPF的高性能和模块化技术所涉及的若干关键技术进行了深入的研究。 谐波检测环节作为SAPF控制的第一个环节，其性能的优劣直接决定了SAPF的性能。本文对SAPF常采用的滑窗离散傅里叶(SDFT)谐波检测算法为研究对象，对其离散传递函数进行了深入的分析，发现了SDFT算法存在的延时长、稳定性差的根本原因分别来自与SDFT算法中包含的梳状滤波器环节和特征频率谐振器环节。针对梳状滤波器，本文通过重新配置梳状滤波器方式，将无用的零点移出，提高了SDFT的动态性能，同时，通过旋转零点的方式，使梳状滤波器零点移至指定频率处。针对SDFT算法存在的稳定性问题，本文将特征频率谐振器含旋转因子的极点通过预旋转的方式，移至实数1处，使数字化特征频率谐振器时，不再存在量化误差，从而消除SDFT的稳定性问题。接着针对三种特征负载，详细设计了对应的改进SDFT谐波提取算法。最后实验验证了本文所提的改进SDFT算法的有效性。 针对SAPF控制系统最重要的谐波跟踪环节，本文引入重复控制作为电流环的控制策略。关注到重复控制内模发生器存在的1个周波延时的固有缺陷，本文利用对内模发生器极点重新配置的方式，提出了内模发生器的通用改进方法，进而提出了可灵活配置的通用快速重复控制设计方法。随后深入分析改进后的快速重复控制器的稳定性、谐波跟踪能力、误差收敛速度等性能，并基于分析结果，利用重复控制典型的嵌入式结构，设计了PI+重复控制的双环控制结构，并给出了详细的通用快速重复控制的补偿环节设计方法。接着，针对三种典型的谐波负载，分别详细设计了其对应的快速重复控制器，给出了其数字实现方式。最后，设计了不同负载情况的工况的实验条件，完成了对应的快速重复控制器的实验验证，实验结果显示了本文所提的方法的有效性和高效性。 当SAPF工作时，直流侧不可避免的存在波动，这种波动将影响SAPF的补偿性能。因此，本文对SAPF补偿各种不同谐波、无功、不平衡时直流侧存在的波动，进行了统一的数学建模，推导了SAPF在所有补偿情况下的直流侧波动模型。为消除直流侧波动对SAPF补偿性能的影响，本文设计了一种直流侧波动吸收电路。通过详细的硬件和控制器设计，将SAPF直流侧波动量吸收至直流侧波动电路上，从而消除了SAPF上的直流侧波动。而针对三相四线制三电平SAPF存在的上下电容不均压的问题，本文通过分析中线电流与不均压量间的数学模型，引出了基于正负电平占空比的均压因子。通过调制波计算整个周期内的均压因子，从而计算了均压所需的均压电流。将计算所得的均压电流加入控制环，消除了上下电容不均压的问题。最后对本文提出的直流侧波动吸收和直流侧均压控制分别设计了对应的实验，实验结果验证了本文所提方法的有效性。 在完成了以上提高单模块SAPF性能的技术后，本文针对模块化并联SAPF系统进行了研究。首先，本文通过分析模块化并联SAPF系统的诺顿等效电路，发现系统中各个模块与电网存在复杂的耦合关系，为降低耦合程度，必须使每个模块的软硬件参数尽量一致。进一步的，当每个模块的软硬件参数一致的情况下，分析模型发现电网阻抗对系统中每个模块来说都增大了，增加的倍数与系统中的模块数相同。从而，本文给出了系统中模块数量的限制条件，确保了系统中每个模块都能在电网阻抗放大效应下正常工作。根据模块化并联SAPF系统的数学模型，本文设计了一种系统集中控制策略，通过上位机统一控制系统中每个模块，并在集中控制的基础上，设计了保证各个模块一致性的负载采样方案和基于平均值均压系数的均压控制方案。同时，为了保证SAPF每个模块运行在自身容量范围内，保证可靠性，提出了一种复合限流控制方法，通过灵活运用比例限流和截断限流的优点，将限流所带来的风险和畸变降到最低。最后，在研制的三模块并联SAPF系统中，通过了本文提出方法的验证。

目录

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论文说明

致谢

摘要

图索引

表索引

符号及术语

第1章绪论

1．1．2 谐波问题的产生和危害

1．1．3 谐波的标准和治理

1．2并联有源电力滤波器国内外研究现状

1．2．1 有源电力滤波器的发展

1．2．2 有源电力滤波器的分类和典型拓扑结构

1．3高性能模块化并联有源电力滤波器关键技术

1．3．1 谐波电流检测技术

1．3．2 电流跟踪控制技术

1．3．3 直流侧电压控制技术

1．3．4 多模块并联系统控制技术

1．4本文选题意义和主要研究内容

第2章基于改进型滑窗离散傅里叶的快速谐波提取算法

2．1滑窗迭代傅里叶变换SDFT

2．2 SDFT的改进

2．2．1 梳状滤波器的改进

2．2．2特征频率谐振器的改进

2．3改进SDFT谐波提取算法的实现

2．3．1 6k+1次SDFT的谐波提取实现

2．3．2 6k±1次SDFT的谐波提取实现

2．3．3 2k+1次SDFT的谐波提取实现

2．4实验验证

2．4．1 6k+1次SDFT谐波提取实验

2．4．2 6k±1次SDFT谐波提取实验

2．4．3 2k+1次SDFT谐波提取实验

2．4．4 选择性谐波补偿实验结果

2．5本章小结

第3章可灵活配置的通用快速重复控制设计方法

3．1引言

3．2重复控制的原理

3．2．1内模原理

3．2．2内模发生器对重复控制性能的影响

3．3重复控制的改进

3．3．1快速重复控制内模发生器

3．3．2通用的mk+i快速重复控制内模

3．3．3通用的快速重复控制

3．4通用快速重复控制性能分析

3．4．1通用快速重复控制的改进

3．4．2误差收敛分析

3．5双环重复控制系统设计

3．5．1控制对象建模

3．5．2重复控制补偿环节设计

3．5．3加入补偿环节后双环控制器的性能

3．6不同负载条件下的SAPF控制系统设置

3．6．1静止坐标系下6k+1快速重复控制

3．6．2分相控制的6k±1快速重复控制

3．6．3分相控制的2k+1快速重复控制

3．7实验验证

3．7．1静止坐标系下6k+1快速重复控制实验验证

3．7．2分相控制6k±1快速重复控制实验验证

3．7．3 分相控制2k+1快速重复控制实验验证

3．8本章小结

第4章有源电力滤波器直流侧优化设计及其控制策略

4．1引言

4．2 SAPF直流侧电压波动分析

4．2．1 基于能量平衡的直流侧波动计算

4．2．2 直流侧电流波动对输出电流的影响

4．3 SAPF直流侧波动补偿电路设计

4．3．1 直流侧波动吸收电路参数设计

4．3．2 波动吸收电路控制策略

4．4 SAPF直流侧均压控制

4．4．1 直流侧均压模型

4．4．2 直流侧均压策略

4．5实验验证

4．5．1 直流侧补偿吸收电路实验验证

4．5．2 直流侧均压策略验证

4．6本章小结

第5章模块化并联SAPF系统建模及其控制策略

5．1模块化SAPF系统模型

5．1．1 单模块SAPF建模

5．1．2 多模块并联SAPF系统模型

5．2模块化SAPF系统谐振特性分析

5．3模块化并联SAPF系统的集中控制策略

5．4模块化SAPF系统运行控制策略

5．4．1 负载电流采样

5．4．2 均流控制

5．4．3 限流保护

5．5实验验证

5．5．1 三模块并联SAPF系统稳态实验

5．5．2 三模块并联SAPF系统动态实验

5．5．3 模块限流实验

5．6本章小结

第6章总结与展望

6．1本文工作总结

6．2未来工作展望

参考文献

附录