多模块有源电力滤波器并联系统若干关键技术及可靠性研究

摘要

电力电子技术的快速发展和电力自动化设备的广泛应用在推进工业生产力发展和提高电气自动化水平的同时，也使得电网谐波污染问题日益严重。有源电力滤波器(Active Power Filter,APF)作为谐波治理的主要有效装置之一，近几年得到了迅速普及和应用。工业现场对大容量、高功率密度和高可靠性的APF需求日益增多。模块化APF以其扩容灵活、可靠性高等优点成为一个重要发展方向和研究热点。本文以此为切入点，对多模块APF并联系统的若干关键技术及可靠性问题进行了深入研究。
　　为实现高补偿精度，本文引入重复控制作为模块内电流环的控制策略，并就其稳定性、谐波跟踪能力和误差收敛速度三个方面展开讨论。针对传统重复控制动态响应速度较慢的缺陷，本文从增加指令电流前馈通道和减小重复控制周期两个角度分析了重复控制快速化的实现方法。针对重复控制存在电网频率偏移时适应性较差、快速化时周期延迟环节N取值出现非正整数以及低采样频率下相位超前环节难以取到合适的整数阶超前拍次的问题，本文将分数阶思想引入，提出一种具有频率变化适应性的双分数阶重复控制器。通过在传统内模中引入有限个阶次相邻的整数阶内模得到基于分数阶周期延迟环节的新型内模，同理将传统固定整数拍次超前环节替代为有限个阶次相邻的整数阶超前环节模型，实现基于分数阶超前环节的相位补偿。接着详细设计了控制器，利用数学上经典的拉格朗日插值法实现相应环节分数化，对比了和传统方法的性能差异，并分析了低采样频率下超前环节取值的稳定性问题。最后通过实验验证了所提方法的正确性和有效性。
　　在设计完单模块电流控制策略的基础上，分析了多模块APF并联系统结构，并对组成单元功能及整体系统的基本工作原理进行了介绍。为提高模块内LCL滤波器的滤波性能，本文提出一种多目标四维可视化算法对其进行了优化设计。在此基础上分析了多模块APF并联系统的运行控制策略，利用负载电流的两级采样模式实现各模块调制信号的同步性，采取补偿系数平均分配的原则实现模块运行性能的一致性，并设计了一种基于平均值调节的均流控制方案实现输出电流差异的修正。为保证可靠性，提出一种基于APF补偿频段设定的复合指令电流限流控制策略。针对每个模块通讯前需要固化物理地址的缺陷，提出了一种基于Modbus协议的模块智能编号方法并实现了自适应性。最后在三模块并联系统平台上通过相关实验对所提方法进行了验证。
　　由于多模块并联系统中各个模块通过复杂的阻抗网络耦合在一起，为便于分析其谐振问题，首先推导建立了多模块系统的单相戴维南等效电路，并基于该数学模型分析了硬件参数、软件参数一致和非一致情况下的系统谐振特性。接着讨论了多模块系统并联谐振的抑制方法，针对基于滤波电容电流或电容电压反馈构成的传统有源阻尼需要增加额外传感器的缺陷，提出一种基于网侧电感电流高频分量反馈的新型有源阻尼，并对关键的反馈函数进行了分析设计，对比了其分别为高通滤波器和准谐振控制器时的谐振抑制特性和对谐波补偿性能的影响。在此基础上，建立了含新型有源阻尼的多模块APF并联系统数学模型，并同理进行了谐振特性分析。最后通过相关实验对所提方法加以了验证。
　　为了进一步提高系统的可靠性，本文对多模块APF并联系统的分层容错控制策略进行了研究。首先设计了一种模块内的开关冗余容错方案，并对容错后拓扑的可控性进行了验证。分析了开关冗余APF的四种运行模态及容错后的电压矢量特性，推导了其SVPWM控制算法及实现过程。针对开关冗余容错拓扑的电容电压不平衡问题，提出了一种具有直流中点偏移补偿能力的矢量控制方法。其次，针对多模块APF并联系统的运行控制特点，本文还提出一种基于分相控制和总线通讯的模块间容错方法，讨论了模块间补偿容量的转移机制，并分析了故障后三相不对称电路特性及电流环稳定性。最后通过实验验证了两种容错方案的可行性。

目录

声明

论文说明

摘要

图索引

表索引

符号及术语

致谢

1．1 引言

1．2 谐波产生、标准及治理

1．2．1 谐波的产生及危害

1．2．2 谐波标准

1．2．3 谐波治理技术

1．3 有源电力滤波器的发展和现状

1．3．1 有源电力滤波器的发展

1．3．2 有源电力滤波器的分类及典型拓扑

1．4 多模块APF并联系统关键技术问题

1．4．1 谐波电流检测技术

1．4．2 指令电流跟踪控制技术

1．4．3 输出滤波器优化设计

1．4．4 多模块并联系统运行控制策略

1．4．5 多模块系统谐振特性分析及抑制策略

1．4．6 多模块系统容错控制技术

1．5 本文主要研究内容

2．1 引言

2．2 重复控制原理及改进

2．2．1 内模原理

2．2．2 内模的改进

2．2．3 控制对象的补偿

2．3 重复控制性能分析

2．3．1 稳定性分析

2．3．2 谐波跟踪能力

2．3．3 误差收敛速度

2．4 快速重复控制

2．4．1 增加指令电流前馈通道

2．4．2 减小重复控制周期

2．5 重复控制存在的问题

2．5．1 电网频率偏移时的适应性问题

2．5．2 重复控制快速化时的延迟环节取值问题

2．5．3 不同采样频率下超前环节的取值问题

2．6 双分数阶重复控制器原理与设计

2．6．1 双分数阶重复控制器原理

2．6．2 分数阶周期延迟环节设计

2．6．3 分数阶相位超前环节设计

2．6．4 低采样频率下超前环节的稳定性分析

2．7 实验验证

2．7．1 平衡负载稳态补偿实验

2．7．2 不平衡负载稳态补偿实验

2．7．3 电网频率偏移时稳态补偿实验

2．7．4 重复控制快速化时稳态补偿实验

2．7．5 电网频率偏移时动态补偿实验

2．7．6 重复控制快速化时动态补偿实验

2．8 本章小结

3．1 引言

3．2 多模块并联系统结构及基本工作原理

3．2．1 多台APF并联组合形式

3．2．2 系统基本工作原理

3．3 基于四维可视化算法的模块输出滤波器设计

3．3．1 滤波电感参数设计

3．3．2 滤波电感的多目标四维可视化设计

3．3．3 可视化算法与传统算法的比较

3．4 多模块APF并联系统运行控制策略

3．4．1 负载电流采样方案

3．4．2 多模块系统运行控制策略

3．4．3 均流控制

3．4．4 多模块APF系统限流控制策略

3．4．5 基于Modbus协议的多模块系统智能编号方法

3．5 实验验证

3．5．1 三模块并联系统稳态补偿实验

3．5．2 三模块并联系统动态补偿实验

3．5．3 模块限流补偿实验

3．6 本章小结

4．1 引言

4．2 多模块APF并联系统等效数学模型

4．3 多模块APF并联系统谐振特性分析

4．3．1 各台APF软硬件参数和指令电流相同时的系统谐振特性

4．3．2 各台APF硬件相同但软件参数和指令电流不同时的系统谐振特性

4．4 单台APF的谐振抑制方法

4．5 基于网侧电感电流高频分量反馈的新型有源阻尼方法

4．5．1 反馈函数Gv(s)的选取和设计

4．6 多模块APF并联系统谐振抑制方法

4．6．1 含新型有源阻尼时多模块APF并联系统等效数学模型

4．6．2 各台APF软硬件参数和指令电流相同时含有源阻尼的系统谐振特性

4．6．3 各台APF硬件相同但软件参数和指令电流不同时含有源阻尼的系统谐振特性

4．7 实验验证

4．8 本章小结

5．1 引言

5．2 基于开关冗余的模块内容错方法

5．2．1 开关冗余APF的可控性分析

5．2．2 开关冗余APF的控制策略

5．2．3 开关冗余APF的电容电压不平衡问题

5．3 基于分相控制和总线通讯的模块间容错方法

5．3．1 基于abc坐标系的分相控制策略

5．3．2 模块间补偿容量转移机制

5．3．3 故障后三相电路稳态分析

5．4 实验验证

5．4．1 模块内容错运行实验

5．4．2 模块间容错运行实验

5．5 本章小结

6．1 本文工作总结

6．2 未来工作展望

参考文献

附录