并联型有源电力滤波器谐波抑制性能优化技术研究

摘要

配电系统电能质量问题日益得到人们的关注，电能质量调节手段也在不断地发展进步。并联型有源电力滤波器（Shunt Active Power Filter,SAPF）作为一种高效灵活的谐波治理装置得到了广泛研究和应用，并且其功能也在不断扩展，向着综合型的电能质量调节装置发展。本文以提高并联型有源电力滤波器谐波抑制综合性能为目标，从改进输出滤波器、减小输出电流误差、谐振阻尼复合控制策略以及对不同非线性负载谐波补偿特性等方面深入研究有源电力滤波器谐波抑制性能优化技术。
　　为了保证并联型有源电力滤波器的谐波补偿性能，首先必须保证其良好的输出电流波形质量，设计合理的输出滤波器将起到关键作用。LCL滤波器由于可以用较小的输出电感实现良好的开关纹波抑制效果而被广泛应用，但通常需要采取有源阻尼或无源阻尼方法来抑制其自身谐振。有源阻尼控制可能需要采用额外的电压电流传感器，并且阻尼效果受控制系统带宽的限制；传统的无源阻尼方法则损耗较大，并且阻尼电阻会使开关纹波滤除效果变差。为了避免这些问题，本文基于选择性无源阻尼思想提出了一种LCFL型输出滤波器。这种LCFL滤波器通过在传统无源阻尼LCL滤波器的阻尼电阻上并联一条LC谐振支路而构成，这条LC谐振支路调谐在开关频率，可以吸收大部分的开关谐波电流，消除阻尼电阻对开关谐波抑制性能的影响，同时将降低阻尼电阻的损耗。而在输出滤波器的谐振频率附近，LC支路的阻抗远大于阻尼电阻值，因而不会减弱其无源阻尼效果。采用LCFL滤波器的有源电力滤波器可以稳定可靠地运行，以较小的阻尼电阻损耗实现良好的开关纹波滤除效果，从而改善有源电力滤波器的输出波形质量。
　　为提高有源电力滤波器的谐波电流补偿精度，必须采用高性能的输出电流跟踪控制策略，同时应消除造成输出电流误差的因素。本文中并联型有源电力滤波器的输出电流跟踪控制采用PI与重复控制相结合的复合控制策略，以兼顾稳态精度和动态性能。然后分析了造成输出电流误差的因素，研究了输出电流幅值和相位误差对谐波补偿性能的影响，在此基础上提出了两种输出电流误差补偿方法。一种为具有相位补偿功能的改进型递归傅里叶变换(RDFT)谐波指令提取算法，通过在指令提取环节对输出电流相位误差进行超前补偿，以提高有源电力滤波器谐波补偿精度。这种方法可以方便实现选择性的谐波指令提取与误差校正，具有较大的灵活性和补偿精度。另外一种输出误差补偿策略则基于电流指令误差闭环调节，在谐波同步旋转坐标系下提取相应谐波分量的误差直流量，然后进行PI调节获取指令误差补偿量，将其叠加在直接从负载电流中提取的谐波电流指令上以获得完整的输出电流指令。通过对谐波电流指令进行补偿，可以有效减小有源电力滤波器的输出电流误差，提高谐波补偿精度。
　　配电系统同时接有无功补偿电容器组和非线性负载情况下易发生谐波谐振，此时并联型有源电力滤波器只进行谐波电流补偿难以达到较好的谐波抑制效果。为了提升并联型有源电力滤波器在这种谐振条件下的谐波抑制性能，本文提出了一种谐波补偿与谐振阻尼的复合控制方案。有源电力滤波器通过检测负载电流提取谐波补偿电流指令，通过检测PCC电压提取谐振阻尼电流指令，两者综合得到其总的输出电流指令。通过建立等效电路模型分析了谐振产生与阻尼的机理，研究了并联型有源电力滤波器谐波电流检测位置对其谐波抑制性能的影响，同时检验了有源电力滤波器谐波补偿与谐振阻尼复合控制策略的效果。
　　针对在配电系统中应用普遍的电压源型与电流源型非线性负载，本文分析了并联型有源电力滤波器对这两类非线性负载的谐波补偿特性。通过分析发现并联型有源电力滤波器补偿电压源型非线性负载谐波电流时，会导致非线性负载发生严重的谐波电流放大效应，这将危害负载的正常运行，同时降低并联型有源电力滤波器的谐波补偿性能。分析揭示了负载谐波放大倍数同系统阻抗与负载等效阻抗之间的关系，在此基础上提出通过调节系统各部分的阻抗关系来减弱谐波放大效应，改善有源电力滤波器的谐波补偿性能。仿真和实验结果验证了分析和所提出措施的正确性。
　　在以上分析和研究基础上研制了三相三线并联型有源电力滤波器样机，并且相关的有源电力滤波器装置已经在工业现场得到了应用。实验和工业现场测试结果表明本文所提出的各项谐波抑制性能优化技术可以在有源电力滤波器上得到良好的实现与应用，对于提升其综合谐波抑制性能发挥了较好的作用。希望本文的研究工作对有源电力滤波器的实用化推广能起到一定的参考和促进作用。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 谐波问题的产生、危害及相关标准

1.3 有源电力滤波器概述

1.4 有源电力滤波器研究与应用情况

1.5 选题依据及本文的主要研究内容

2 并联型有源电力滤波器的输出滤波器研究

2.1 引言

2.2 LCL滤波器原理与应用局限性

2.3 基于选择性无源阻尼原理的LCFL型输出滤波器

2.4 LCFL输出滤波器设计

2.5 仿真分析

2.6 实验结果

2.7 结论

3 有源电力滤波器输出电流误差补偿控制策略

3.1 引言

3.2 有源电力滤波器数学模型与输出电流控制系统

3.3 输出电流误差对有源电力滤波器补偿效果影响分析

3.4 具有相位补偿功能的改进型RDFT谐波指令提取算法

3.5 基于指令误差补偿的输出电流误差控制策略

3.6 结论

4 有源电力滤波器谐振阻尼综合控制策略

4.1 引言

4.2 配电系统谐振案例与机理分析

4.3 谐振阻尼与谐波补偿综合控制策略

4.4 有源电力滤波器谐振阻尼与谐波抑制效果分析

4.5 仿真结果

4.6 实验样机与工业现场测试结果

4.7 结论

5 有源电力滤波器对非线性负载谐波补偿特性研究

5.1 引言

5.2 影响配电系统谐波含量的因素分析

5.3 有源电力滤波器补偿非线性负载特性分析

5.4 仿真结果

5.5 实验结果

5.6 结论

6 全文总结

6.1 本文工作总结

6.2 未来工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间主要研究成果

附录2 攻读学位期间参加的主要科研项目