快速响应型谐波抑制关键技术研究与应用

发布时间：2018-04-03 19:58

本文选题：谐波抑制技术　切入点：四臂式有源电力滤波器　出处：《武汉大学》2014年博士论文

【摘要】：近年来,谐波治理作为电网发展战略的一部分,已经受到越来越多的关注。并联型有源电力滤波器(Active Power Filter)作为有效抑制谐波的先进电力电子设备,是解决这些问题的有效措施之一。虽然这几年APF已经成为了一个热点研究课题,APF的补偿性能也在不断提升,然而,并联型APF在一些复杂环境的补偿效果依然还存在不足,同时也需要对这些具体问题进行分析和研究,如：如何在畸变电压较大的环境中进行有效谐波检测；如何实现更好的动态响应特性,从而得到较好的谐波跟踪效果；如何实现更优的系统参数设计等。因此,本文根据以上的分析进行了展开,对谐波抑制的关键技术与应用进行分析和研究。如何快速而精确的检测谐波电流是APF实现良好补偿效果的基础。通过多种谐波电流检测算法进行研究后,发现较多算法在电网电压发生较大畸变或电压频率发生偏差时,均难以进行有效和准确的谐波跟踪和检测。由此,根据补偿系统最小功率消耗原则,对瞬时电压在赋范空间的数学模型进行了分析,提出了在函数赋范空间应用变分法得到标准电压波形的策略,由此衍生得到标准正序电压信号和畸变电流分量。同样基于赋范空间的标准正序电压的提取方法也能结合多种电流检测策略,从而满足更多的检测需求和跟踪要求,最后与传统谐波电流检测策略进行了对比仿真与对比实验,结果验证了该策略的有效性和可行性。为实现更好的动态响应特性和更佳的整体补偿效果,本文提出了一种新型的补偿电流复合控制策略,将PI控制与改进的双重复控制进行有效结合。首先在传统重复控制结构加入前置调节参数和PI控制,通过具体数学模型的分析、前置参数的调节以及参数范围限定,来提升动态效果和实现无静差控制。在此基础上,将改进的重复控制结构并联插入反馈控制中来构成双重复控制器,给出了详细的参数优化设计和计算过程。本文最后通过搭建负载突变仿真、动态特性对比验证实验、稳态实验来检验该复合控制算法的有效性和可行性,仿真结果和实验波形表明该复合控制算法具有非常好的动态响应特性和较好的整体补偿效果。三相四线制APF系统中由于开关状态较多导致电压调制较为复杂,传统的二维调制策略难以满足其需求,尤其针对三相四线制系统则更显不足。采用空间矢量调制策略与常规控制方式相结合具有良好的补偿效果。由此,本文提出了基于自然坐标系的三维空间矢量调制策略(Three-dimensional space vector modulation,3D-SVM),详细分析和研究了四面体的判定过程,通过分类法结合指针计算使参考矢量合成清晰和直观,还探讨了参考矢量作用时间的计算以及时间顺序的有效排列方式。为避免同一桥臂的上下开关管的直通导致系统故障,需要添加死区时间。本文由此研究了死区效应对整体补偿效果的影响,研究了一种基于预测补偿的死区时间设定策略,能够有效减少死区效应带来的控制误差,提升总体补偿效果。本文对基本模糊控制理论进行研究后,将该理论应用到APF的直流侧电压控制中,采用自调整因子模糊PI控制器进行设计,利用模糊逻辑推论设计PI参数ΔK,、△Ki同偏差绝对值e和偏差变化率ec之间的二元函数,通过e和ec的在线调节来设计在线调节参数Kp、Ki。仿真结果表明该电压控制策略能实现对PI参数的自整定,能提高系统的动态特性和鲁棒性,并能减小超调量,同时也具有良好的稳态性能。本文提出了一种应用在并联型APF的实用型LCL滤波器参数设计方法,首先建立LCL滤波器在并联型APF中的等效数学模型,其次研究滤波器各参数变化与谐波频率之间的变化关系,根据LCL谐振频率的限定范围、电容支路阻抗参数的比值,并结合电感参数比值和谐振频率之间的三维关系曲线,兼顾LCL分别对低频段和高频段的衰减性能要求,确定合适的参数范围进行取值。最后通过仿真及样机测试验证了该参数设计方法的有效性和可行性。为实现更快的动态响应速度和更好的整体补偿效果,本文给出了详细的样机参数设计的分析过程,包括：主电路拓扑结构分析、主电路功率器件分析、直流侧电压及直流侧电容分析等,并在此基础上,对控制系统中的主控芯片设计和各模块电路设计进行了分析。最后,通过实验室样机对以上提及的控制算法进行了验证分析。
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【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM711

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