基于三次谐波注入及LCL滤波器的三相并联型有源电力滤波器的研制

发布时间：2017-09-29 23:02

  本文关键词：基于三次谐波注入及LCL滤波器的三相并联型有源电力滤波器的研制

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【摘要】：随着大量非线性负载接入配电网，谐波污染问题日益严重。从现有的研究成果及实际应用来看，三相并联型有源电力滤波器(Shunt Active Power Filters, SAPF)是治理配电网谐波污染的有效手段。欧美已广泛应用，国内在SAPF拓扑设计、谐波检测、电流控制技术等方面取得了良好进展，而对产业化关键问题（散热、电磁兼容、绝缘耐压、成本体积、安全稳定性等）的理论研究不够深入。作为国家高技术研究发展计划项目（863计划）资助课题“基于分布式能源的用户侧智能电网关键技术研究与集成示范”的电能质量控制部分，基于低压有源电力滤波装置的行业标准JB/T11067-2011（JB067），本文对三相SAPF产业化关键问题展开系统而深入的理论研究，通过拓扑结构、电流控制策略、测量误差校正方法及保护系统的创新与完善，研制一款稳定、实用、高性价比的三相并联型有源滤波装置。主要研究内容及成果包括： 1）拓扑设计方面：提出一种申请了发明专利的基于三次谐波注入的LCL有源电力滤波器拓扑，该拓扑在LCL滤波器的基础上，利用空间矢量法对PWM波进行调制而产生的三次谐波电压作为三次谐波电压源，通过并联电容器组注入电网，构建了三次谐波电压及零序电流注入回路，相对传统拓扑，提高了直流侧电压利用率，减少了功率模块发热，克服了传统拓扑无法提供零序电流泄放通道而使装置本身成为电网三相不平衡负载的不足，改进了装置的电磁兼容及绝缘耐压性能。 2）电流控制方面：利用电网谐波电流周期性重复出现的特性，设计了一种基于误差预测算子的周期重复控制，实现了系统的无差拍控制，避免了常规基于瞬时值反馈的无差拍控制很难用统一数学模型对谐波电流进行描述而影响稳态精度的不足。同时，对周期重复控制进行了改进，提出一种基于正弦算子的半周重复控制(Half-PeriodRepetitive Controller, HPRC)，减小了重复控制延时，提高了系统动态性能。 3）测量误差校正方面：提出一种消除测量误差的稳态校正法(Steady-StateCorrection,SSC)，该方法在不增加成本的情况下消除测量误差，提高控制精度。本文在分析测量误差对控制系统的影响的基础上，推导并设计了可消除测量误差的稳态校正环节，并将该方法应用在有源电力滤波器中（获得发明专利授权），克服了传统方法通过选用昂贵的精密电子器件检测谐波电流来减少测量误差的不足，为高精度、低成本有源电力滤波器的产品化实现提供了有效途径。 4）保护系统方面：深入研究了针对三相SAPF装置本体的保护措施及针对运行过程中特殊状态下的保护措施，对关键故障采用了硬件保护加软件保护的冗余设计方案，并设计了采用一个限流电阻的改进型预充电电路实现系统预充电，为装置的安全稳定运行提供了保障。 在理论研究和关键技术突破的基础上，本课题组与某大型上市公司合作，，完成了60KVA试验样机与工业样机的研制，仿真与厂测结果证明，该样机的整体性能符合JB067标准，关键技术指标达到国际知名品牌的水平，可以在863示范项目中试运行，为最终装置的规模产业化奠定了工程化的基础。
【关键词】：有源电力滤波器 三次谐波注入 半周重复控制 消除测量误差 保护系统
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN713.8;TM761
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-23
• 1.1 谐波概述12-13
• 1.2 有源电力滤波器的特点13-15
• 1.3 国内外研究现状15-16
• 1.4 现有研究存在问题16-21
• 1.5 选题依据及主要研究内容21-23
• 第二章 三相并联型有源电力滤波器的核心技术23-40
• 2.1 三相并联型有源电力滤波器的工作原理及特点23-25
• 2.2 有源电力滤波器的研究现状与存在问题25-27
• 2.2.1 国内外产业化研究现状25
• 2.2.2 国内产业化研究存在的问题25-27
• 2.3 有源电力滤波器的核心技术分析27-39
• 2.3.1 拓扑设计27-31
• 2.3.2 谐波检测31-33
• 2.3.3 电流控制33-38
• 2.3.4 测量误差校正38
• 2.3.5 保护系统设计38-39
• 2.4 本章小结39-40
• 第三章 三相并联型有源电力滤波器的拓扑设计40-64
• 3.1 基于三次谐波注入及 LCL 滤波器的拓扑设计思路40-42
• 3.2 有源电力滤波器三次谐波注入的无源实现方法42-51
• 3.2.1 无源三次谐波电压注入回路的实现方法42-48
• 3.2.2 无源三次谐波电流回路的实现方法48-49
• 3.2.3 EMC 及地电位电路的实现方法49-51
• 3.3 有源电力滤波器 LCL 滤波器的约束方程设计法51-61
• 3.3.1 各参数对滤波性能的影响分析51-55
• 3.3.2 基于约束方程的 LCL 滤波器的参数设计55-58
• 3.3.3 LCL 滤波器的谐振抑制58-61
• 3.4 基于三次谐波注入及 LCL 滤波器的统一拓扑结构61-62
• 3.5 本章小结62-64
• 第四章 三相并联型有源电力滤波器的控制64-93
• 4.1 基于三次谐波注入及 LCL 滤波器的拓扑建模64-67
• 4.2 基于三次谐波注入及 LCL 滤波器拓扑的电压空间矢量调制67-73
• 4.3 基于误差预测算子的周期重复控制73-79
• 4.4 基于正弦算子的半周重复控制79-91
• 4.4.1 半周重复控制原理分析79-83
• 4.4.2 半周重复控制数学建模83-85
• 4.4.3 半周重复控制稳定性分析及系统校正85-90
• 4.4.4 半周重复控制仿真分析90-91
• 4.5 本章小结91-93
• 第五章 消除系统测量误差的稳态校正法93-104
• 5.1 系统测量误差及稳态误差分析93-94
• 5.2 系统测量误差对控制精度的影响94-96
• 5.3 稳态校正法96-99
• 5.3.1 稳态校正法模型96
• 5.3.2 稳态校正法消除测量误差机理分析96-98
• 5.3.3 稳态校正法减少稳态误差机理分析98-99
• 5.4 稳态校正法在三相并联型有源电力滤波器中的应用99-103
• 5.4.1 控制原理分析99-100
• 5.4.2 建模与仿真分析100-103
• 5.5 本章小结103-104
• 第六章 三相并联型有源电力滤波器的保护系统设计104-122
• 6.1 有源电力滤波器保护系统的重要性分析104-105
• 6.2 有源电力滤波器的本体保护105-113
• 6.2.1 变流器模块保护105-111
• 6.2.2 控制电路板故障保护111-113
• 6.3 有源电力滤波器运行过程中的特殊状态保护113-120
• 6.3.1 预充电保护114-116
• 6.3.2 启动保护116-118
• 6.3.3 停机保护118
• 6.3.4 负载超限保护118-120
• 6.4 本章小结120-122
• 第七章 工业样机研制与仿真实验122-141
• 7.1 装置研制依据标准及正常工作环境122-123
• 7.2 装置功能要求及主要电气性能123-124
• 7.3 硬件平台构建124-128
• 7.4 软件框架设计128-131
• 7.5 仿真与试验131-140
• 7.5.1 三次谐波注入及 LCL 滤波效果验证132-134
• 7.5.2 周期重复控制验证134-135
• 7.5.3 稳态校正法验证135-137
• 7.5.4 不同负载实验137-138
• 7.5.5 不同系统电压实验138-140
• 7.6 本章小结140-141
• 结论与展望141-143
• 参考文献143-153
• 攻读博士学位期间取得的研究成果153-154
• 致谢154-155
• IV - 2答辩委员会对论文的评定意见155

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