LCL型有源电力滤波器关键技术研究

发布时间：2016-04-29 09:08

1  绪论

1.1  课题背景与意义
随着电力需求日益扩大，电网结构日趋复杂，各种各样的电能质量问题逐渐突出。其中，谐波问题是最主要的问题之一。随着越来越多的工业与民用低功率因数、非线性、冲击性设备投入，低压供电系统谐波问题日益严重，亟待综合补偿与治理。 谐波(harmonic)，从电气角度而言，是指电压或电流中所含有的频率为基波整数倍的电量。谐波产生原因主要是电力系统中存在非线性器件。根据所含非线性器件类型的不同，电网中谐波源可大致分为三类设备[1]：电力电子设备产生谐波的主要原因是其重要组成元件为非线性半导体器件[2-4]。随着入网电力电子设备日益增加，此类谐波设备构成了电网的主要谐波来源，如：整流器、变频器、交流调压装置、晶闸管系统、开关电源等。其中，整流装置最为常见，且几乎全部为采用带电容滤波的二极管不控整流或晶闸管相控整流。二极管整流负载一般采用桥式结构，输出并联电容，属于电压型谐波源，所引起的谐波含量与电容值的大小有关；晶闸管系统采用相位控制方式，不仅含有整数倍次谐波，还含有部分非整数倍数的间谐波。除整流装置外，，斩波电路和逆变器也在工业与民用电力设备得到广泛应用，而其输入直流电源大多来自整流装置，产生的谐波问题也不可忽视。
........

1.2  有源电力滤波器国内外研究现状

从研究的角度考虑，关于有源电力滤波器传统研究主要集中于主回路拓扑结构研究与控制算法研究。随着电网与用户对 APF 性能要求逐渐提高，如何提高补偿效果、改善输出性能、提高恶劣环境下 APF 可靠性等问题逐渐成为有源电力滤波器新的研究方向。下面对 APF 主回路拓扑结构、检测与锁相技术、输出滤波器性能和有源滤波器控制四个关键性技术进行分析与探讨。自从有源电力滤波器被提出以来，已根据谐波源补偿需求不同发展出了多种拓扑结构。且根据不同的角度和拓扑结构，可以有多种分类方法。根据 APF 电路与谐波负载的连接方式分类，是目前最常用的分类方法。按照该种分类方式，APF 可分为串联型、并联型和统一电能质量控制器，其具体划分如图 1-1 所示。 在有源电力滤波器三种基本拓扑里，并联型 APF[20-22]是目前技术最成熟、应用最广泛的形式。通过在负载的公共连接点处与负载并联，产生与负载电流等幅反向的补偿电流实现谐波治理，可以等效为一个受控谐波电流源。 其中，并联型 APF 可以分成电流源型逆变器拓扑和电压源型逆变器拓扑。对于电流源型逆变器结构，直流侧电抗损耗较大，且需要串联二极管增加反相阻断电压，以提高开关器件的耐压等级。另外，电流源型逆变器结构难以采用多电平或多级级联模块实现，其谐波补偿性能提高与容量扩展较为困难，因而此类APF 应用较少，仅在特殊场合使用。而与之对应的电压源型逆变器结构是目前主流的 APF 拓扑结构。该种 APF 结构简单，成本较低，可以同时输出谐波电流与基波无功电流；电压等级与容量扩展简单，可以采用多电平、多级级联或降压变压器等方式提高系统耐压等级和补偿容量。基于以上优势，目前工业现场投运的APF 几乎全是电压源型有源电力滤波器结构。并联型 APF 等效于受控电流源，它的接入方式决定了其具备对系统影响小、投切灵活方便、容量便于扩展等优点，因而获得较为广泛的应用。 

.....

2  基于复数滤波器矩阵正交信号发生器(CFM-OSG)的锁相环算法研究

2.1  引言
锁相环是并网逆变器系统中的重要环节之一，其性能优劣直接影响并网电流的控制效果。基于单同步坐标系的 SRF-PLL 是目前广泛采用的线性闭环 PLL。在电网电压理想状态下，SRF-PLL 具有良好的动态性能与稳态精度。但是电网电压往往是非理想的，存在频率波动、三相不对称与电压畸变等电能质量问题。基波负序与谐波信号在同步参考坐标下表现为低频交流信号，使锁相环输出频率呈现振荡状态，影响锁相输出性能，甚至可能导致锁相环无法正常工作。 针对不平衡和畸变问题，目前工业上传统的方法是在同步坐标 dq 轴上采用低通滤波器进行滤波，或者直接通过限制 PI 控制器带宽进行谐波抑制。该方法实现简单，计算量小，但滤波效果不佳，且减小了系统的等效带宽，降低了系统动态响应速度。近年来，国内外的专家和学者也提出了众多解决方案，其中针对基于二阶广义积分器(second-order  generalized  integrator，SOGI)的锁相环研究较多，如：基于双二阶广义积分的 PLL[132] (DSOGI-based PLL)，基于多重广义积分的 PLL[133](Multiple  SOGI-based  PLL)，基于自适应陷波器的 PLL[134](Adaptive notch filter-based PLL)等。但这些方法均存在结构复杂，计算量大的问题。对此，本文提出了一种基于复数滤波器矩阵正交信号发生器(orthogonal signal generator, OSG)的锁相方法，以解决电网电压非理想条件下的锁相问题。
.........

2.2  非理想条件下电网电压分析
在不平衡负载与非线性负载影响下，电网电压常处于不平衡和畸变状态。尤其在弱电网中，该非理想情况更加明显。由 SRF-PLL 结构可知，为了减小谐波与基波负序电压分量对 SRF-PLL 的影响，须在同步坐标变换之前完成基波正序分量的提取。因此，本文考虑在 Clarke变换之后引入滤波环节，设计正弦信号发生器。 因此，这两种一阶复数滤波器单独使用时，可实现对应的电压分量无衰减零相移通过，且抑制谐波分量，但是无法实现正序分量与负序分量的解耦分离。因此，本文考虑将这两种滤波器组合使用，以实现谐波抑制和基波电压正负序分离。 
.......

3  基于状态反馈精确线性化的有源电力滤波器 .... 40 
3.1  引言 ....... 40 
3.2  有源电力滤波器模型 ....... 41 
3.3  电流内环状态精确反馈线性化 ..... 46 
3.4  基于准滑模变结构控制器的 APF 电流控制 .... 52 
3.5  滑模变结构控制器性能分析与参数设计 .......... 56 
3.6  直流电压控制 ..... 62 
3.7  仿真分析 ...... 65 
3.8  本章小结 ...... 69 
4 LCL 滤波器阻尼与 APF 电流双闭环控制研究 ......... 71 
4.1  引言 ....... 71 
4.2 LCL 滤波器谐振原理分析 ...... 71 
4.3  单状态变量反馈有源阻尼分析 ..... 73 
4.4 APF 降阶状态反馈精确线性化 ..... 80 
4.5  电流双闭环 APF 控制系统设计 .......... 84 
4.6  仿真分析 ...... 87 
4.7  本章小结 ...... 88 
5 LCL 型 APF 主电路参数设计方法 ........ 89 
5.1  引言 ....... 89 
5.2  系统模型分析 ..... 89 
5.3  直流母线电容计算 .... 91 
5.4 LCL 滤波器参数设计 ....... 93 
5.5  仿真分析 .... 105 
5.6  本章小结 .... 108 

6  有源电力滤波器系统关键技术实验研究

6.1  有源电力滤波器系统结构
为验证本课题的理论研究成果，搭建了 380V/50A 的 LCL 滤波三相 H 桥有源电力滤波器的样机，以二极管整流串联电感作为谐波负载，实验平台结构图如图 6-1 所示。 整体系统由谐波源、APF 主控制器、APF 功率模块三个部分构成，控制器与功率模块之间采用光纤连接。 谐波源采用三相电感串联三相二极管整流系统，不控整流的负载为电阻。 APF 采用主控制器与功率单元分离的模式，采用两级控制，有利于控制器资源的最大利用。主控制器由电源板、模拟/数字板、主控制器板三个部分构成，板与板之间通过插针连接，其主要功能为： 1)  电源板为主控制器供电，为保证可靠供电，主控采用 220V 交流独立供电模式。 2)  模拟/数字板主要功能为模拟信号采样、数字信号输入与输出、通信。模拟信号输入分别为三相三相电源电压、三相负载电流传感器输出与 APF 输出补偿电流传感器输出。A/D 转换采用 ADI 公司 AD7861 芯片，2+2 通道、12 位分辨率，最高采样频率可达 500kHz，适合对谐波进行高速采样。数字信号输入主要外部断路器状态和开关按键输入，数字信号输出主要为断路器控制信号和系统运行状态显示，输入输出均通过光耦隔离。通信采用 232 接口，调试阶段作为内部状态输出接口。 
........

结论

随着低压电网电能质量问题日益突出，作为电能质量综合治理装置的有源电力滤波器得到了越来越多的关注。为实现 APF 可靠、高效运行，本文针对 LCL型三相 H 桥结构有源电力滤波器，研究了并网锁相策略、APF 控制策略、LCL滤波器阻尼控制策略、滤波器设计等内容，取得了以下研究成果： 
1)  针对电网非理想工况下传统锁相环性能不佳的问题，提出了一种基于复数滤波器矩阵解耦的锁相策略。 基于莱昂氏法正负序分量矩阵算子思想，引入一阶复数滤波器，通过矩阵运算设计了正交信号发生器。该正交信号发生器内部对原始信号分别呈带通与低通特性，具有选频与正交信号提取功能。 在正交信号发生器的基础上，设计了输出正负序交叉反馈的滤波结构，实现了原始信号的正负序提取与解耦。将该模块嵌入鉴相环节，进行参数设计与离散化设计，实现电网电压基波正序锁相策略。 针对锁相环启动时刻频率估计时间较长的问题提出了“软启动”策略，有效降低过渡时间与暂态波动幅值。 仿真与实验结果表明，在电网电压不平衡、畸变、频率波动等非理想工况下，锁相策略可准确的检测频率与相位。 
2)  为解决三相有源电力滤波器变量耦合和非线性特征，提出一种基于状态反馈精确线性化 APF 准滑模复合控制方法。 以网侧电感电流为控制目标，建立系统仿射非线性模型，并验证其能控性条件和对合条件。利用微分同胚映射，计算系统坐标变换矩阵，并求解 APF 模型状态反馈精确线性化表达式。实现了同步参考坐标系上的变量解耦，同时将系统谐振极点配置到原点，结构简单，便于控制器设计。 根据系统相对阶对变换后线性系统设计滑模函数，引入电流偏差及其一阶、二阶导数作为被控对象，设计准滑模控制器。控制器利用饱和函数实现线性与非线性切换，抑制了抖振，同时具备较强的鲁棒性。 
.........
参考文献(略)

本文编号：34853