基于非线性最优预测控制的APF补偿电流控制策略研究

论文摘要

并联型有源电力滤波器(Shunt Active Power Filter, SAPF)的直流侧一般采用电力电容器作为储能元件。在控制有源电力滤波器补偿电流快速跟踪谐波电流的过程中,存在着线路电阻和开关损耗引起的有功损耗,可能导致直流母线电压波动或出现欠压现象,进而影响了补偿电流跟踪性能。因此,改善直流母线电压的控制和有源电力滤波器补偿电流控制,两者良好的配合将直接关系到该系统对谐波电流的实时跟踪特性,对提高有源电力滤波器的整体性能有着决定性的作用。本文着重于APF的补偿电流控制方法研究,滞环电流控制虽是非线性控制的代表,硬件易于实现,但其开关频率不固定,导致损耗过高。针对电流控制这一问题,本文首先提出了一种基于预测控制的补偿电流控制方法,预测控制的基本思想是首先预测系统未来的输出状态,再去确定当前时刻的控制作用。在预测控制中,优化是反复进行的,即滚动优化的含义。预测控制是先预测系统输出,然后再进行控制,所以它具有预见性,并且具有开关频率固定的优势。预测控制虽然是解决系统延时、参数漂移等问题的有效途径,但并未充分考虑到PWM整流器的非线性特性,本质上仍为线性控制方法。因此如何更好地解决此类问题就是研究的关键,在参考大量文献的基础上本文提出了一种新的预测控制算法,非线性最优预测控制。其本质就是将基于微分几何理论的非线性预测控制方法应用于有源电力滤波器中,其基本原理是利用泰勒展开得出下一控制周期的输入电流值及其参考值,再根据某种性能指标计算出当前周期的控制量,从而有效地消除延迟带来的负面影响。为了进一步提高补偿电流的跟踪精度,将状态变量和指令值的偏差作为目标方程,在性能指标中引入目标方程积分,得出一种新的非线性最优控制律。并对非线性预测控制的本质进行详细分析,解释补偿电流跟踪效果优越的重要原因。为了验证本文所提到的控制策略正确性以及优越性,进行仿真和实验,结果表明输入电流为正弦量,功率因数高,畸变率小,暂态性能优越,能有效补偿延迟的影响。因此,良好的控制算法研究对改进APF系统性能有重大的理论与现实意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 谐波的抑制技术
• 1.2 有源电力滤波器补偿电流控制方法及应用研究现状
• 1.2.1 有源电力滤波器的发展及应用现状
• 1.2.2 补偿电流控制方法及应用研究现状
• 1.3 预测控制理论的提出以及在APF补偿控制中的应用
• 1.3.1 预测控制理论的提出及实际应用
• 1.3.2 预测控制在APF补偿控制中的应用研究
• 1.4 非线性预测控制的研究现状及研究意义
• 1.4.1 非线性预测控制算法的研究
• 1.4.2 非线性预测控制稳定性的研究
• 1.4.3 非线性预测控制鲁棒性的研究
• 1.4.4 非线性预测控制存在的问题
• 1.5 本文主要研究内容和所做的工作
• 第2章 APF的工作原理及补偿电路的总体结构
• 2.1 有源电力滤波器的工作原理
• 2.2 三相三线制电压型并联有源电力滤波器拓扑结构
• 2.2.1 SAPF的拓扑结构
• 2.2.2 并联型APF数学模型的建立
• 2.2.3 主电路各功能单元
• 2.2.4 检测和控制各功能单元
• 2.3 并联有源电力滤波器补偿电路发生电路及系统参数的选取
• 2.3.1 补偿电流发生电路总体结构
• 2.3.2 补偿电流发生电路关键参数的选取
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于单步预测控制的APF补偿电流控制策略研究
• 3.1 并联型有源电力滤波器补偿电流的控制目标
• 3.2 预测控制的理论基础
• 3.2.1 预测模型
• 3.2.2 滚动优化
• 3.2.3 反馈校正
• 3.3 基于单步预测控制的APF电流跟踪控制模型
• 3.3.1 APF单步预测模型的建立
• 3.3.2 输入参考轨迹设计
• 3.3.3 闭环反馈校正环节
• 3.4 预测控制器的设计
• 3.5 基于APF单步电流预测控制系统性能及参数分析
• 3.5.1 系统稳定性分析
• 3.5.2 系统动态性能分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 非线性预测控制的基本原理及优化性能指标的改进
• 4.1 非线性预测控制模型
• 4.1.1 机理建模
• 4.1.2 实验建模
• 4.1.3 非线性系统辨识
• 4.2 非线性预测控制的基本原理
• 4.2.1 输出预测
• 4.2.2 控制约束
• 4.2.3 非线性预测控制器设计
• 4.2.4 非线性预测控制器的一般稳定性证明
• 4.3 非线性预测控制性能指标的改进
• 4.3.1 传统非线性预测控制性能指标
• 4.3.2 改进的非线性预测控制性能指标
• 4.3.3 两种控制率的分析比较
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于非线性最优预测控制的APF补偿电流控制策略研究
• 5.1 非线性最优控制理论
• 5.1.1 非线性最优预测控制理论
• 5.1.2 非线性最优预测控制理论在APF中的应用
• 5.2 基于非线性最优预测控制的四桥臂APF电流跟踪控制研究
• 5.2.1 四桥臂APF的选取优势
• 5.2.2 基于改进的非线性预测算法APF预测控制器的设计
• 5.3 稳定性能分析
• 5.4 扰动观测分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 MATLAB环境下系统仿真实验结果分析
• 6.1 MATLAB环境下系统仿真模型的建立
• 6.1.1 单步预测控制仿真模型的建立
• 6.1.2 非线性最优预测控制仿真模型的建立
• 6.2 基于两种预测控制的APF补偿电流跟踪控制仿真结果及分析
• 6.2.1 电流跟踪精度分析比较
• 6.2.2 基于非线性最优预测控制的中性线电流波形分析
• 6.2.3 电流动态响应性能分析
• 6.2.4 参数对系统动态性能的影响分析
• 6.3 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 本文工作总结
• 7.2 有源电力滤波器补偿电流控制发展方向的展望
• 参考文献
• 致谢