有源电力滤波器关键技术的研究与应用

论文摘要

随着现代电力电子技术和控制技术的不断发展,各种电力电子设备被大量的推广和应用,给电力系统带来了严重的电能质量问题。有源电力滤波器（Active Power Filter, APF）是改善电能质量、治理电网污染最行之有效的方法之一,但我国对APF的研究不够成熟,仍有许多问题需要进一步的研究解决。为此,本文围绕APF谐波检测,电流、电压控制等关键技术展开深入细致的研究,同时对主电路重要参数的设定和主要电路的设计进行了探讨。实时准确的检测出谐波电流,是决定APF补偿性能优良的关键。本文就低通滤波器的选型、阶次、通过频率、实现形式等进行了研究比较,利用滤波器系数量化分析法来寻求快速稳定的数字低通滤波器设计方案,通过仿真和实验完成数字低通滤波器的合理选型。针对改善谐波检测中动态响应慢、稳态误差大的问题,在分析低通滤波器零极点分布情况与谐波检测动态性能的关系后,提出一种加入超前-滞后校正网络的椭圆数字低通滤波器设计方法；为在相同采样频率的情况上,获取更好的检测效果,提出基于压缩感知理论的谐波检测方法,该方法首先基于压缩感知思想对原始谐波信号进行压缩采样,然后应用压缩采样正交匹配追踪算法对采样序列进行谐波检测与分离,从仿真和实验结果可以看出,本文方法加快了系统的响应速度,提升了谐波检测的准确性,改善了APF的补偿性能。本文首先针对APF固定环宽滞环电流控制补偿范围有限的问题,提出一种基于模糊控制的可变环宽滞环电流控制策略。通过对APF电流补偿能力与滞环环宽关系的讨论,确定依据补偿电流偏差及其偏差变化率来建立模糊规则,在提升补偿能力的同时重点改善固定环宽滞环电流控制中过零点和顶点处补偿能力不足的问题；其次通过对现有直流母线电压控制方法的分析,针对控制过程中限幅器这一关键环节,提出利用非线性分析方法讨论系统的稳定性,设计出合理的限幅器,并结合模糊控制理论实现对限幅器幅值的改变,完成对直流母线电压的控制；最后为了消除直流母线电压与电流间的耦合影响,本文针对三相三线制APF的系统数学模型及其非线性特性提出一种基于数据驱动与多模型的非线性多变量自适应控制方法,该方法根据工况的不同利用切换机制完成对多变量线性自适应控制器和基于ANIFS的多变量非线性自适应控制器的转换,在线性控制器保证闭环系统稳定的同时,非线性控制器辨识系统的未建模部分并加以控制从而提高系统的动态性能。该方法的闭环稳定性和收敛性在文中给予证明,并通过仿真和实验说明本文的控制方法能够满足APF的设计要求,使系统具有较好的动态性能和较强的抗扰动能力。本文对三相三线并联电压型APF重要参数及关键电路进行了深入研究。详细讨论了直流母线电压、电容和交流电感的设定依据,通过全面比较确定了IGBT及其驱动电路的选取,还对RCD、PLL电路参数进行了优化,并设计出软启动和系统保护电路。在前面的分析和设计的基础上,搭建起基于DSP的100kVA有源电力滤波器实验样机,并进行了相关的实验研究。大量的仿真和实验结果证明了本文所提出的关于APF谐波检测、电流电压控制及主电路设计等关键技术的研究成果是合理有效的,而且能够为APF的研发和生产起到积极的作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 有源电力滤波器的研究背景及发展概况
• 1.1.1 有源电力滤波器的研究背景
• 1.1.2 有源电力滤波器的发展与应用
• 1.2 有源电力滤波器关键技术的发展及研究现状
• 1.2.1 有源电力滤波器拓扑结构的研究现状
• 1.2.2 有源电力滤波器谐波检测技术的发展概况
• 1.2.3 有源电力滤波器电流控制技术的发展概况
• 1.2.4 有源电力滤波器直流母线电压控制技术的发展概况
• 1.3 本文的研究背景与主要内容概述
• 1.3.1 本文的研究背景及意义
• 1.3.2 本文的主要内容概述
• 第2章 基于压缩感知理论的谐波检测方法及关键问题的研究
• 2.1 基于瞬时无功理论谐波检测算法的理论基础
• 2.1.1 基于瞬时无功功率理论谐波检测方法的基本原理
• 2.1.2 基于瞬时无功功率理论谐波检测算法的实现
• 2.2 基于超前-滞后校正网络数字低通滤波器的研究
• 2.2.1 数字低通滤波器类型比较与选型依据
• 2.2.2 基于超前-滞后校正网络数字低通滤波器的设计
• 2.2.3 基于超前-滞后校正网络数字低通滤波器验证与分析
• 2.3 基于压缩感知理论的谐波检测算法在APF中的应用
• 2.3.1 压缩感知理论概述
• 2.3.2 基于压缩感知理论谐波检测算法的实现
• 2.3.3 基于压缩感知理论谐波检测算法的仿真与实验研究
• 2.4 本章小结
• 第3章 变环宽滞环电流控制与变限幅直流母线电压控制的研究
• 3.1 变环宽滞环电流模糊控制策略的研究
• 3.1.1 滞环电流控制原理及等效模型
• 3.1.2 APF网侧谐波电流分析及滞环电流控制方法
• 3.1.3 可变环宽滞环电流模糊控制的实现
• 3.1.4 可变环宽滞环电流模糊控制的仿真实验
• 3.2 变限幅直流母线电压模糊控制方法的研究
• 3.2.1 直流母线电压控制基本原理
• 3.2.2 用于直流母线电压检测的低通滤波器设计
• 3.2.3 变限幅直流母线电压模糊控制方法
• 3.2.4 变限幅直流母线电压模糊控制方法的仿真实验
• 3.3 本章小结
• 第4章 数据驱动的有源电力滤波器非线性多变量自适应控制方法
• 4.1 数学模型描述
• 4.2 基于数据驱动的未建模动态补偿非线性控制器
• 4.3 基于数据驱动的多变量自适应控制方法
• 4.3.1 多变量自适应控制策略
• 4.3.2 多变量自适应控制算法
• 4.3.3 多变量线性鲁棒自适应控制算法
• 4.3.4 基于数据驱动的多变量非线性自适应控制算法
• 4.3.5 切换机制
• 4.4 多变量自适应控制的稳定性与收敛性分析
• 4.5 仿真实验及分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 有源电力滤波器主要电路的研究实现与优化设计
• 5.1 有源电力滤波器主电路主要参数的选取
• 5.1.1 主电路功率开关器件的选取
• 5.1.2 直流侧电容器的选取
• 5.1.3 直流侧电压的选取
• 5.1.4 交流侧电感值的选取
• 5.2 IGBT驱动模块的应用设计与性能分析
• 5.2.1 IGBT驱动模块选取依据
• 5.2.2 2SD106AI-17驱动模块应用设计
• 5.2.3 SKHI23/17驱动模块应用设计
• 5.2.4 2SD106AI-17与SKHI23/17驱动性能分析
• 5.3 RCD参数优化设计
• 5.3.1 缓冲电路工作原理与参数优化设计
• 5.3.2 APF缓冲电路的实际选取
• 5.3.3 缓冲电路的仿真与实验分析
• 5.4 PLL相关电路的优化设计
• 5.4.1 PLL电路工作原理
• 5.4.2 PLL电路优化设计
• 5.4.3 PLL电路仿真与实验分析
• 5.5 主要保护电路的设计与实现
• 5.5.1 软启动电路的设计
• 5.5.2 过压保护电路的设计
• 5.6 本章小结
• 第6章 有源电力滤波器整体设计与实验
• 6.1 有源电力滤波器整体结构设计
• 6.2 有源电力滤波器软件设计
• 6.3 有源电力滤波器实验研究
• 6.3.1 有源电力滤波器谐波检测方法的实验研究
• 6.3.2 有源电力滤波器控制方法的实验研究
• 6.4 实验样机照片
• 6.5 本章小结
• 第7章 结论及展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及研究成果
• 致谢