串联混合有源电力滤波器新型控制技术研究

论文摘要

电能质量的改善和提高是当前电气工程学科重要和热门的研究领域之一,具有重大的工程实际应用意义。随着电力需求的不断扩大,电网结构日益复杂,各种非线性负载产生的谐波日益增加,而电力用户对电力滤波装置的容量、性能的要求也越来越高。近几十年来电力电子和计算机等技术日臻成熟,使得有源电力滤波器补偿非线性负载产生的谐波、改善电网电能质量在实际工程得到广泛应用。电力电子器件可控能量水平和电力系统要求控制能量之间存在巨大差距使得混合型有源电力滤波器得到了广泛的研究和应用。本文着重研究串联混合型有源电力滤波器的控制技术,同时探讨了其电路拓扑、滤波特性以及在实际应用中存在的一些问题,为推动串联混合型有源电力滤波器的实用化奠定基础。针对不同负载类型及众多有源电力滤波器拓扑,本文从电路对偶原理出发,按照谐波抑制功能分成抑制电流源型非线性负载的有源电力滤波器拓扑和它们的对偶型电路-抑制电压型非线性负载的有源电力滤波器。分析了降低有源电力滤波器有源容量的多种基本对偶型电路拓扑,衍生出多种结构的串联混合型有源电力滤波器拓扑。快速,准确的谐波检测算法及其数字实现是有源电力滤波器高性能应用的关键技术之本文从同步旋转坐标谐波检测法时频域数学特征出发,建立三相统一的数学模型,揭示了同步旋转坐标谐波检测法在全频域内具有解耦特性和带通限波器特性。为解决同步旋转坐标谐波检测法在数字实现过程中存在采样延时和数字量化误差之间的矛盾,提出了一种多级指数平均值数字低通滤波器,使得同步旋转坐标谐波检测法能以高采样频率采样,具有量化误差小,算法简单,运算时间短,检测精度高,为参数优化设计提供保障。为提高串联混合有源电力滤波器的滤波性能,解决谐波阻抗增益与系统闭环控制稳定性之间的矛盾,本文首先基于同步旋转坐标谐波检测法的时频域数学模型,利用状态空间平均法并考虑数字控制器、逆变器、低通滤波器和二阶载波滤波器等影响的基础上,对串联混合型有源电力滤波器建立了数学控制模型。根据控制模型对串联混合型有源电力滤波器的稳定性进行定量分析。为提高系统滤波性能,减少数字控制延时对系统稳定性的影响,提出了相位超前补偿控制策略。为降低二阶输出滤波器的阻尼损耗加大系统的稳定裕度,提出了微分阻尼负反馈控制策略,同时也可以结合相位超前补偿控制策略得到更佳的滤波性能。本文还对串入式串联混合有源电力滤波器的电路拓扑和控制技术进行研究。在串入式串联混合有源电力滤波器拓扑电路的基础上提出改进型串入式串联混合有源电力滤波器,比较可知串入式串联混合有源电力滤波器及其改进型滤波性能基本一致且明显好于传统串联混合有源电力滤波器。对所建立的串入式串联混合有源电力滤波器,改进型串入式串联混合有源电力滤波器的数学控制模型进行分析研究,按有谐波检测和无谐波检测提出多种可能的控制策略。最后,对串联混合型有源电力滤波器在实际应用过程中存在的电流型负载在换相短路时对电网电流产生冲击,运用抗冲击电流电感法和串入式串联混合有源电力滤波器电路拓扑等方法来抑制电网电流冲击。而对于串联混合型有源电力滤波器实际应用中的重要参数系统阻抗,本文同样提出了利用电流型负载在换相动态过程中自然短路的思想来在线实时测量电网系统阻抗。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 谐波问题及谐波治理方案
• 1.1.1 电能质量问题及谐波的产生
• 1.1.2 谐波的危害
• 1.1.3 谐波治理标准
• 1.1.4 谐波治理方法
• 1.2 有源电力滤波器
• 1.2.1 有源电力滤波器的系统结构与分类
• 1.2.2 谐波检测算法
• 1.2.3 脉宽调制控制技术
• 1.3 本文的研究背景和主要内容概述
• 1.3.1 本文的研究背景
• 1.3.2 本文的主要内容概述
• 2 串联混合型有源电力滤波器拓扑
• 2.1 谐波源非线性负载
• 2.1.1 电流源型非线性负载
• 2.1.2 电压源非线性负载
• 2.2 有源电力滤波器拓扑
• 2.3 有源电力滤波器特性和控制策略比较
• 2.4 串联混合型有源电力滤波器拓扑比较
• 2.4.1 串联有源滤波器与串联无源滤波器混合型有源电力滤波器
• 2.4.2 串联有源滤波器与并联无源滤波器混合型有源电力滤波器
• 2.5 本章小结
• 3 同步旋转坐标谐波检测法研究
• 3.1 同步旋转坐标谐波检测法
• 3.1.1 同步旋转坐标谐波检测法数学模型
• 3.1.2 同步旋转坐标谐波检测法特性比较研究
• 3.2 特定次谐波检测
• 3.2.1 任意次谐波检测原理
• 3.2.2 任意次谐波检测旋转坐标系变换
• 3.3 指数平均值低通滤波器
• 3.3.1 延时和量化误差
• 3.3.2 指数平均值数字低通滤波器
• 3.3.3 指数平均值低通滤波器的级联形式
• 3.4 同步旋转坐标谐波检测法实验研究
• 3.4.1 不同滤波器不同截止下的同步旋转坐标谐波检测法实验研究
• 3.4.2 基于同步旋转坐标特定次谐波检测法实验研究
• 3.5 本章小结
• 4 串联混合型有源电力滤波器控制技术研究
• 4.1 串联混合有源电力滤波器稳定性研究
• 4.1.1 串联混合型有源电力滤波器状态空间模型
• 4.1.2 串联混合型有源电力滤波器控制回路模型
• 4.1.3 串联混合型有源电力滤波器系统模型
• 4.2 相位超前控制策略研究
• 4.2.1 延时对系统稳定性的影响
• 4.2.2 相位超前补偿控制策略
• 4.3 串联混合有源电力滤波器输出滤波器研究
• 4.3.1 输出滤波器在抑制逆变器开关纹波中的作用
• 4.3.2 输出滤波器在串联混合有源电力滤波器控制稳定性的影响分析
• 4.3.3 阻尼微分负反馈控制策略
• 4.3.4 相位超前和阻尼反馈综合控制策略
• 4.4 不同控制策略下的滤波特性研究
• 4.5 实验研究
• 4.6 本章小结
• 5 串入式串联混合有源电力滤波器研究
• 5.1 串入式串联混合有源电力滤波器滤波特性
• 5.2 串入式串联混合有源电力滤波器控制稳定性研究
• 5.3 基于电容旁路的串入式串联混合有源电力滤波器研究
• 5.4 改进型串入式串联混合有源电力滤波器
• 5.4.1 滤波特性比较研究
• 5.4.2 容量特性比较研究
• 5.4.3 改进型串入式串联混合有源电力滤波器稳定性研究
• 5.5 基于限波器特性的串入式串联混合有源电力滤波器控制特性研究
• 5.5.1 基于限波器特性的串入式串联混合有源电力滤波器滤波特性研究
• 5.5.2 基于限波器特性的串入式串联混合有源电力滤波器稳定性研究
• 5.5.3 改进型串入式无谐波检测串联混合有源电力滤波器
• 5.6 滤波性能比较
• 5.7 实验论证
• 5.8. 本章小结
• 6 串联混合型有源电力滤波器中系统阻抗研究
• 6.1 串联混合型有源电力滤波器换相短路研究
• 6.1.1 短路冲击电流
• 6.1.2 电网冲击电流抑制方案
• 6.1.3 仿真分析
• 6.1.4 实验论证
• 6.2 实时系统阻抗测量
• 6.2.1 在线阻抗测量原理
• 6.2.2 误差估计
• 6.2.3 仿真证实和实验测算
• 6.3 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 本文的主要结论
• 7.2 今后的工作和展望
• 参考文献
• 成果清单
• 致谢