直流侧串联型有源电力滤波器的建模与控制研究

论文摘要

由于电力电子装置在电力系统、各工业部门以及家庭和民用事业中的广泛应用,其产生的谐波已成为电力系统中电力谐波的主要来源,面对电力谐波造成日益严重的危害,世界各国对谐波问题的研究给予了高度的重视,不仅制定了相应的谐波标准和规则,而且积极开展谐波治理方法的研究。有源电力滤波器（APF Active Power Filter）可以对这种已经存在的谐波污染进行治理,被认为是一种相当有效和有发展前途的谐波治理新方法。并联型有源电力滤波器和串联型有源电力滤波器是APF的两种主要电路结构,其中串联型APF对治理电压型谐波源具有明显的优势。本论文针对目前广泛使用的电容滤波的整流桥类电力电子装置引起的谐波污染,提出了一种能有效抑制这类谐波的新型直流侧串联型有源电力滤波器,并进行了深入的研究。研究内容主要包括:单相直流侧串联型APF的拓扑结构、工作原理、数学模型、适合该拓扑结构的控制方法及其该拓扑结构和控制方法在三相整流桥直流侧的应用。论文主要研究内容和完成的工作如下:针对单相整流桥负载谐波源的特点,提出一种利用双向电压变换器为主电路的单相直流侧串联型有源电力滤波器的基本拓扑结构,在深入分析该APF主电路工作原理的基础上,针对电压型谐波源负载的特点提出控制策略,推导其控制方式,并给出了电路中关键器件参数的确定方法。比较分析了直流侧DC-DC变换器、PFC和APF的电路结构之间的关系,着重研究了直流侧APF电路结构的设计思想和工作原理,并根据该电路工作的特点,利用DC-DC变换器建模的基本思想和步骤,采用状态平均模型法,建立了直流侧串联型APF的数学模型,并对其进行了静态分析和动态分析,求出了静态工作点,求出了系统不同输入输出之间的传递函数,为电路拓扑的进一步研究奠定了基础。针对所提出的直流侧串联型APF主电路拓扑,提出了一种不用检测谐波的基于功率平衡原理的滞环控制策略,推导了控制方程,设计了闭环系统的仿真模型,并进行了仿真研究。仿真结果表明,基于该控制方式的直流侧串联型APF控制效果好,无论在重载还是轻载情况下,都能快速的反应。在单相直流侧串联型APF的基础上,针对大量使用三相整流桥负载,将单相直流侧串联型APF推广到三相系统,通过增加一组双向选择开关实现对三相系统的解耦,解耦后为两个独立的单相系统,通过仿真研究验证了电路结构的正确性和控制方法的有效性,使之能适用于大功率整流电路的电力谐波治理领域。完成了从单相到三相的完整系列设计。研制并调试了一台实验样机,进行额定负载、动态电子负载等实验,实验结果与理论分析和仿真结果一致,由此验证了提出的直流侧串联型APF拓扑结构和基于功率平衡原理的滞环控制方式的正确性和有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 有源电力滤波器的产生与发展
• 1.1.1 谐波的产生与危害
• 1.1.2 谐波的治理与有源电力滤波器的产生
• 1.1.3 有源电力滤波器的基本结构与特点
• 1.2 有源电力滤波器工作原理与控制方式
• 1.2.1 有源电力滤波器工作原理
• 1.2.2 有源电力滤波器的控制方式
• 1.3 直流侧有源电力滤波器的研究
• 1.3.1 直流侧有源电力滤波器的概念
• 1.3.2 直流侧有源电力滤波器研究现状
• 1.4 论文研究的主要内容
• 2 单相直流侧串联型APF 数学模型的建立
• 2.1 PFC、直流侧APF 与DC-DC 变换器
• 2.1.1 传统的PFC 结构
• 2.1.2 直流侧APF
• 2.1.3 直流侧APF、PFC 与DC-DC 变换器的关系
• 2.2 DC-DC 变换器建模与分析方法综述
• 2.2.1 DC-DC 变换器建模方法综述
• 2.2.2 DC-DC 变换器分析方法综述
• 2.3 单相直流侧串联型APF 电路的设计与工作原理
• 2.3.1 单相直流侧串联型APF 的补偿原理
• 2.3.2 单相串联型APF 主电路的功率级分析
• 2.3.3 单相串联型APF 主电路设计
• 2.3.4 单相直流侧串联型APF 的工作原理
• 2.4 单相直流侧串联型APF 数学模型的建立
• 2.4.1 基本建模思路
• 2.4.2 单相直流侧串联型APF 的平均变量模型
• 2.4.3 单相直流侧串联型APF 的小信号线性模型
• 2.5 单相直流侧串联型APF 系统的分析
• 2.5.1 静态分析
• 2.5.2 动态小信号分析
• 2.6 本章小结
• 3 直流侧串联型APF 控制方式研究
• 3.1 基本控制方式简述
• 3.2 基于功率平衡原理的滞环控制策略
• 3.2.1 功率平衡原理
• 3.2.2 直流侧串联型APF 补偿时等效电阻的确定
• 3.2.3 直流侧串联型APF 基于功率平衡原理的控制方程推导
• 3.2.4 串联型APF 闭环控制模型
• 3.3 基于功率平衡原理的滞环控制策略的仿真分析
• 3.3.1 未加入有源电力滤波器时的仿真分析
• 3.3.2 加入直流侧串联型有源电力滤波器后的仿真分析
• 3.3.3 轻载与重载时的补偿效果比较
• 3.3.4 负载突变时的补偿效果
• 3.3.5 负载突变时的补偿过程分析
• 3.4 APF 主电路参数选取及参数间的相互关系
• 3.4.1 储能电容电压稳定值UC 与等效电阻Re 的确定
• 3.4.2 电容容量C 的确定
• 3.4.3 基于滞环控制的电感值L 的选取
• 3.5 直流侧串联型APF 与传统APF 和PFC 的比较研究
• 3.5.1 三种电路结构及相关物理量定义
• 3.5.2 开关利用率比较
• 3.5.3 补偿容量比较
• 3.6 本章小结
• 4 三相直流侧串联型APF
• 4.1 三相直流侧串联型有源电力滤波器拓扑结构与工作原理
• 4.1.1 三相整流桥直流侧串联型有源电力滤波器的拓扑结构
• 4.1.2 三相直流侧串联型有源电力滤波器的工作原理
• 4.1.3 三相直流侧串联型有源电力滤波器的数学模型与电压传输比
• 4.2 三相直流侧串联型有源电力滤波器控制模型
• a、S_b、S_c 的控制模型'>4.2.1 双向开关S_a、S_b、S_c的控制模型
• 4.2.2 APF 的控制模型
• 4.3 三相直流侧串联型有源电力滤波器仿真分析
• 4.3.1 轻载与重载时的补偿效果比较
• 4.3.2 负载突变时的补偿效果
• 4.3.3 负载变化对直流输出电压和电流的影响
• 4.3.4 负载突变对直流输出电压和电流的影响
• 4.3.5 负载变化时的补偿过程分析
• 4.4 本章小结
• 5 单相直流侧串联型有源电力滤波器实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验电路基本信息
• 5.2.1 电路参数指标
• 5.2.2 实验用仪器设备
• 5.3 实验样机设计
• 5.3.1 主电路设计
• 5.3.2 控制电路设计
• 5.4 整机实验
• 5.4.1 加入APF 前后的电压电流对比
• 5.4.2 不同负载时APF 的性能试验
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录