大容量并联电力有源滤波器性能改善控制技术研究

论文摘要

随着对电能应用高效率的要求,基于电力电子技术的非线性负载等开关设备的应用越来越普遍,这些开关设备造成的谐波成分对电网的污染也越来越严重。这些谐波会影响其它电气设备的正常工作,危及电网安全。电力有源滤波器由于能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿,得到了广泛的研究。本文是在课题组380V、260kVA纯有源电力滤波器项目方案的论证阶段,为提高大容量单台纯有源滤波器的效率和动、稳态性能而做的分析、设计和仿真验证工作。论文首先介绍了通过LCL滤波器与电网相连的并联电力有源滤波器的主电路结构,进而分析了这种主电路结构在大容量和低开关频率场合对开关纹波衰减的优势。通过比较PI控制和状态反馈控制,选取全状态反馈来达到对系统的稳定控制。将电网处理为扰动输入,对LCL主电路在静止abc坐标系中进行了建模,然后选取系统闭环期望极点设计了控制系统。为消除电网这个外部输入对指令电流跟踪的影响,引入了电压前馈,并从理论上推导了前馈的具体关系式。之后引入了观测器,并把对电网输入的建模考虑进了观测器,消除了电网输入对状态估计和补偿输出造成的偏差。在电力有源滤波器实际安装时,电网进线和变压器的电感是不确定的,其会加在LCL的网侧电感上,从而使对系统基于状态空间的建模产生偏差,因此文章研究了所设计的控制器对LCL网侧电感变化的适应性。为保证电力有源滤波器的稳态指标,对状态反馈后的系统设计了重复控制器。最后,基于设计的控制器在MATLAB/Simulink环境下建立了对1MW不控整流负载进行补偿的电力有源滤波器系统模型,进行了仿真;并对动静态性能进行了分析,验证了设计和理论分析的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 谐波的危害及其治理手段
• 1.2 电力有源滤波器的研究现状与前景
• 1.3 电力有源滤波器的关键技术
• 1.4 本课题的主要工作及意义
• 第2章 电力有源滤波器的基本原理
• 2.1 电力有源滤波器的主电路
• 2.1.1 主电路结构
• 2.1.2 LCL滤波器特性与设计
• 2.1.3 LCL设计参数
• 2.2 电力有源滤波器的控制策略
• 2.2.1 PI调节的控制策略
• 2.2.2 状态反馈控制
• 2.2.3 重复控制
• 2.3 本章小结
• 第3章 全状态反馈控制技术研究
• 3.1 LCL的状态空间模型
• 3.1.1 连续域下的LCL状态空间模型
• 3.1.2 LCL状态空间模型的离散化
• 3.1.3 系统的能控性与能观性
• 3.2 全状态控制规律设计
• 3.2.1 极点配置
• 3.2.2 参考输入的引入
• 3.2.3 电网电压前馈
• 3.3 观测器
• 3.3.1 观测器的设计方法和分类
• 3.3.2 全阶观测器设计
• 3.3.3 最少阶观测器设计
• 3.3.4 电网输入对状态观测的影响
• 3.4 状态反馈控制器对电网侧电感变化的适应性
• 3.4.1 网侧电感变化对控制规律影响
• 3.4.2 网侧电感对观测器影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 状态反馈加重复控制研究
• 4.1 重复控制器的结构与稳定性
• 4.1.1 重复控制结构
• 4.1.2 重复控制的稳定性
• 4.2 重复控制器的设计
• 4.3 状态反馈控制加重复控制
• 4.4 本章小结
• 第5章 电力有源滤波器系统仿真分析
• 5.1 概述
• 5.2 软启动和直流侧电压闭环参数
• 5.3 仿真模型
• 5.3.1 仿真模型参数
• 5.3.2 调制信号相对于载波幅值的限幅
• 5.4 仿真结果分析
• 5.4.1 静态仿真
• 5.4.2 动态仿真
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文