高功率并联型有源电力滤波器先进控制方法研究

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有源电力滤波器(APF)自从80年代以来一直是研究的热点,并联有源滤波器(SAPF)由于连接方便、保护容易是其中应用最广的一种。为进一步提高SAPF的补偿性能,本文以此为题,针对几种先进控制方法开展了研究。本文首先分析了并联型有源电力滤波器在三相静止坐标系和旋转d-q坐标系下的数学模型,证明了在两个坐标系下系统具有相同的传递函数和不同的扰动量。本文并联型有源电力滤波器装置的主电路采用LCL滤波器,其可以减小系统的体积,且滤波效果较好,但是系统变为三阶系统,且存在谐振点,不易控制。单电感滤波器结构简单,但滤波效果稍差,且造成系统体积过大。本文将两者进行了比较,说明了各自优点,针对LCL滤波器进行了重复控制器、双环控制器以及选择性谐波补偿的设计,针对单电感滤波器进行了多重采样的设计与验证。重复控制是一种基于内模原理的控制方法,它具有更高的带宽,有利于提高系统的稳态精度,但是由于控制器的实现存在一定的延时,其动态性能很差。本文对重复控制进行了仿真与实验研究。传统的PI控制虽然跟踪性能不好,但动态响应速度快,实现简单。在此基础上将PI控制与重复控制相结合形成双环控制,实验结果表明,双环控制可以大大降低电网电流的THD,同时在动态过程中,迅速做出调节。选择性谐波补偿只对低次谐波进行补偿,忽略不重要的其它高次谐波,或者只对某些次特定谐波进行补偿。由于只需要补偿对系统性能造成影响的分量,这种控制方法有效的减小了系统的容量。同时它可以忽略造成电网谐振的特定次谐波,提高了系统的稳定性。仿真证明了选择性谐波补偿可以补偿特定频率的谐波,同时利用DSP实现了离散傅立叶分析提取谐波信号。控制器的数字化影响其原有的性能,甚至使原本设计好的系统不稳定。提高采样频率使得数字控制器与模拟控制器性能更加接近,但是传统的采样方式,采样频率为开关频率的一倍或者两倍,基于电力电子器件的限制,采样频率不能无限制的提高。多重采样在提高采样频率的情况下并不需要提高开关频率,解决了控制器设计与器件之间的矛盾。本文对其进行了研究,并解决了其在实现中遇到的脉冲丢失问题,因此在高功率场合,当器件的开关频率受到限制时,多重采样可以得到应用。通过以上几个方面的研究,本文在以下几个方面取得了一定的成果:首先双环控制方法与重复控制解决了SAPF谐波补偿带宽和动态响应的问题;其次选择性谐波补偿实现了SAPF在特殊应用场合对特定谐波的补偿;最后多重采样的研究解决了大功率场合采样频率与开关器件之间存在的矛盾,保持了控制器离散化后的性能。
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