LCL型有源電力濾波器關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、有源電力濾波器(active power filter，APF)作為一種高性能的諧波治理裝置，可有效抑制諧波、改善電能質(zhì)量，對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。本文以LCL型三電平有源電力濾波器為研究對(duì)象，對(duì)其系統(tǒng)建模、并網(wǎng)鎖相、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了研究。
　　針對(duì)電網(wǎng)非理想工況下傳統(tǒng)鎖相環(huán)性能不佳的問(wèn)題，提出了一種基于復(fù)數(shù)濾波器矩陣解耦的鎖相策略。結(jié)合一階復(fù)數(shù)濾波器與相移算子，構(gòu)建復(fù)數(shù)濾波器矩陣，通過(guò)設(shè)計(jì)矩陣運(yùn)

2、算實(shí)現(xiàn)正交信號(hào)發(fā)生器(orthogonal signal generator，OSG)。該OSG模塊具備選頻與正交信號(hào)組提取功能，可在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸上有效提取基波分量及其正交分量。設(shè)計(jì)了輸出正負(fù)序交叉反饋的濾波結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了原始信號(hào)的正負(fù)序提取與解耦。將該模塊嵌入鑒相環(huán)節(jié)，進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)與離散化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)基波正序電壓鎖相策略。針對(duì)鎖相環(huán)啟動(dòng)時(shí)刻頻率估計(jì)時(shí)間較長(zhǎng)的問(wèn)題提出了“軟啟動(dòng)”策略，有效降低過(guò)渡時(shí)間與暫態(tài)波動(dòng)幅值。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明

3、，在電網(wǎng)電壓不平衡、畸變、頻率波動(dòng)等非理想工況下，鎖相策略均可準(zhǔn)確檢測(cè)頻率與相位。
　　為解決三相有源電力濾波器變量耦合和非線性特征，第三章以狀態(tài)反饋精確線性化算法為基礎(chǔ)，提出了一種APF準(zhǔn)滑模變結(jié)構(gòu)復(fù)合控制方法。建立APF系統(tǒng)的仿射非線性模型，理論計(jì)算驗(yàn)證系統(tǒng)模型能控性條件和對(duì)合條件。利用微分同胚關(guān)系，計(jì)算系統(tǒng)坐標(biāo)變換矩陣，并求解得到了APF模型狀態(tài)反饋精確線性化表達(dá)式。實(shí)現(xiàn)了同步參考坐標(biāo)系上的變量解耦，同時(shí)將系統(tǒng)諧振極點(diǎn)配置到

4、原點(diǎn)。針對(duì)反饋解耦之后的系統(tǒng)，利用系統(tǒng)相對(duì)階設(shè)計(jì)滑模函數(shù)，并引入飽和函數(shù)構(gòu)建準(zhǔn)滑?？刂破?。對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與魯棒性進(jìn)行詳細(xì)分析，完成控制器參數(shù)設(shè)計(jì)。將直流側(cè)電壓分為兩級(jí)控制，采用功率 PI控制器對(duì)全局電壓進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)負(fù)序電流控制器對(duì)相間電壓平衡進(jìn)行控制。利用仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)算法的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能與抗擾性進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　為提高控制系統(tǒng)性能，本文提出了基于降階狀態(tài)反饋精確線性化的APF電流雙閉環(huán)控制策略。首先對(duì)LCL狀態(tài)反饋有源阻尼機(jī)理與反饋方案

5、進(jìn)行了分析。在LCL建模與無(wú)源阻尼機(jī)理的基礎(chǔ)上，從傳遞函數(shù)零極點(diǎn)配置角度，針對(duì)六種單狀態(tài)反饋推導(dǎo)了反饋傳遞函數(shù)形式與相同阻尼效果反饋系數(shù)，詳細(xì)分析了每一種反饋的可行性與改造方案，得到了各方案之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系與優(yōu)缺點(diǎn)，為控制設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，分別以濾波電容電壓為輸入輸出，構(gòu)建兩個(gè)降階狀態(tài)反饋精確線性化子系統(tǒng)。設(shè)計(jì)雙閉環(huán)控制，外環(huán)為網(wǎng)側(cè)電流控制，內(nèi)環(huán)為濾波電容電壓控制，在跟蹤控制的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了單狀態(tài)反饋有源阻尼效果。根據(jù)APF系統(tǒng)性

6、能，完成控制器參數(shù)設(shè)計(jì)。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了控制算法的有效性。系統(tǒng)參數(shù)的選擇對(duì)APF系統(tǒng)補(bǔ)償特性與高頻濾波性能有重要影響。本文對(duì)系統(tǒng)直流電容參數(shù)與 LCL濾波器參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析，提出了一種基于限制條件的三維圖解 LCL參數(shù)設(shè)計(jì)方案。根據(jù)諧波變化率計(jì)算諧波跟蹤速度限制，隨后通過(guò)計(jì)算得到 APF橋臂輸出電壓、逆變器側(cè)電流與網(wǎng)側(cè)電流各次諧波含量，以最大單次諧波值代替高頻總諧波畸變率(total harmonic distortion，THD)