1  緒論

1.1  課題背景與意義
隨著電力需求日益擴大，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，各種各樣的電能質(zhì)量問題逐漸突出。其中，諧波問題是最主要的問題之一。隨著越來越多的工業(yè)與民用低功率因數(shù)、非線性、沖擊性設(shè)備投入，低壓供電系統(tǒng)諧波問題日益嚴重，亟待綜合補償與治理。 諧波(harmonic)，從電氣角度而言，是指電壓或電流中所含有的頻率為基波整數(shù)倍的電量。諧波產(chǎn)生原因主要是電力系統(tǒng)中存在非線性器件。根據(jù)所含非線性器件類型的不同，電網(wǎng)中諧波源可大致分為三類設(shè)備[1]：電力電子設(shè)備產(chǎn)生諧波的主要原因是其重要組成元件為非線性半導(dǎo)體器件[2-4]。隨著入網(wǎng)電力電子設(shè)備日益增加，此類諧波設(shè)備構(gòu)成了電網(wǎng)的主要諧波來源，如：整流器、變頻器、交流調(diào)壓裝置、晶閘管系統(tǒng)、開關(guān)電源等。其中，整流裝置最為常見，且?guī)缀跞繛椴捎脦щ娙轂V波的二極管不控整流或晶閘管相控整流。二極管整流負載一般采用橋式結(jié)構(gòu)，輸出并聯(lián)電容，屬于電壓型諧波源，所引起的諧波含量與電容值的大小有關(guān)；晶閘管系統(tǒng)采用相位控制方式，不僅含有整數(shù)倍次諧波，還含有部分非整數(shù)倍數(shù)的間諧波。除整流裝置外，，斬波電路和逆變器也在工業(yè)與民用電力設(shè)備得到廣泛應(yīng)用，而其輸入直流電源大多來自整流裝置，產(chǎn)生的諧波問題也不可忽視。
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1.2  有源電力濾波器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

從研究的角度考慮，關(guān)于有源電力濾波器傳統(tǒng)研究主要集中于主回路拓撲結(jié)構(gòu)研究與控制算法研究。隨著電網(wǎng)與用戶對 APF 性能要求逐漸提高，如何提高補償效果、改善輸出性能、提高惡劣環(huán)境下 APF 可靠性等問題逐漸成為有源電力濾波器新的研究方向。下面對 APF 主回路拓撲結(jié)構(gòu)、檢測與鎖相技術(shù)、輸出濾波器性能和有源濾波器控制四個關(guān)鍵性技術(shù)進行分析與探討。自從有源電力濾波器被提出以來，已根據(jù)諧波源補償需求不同發(fā)展出了多種拓撲結(jié)構(gòu)。且根據(jù)不同的角度和拓撲結(jié)構(gòu)，可以有多種分類方法。根據(jù) APF 電路與諧波負載的連接方式分類，是目前最常用的分類方法。按照該種分類方式，APF 可分為串聯(lián)型、并聯(lián)型和統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器，其具體劃分如圖 1-1 所示。 在有源電力濾波器三種基本拓撲里，并聯(lián)型 APF[20-22]是目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的形式。通過在負載的公共連接點處與負載并聯(lián)，產(chǎn)生與負載電流等幅反向的補償電流實現(xiàn)諧波治理，可以等效為一個受控諧波電流源。 其中，并聯(lián)型 APF 可以分成電流源型逆變器拓撲和電壓源型逆變器拓撲。對于電流源型逆變器結(jié)構(gòu)，直流側(cè)電抗損耗較大，且需要串聯(lián)二極管增加反相阻斷電壓，以提高開關(guān)器件的耐壓等級。另外，電流源型逆變器結(jié)構(gòu)難以采用多電平或多級級聯(lián)模塊實現(xiàn)，其諧波補償性能提高與容量擴展較為困難，因而此類APF 應(yīng)用較少，僅在特殊場合使用。而與之對應(yīng)的電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)是目前主流的 APF 拓撲結(jié)構(gòu)。該種 APF 結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，可以同時輸出諧波電流與基波無功電流；電壓等級與容量擴展簡單，可以采用多電平、多級級聯(lián)或降壓變壓器等方式提高系統(tǒng)耐壓等級和補償容量�；谝陨蟽�(yōu)勢，目前工業(yè)現(xiàn)場投運的APF 幾乎全是電壓源型有源電力濾波器結(jié)構(gòu)。并聯(lián)型 APF 等效于受控電流源，它的接入方式?jīng)Q定了其具備對系統(tǒng)影響小、投切靈活方便、容量便于擴展等優(yōu)點，因而獲得較為廣泛的應(yīng)用。 

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2  基于復(fù)數(shù)濾波器矩陣正交信號發(fā)生器(CFM-OSG)的鎖相環(huán)算法研究

2.1  引言
鎖相環(huán)是并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)之一，其性能優(yōu)劣直接影響并網(wǎng)電流的控制效果�；趩瓮阶鴺讼档� SRF-PLL 是目前廣泛采用的線性閉環(huán) PLL。在電網(wǎng)電壓理想狀態(tài)下，SRF-PLL 具有良好的動態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)精度。但是電網(wǎng)電壓往往是非理想的，存在頻率波動、三相不對稱與電壓畸變等電能質(zhì)量問題�；ㄘ撔蚺c諧波信號在同步參考坐標下表現(xiàn)為低頻交流信號，使鎖相環(huán)輸出頻率呈現(xiàn)振蕩狀態(tài)，影響鎖相輸出性能，甚至可能導(dǎo)致鎖相環(huán)無法正常工作。 針對不平衡和畸變問題，目前工業(yè)上傳統(tǒng)的方法是在同步坐標 dq 軸上采用低通濾波器進行濾波，或者直接通過限制 PI 控制器帶寬進行諧波抑制。該方法實現(xiàn)簡單，計算量小，但濾波效果不佳，且減小了系統(tǒng)的等效帶寬，降低了系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度。近年來，國內(nèi)外的專家和學者也提出了眾多解決方案，其中針對基于二階廣義積分器(second-order  generalized  integrator，SOGI)的鎖相環(huán)研究較多，如：基于雙二階廣義積分的 PLL[132] (DSOGI-based PLL)，基于多重廣義積分的 PLL[133](Multiple  SOGI-based  PLL)，基于自適應(yīng)陷波器的 PLL[134](Adaptive notch filter-based PLL)等。但這些方法均存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計算量大的問題。對此，本文提出了一種基于復(fù)數(shù)濾波器矩陣正交信號發(fā)生器(orthogonal signal generator, OSG)的鎖相方法，以解決電網(wǎng)電壓非理想條件下的鎖相問題。
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2.2  非理想條件下電網(wǎng)電壓分析
在不平衡負載與非線性負載影響下，電網(wǎng)電壓常處于不平衡和畸變狀態(tài)。尤其在弱電網(wǎng)中，該非理想情況更加明顯。由 SRF-PLL 結(jié)構(gòu)可知，為了減小諧波與基波負序電壓分量對 SRF-PLL 的影響，須在同步坐標變換之前完成基波正序分量的提取。因此，本文考慮在 Clarke變換之后引入濾波環(huán)節(jié)，設(shè)計正弦信號發(fā)生器。 因此，這兩種一階復(fù)數(shù)濾波器單獨使用時，可實現(xiàn)對應(yīng)的電壓分量無衰減零相移通過，且抑制諧波分量，但是無法實現(xiàn)正序分量與負序分量的解耦分離。因此，本文考慮將這兩種濾波器組合使用，以實現(xiàn)諧波抑制和基波電壓正負序分離。 
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3  基于狀態(tài)反饋精確線性化的有源電力濾波器 .... 40 
3.1  引言 ....... 40 
3.2  有源電力濾波器模型 ....... 41 
3.3  電流內(nèi)環(huán)狀態(tài)精確反饋線性化 ..... 46 
3.4  基于準滑模變結(jié)構(gòu)控制器的 APF 電流控制 .... 52 
3.5  滑模變結(jié)構(gòu)控制器性能分析與參數(shù)設(shè)計 .......... 56 
3.6  直流電壓控制 ..... 62 
3.7  仿真分析 ...... 65 
3.8  本章小結(jié) ...... 69 
4 LCL 濾波器阻尼與 APF 電流雙閉環(huán)控制研究 ......... 71 
4.1  引言 ....... 71 
4.2 LCL 濾波器諧振原理分析 ...... 71 
4.3  單狀態(tài)變量反饋有源阻尼分析 ..... 73 
4.4 APF 降階狀態(tài)反饋精確線性化 ..... 80 
4.5  電流雙閉環(huán) APF 控制系統(tǒng)設(shè)計 .......... 84 
4.6  仿真分析 ...... 87 
4.7  本章小結(jié) ...... 88 
5 LCL 型 APF 主電路參數(shù)設(shè)計方法 ........ 89 
5.1  引言 ....... 89 
5.2  系統(tǒng)模型分析 ..... 89 
5.3  直流母線電容計算 .... 91 
5.4 LCL 濾波器參數(shù)設(shè)計 ....... 93 
5.5  仿真分析 .... 105 
5.6  本章小結(jié) .... 108 

6  有源電力濾波器系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)實驗研究

6.1  有源電力濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
為驗證本課題的理論研究成果，搭建了 380V/50A 的 LCL 濾波三相 H 橋有源電力濾波器的樣機，以二極管整流串聯(lián)電感作為諧波負載，實驗平臺結(jié)構(gòu)圖如圖 6-1 所示。 整體系統(tǒng)由諧波源、APF 主控制器、APF 功率模塊三個部分構(gòu)成，控制器與功率模塊之間采用光纖連接。 諧波源采用三相電感串聯(lián)三相二極管整流系統(tǒng)，不控整流的負載為電阻。 APF 采用主控制器與功率單元分離的模式，采用兩級控制，有利于控制器資源的最大利用。主控制器由電源板、模擬/數(shù)字板、主控制器板三個部分構(gòu)成，板與板之間通過插針連接，其主要功能為： 1)  電源板為主控制器供電，為保證可靠供電，主控采用 220V 交流獨立供電模式。 2)  模擬/數(shù)字板主要功能為模擬信號采樣、數(shù)字信號輸入與輸出、通信。模擬信號輸入分別為三相三相電源電壓、三相負載電流傳感器輸出與 APF 輸出補償電流傳感器輸出。A/D 轉(zhuǎn)換采用 ADI 公司 AD7861 芯片，2+2 通道、12 位分辨率，最高采樣頻率可達 500kHz，適合對諧波進行高速采樣。數(shù)字信號輸入主要外部斷路器狀態(tài)和開關(guān)按鍵輸入，數(shù)字信號輸出主要為斷路器控制信號和系統(tǒng)運行狀態(tài)顯示，輸入輸出均通過光耦隔離。通信采用 232 接口，調(diào)試階段作為內(nèi)部狀態(tài)輸出接口。 
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結(jié)論

隨著低壓電網(wǎng)電能質(zhì)量問題日益突出，作為電能質(zhì)量綜合治理裝置的有源電力濾波器得到了越來越多的關(guān)注。為實現(xiàn) APF 可靠、高效運行，本文針對 LCL型三相 H 橋結(jié)構(gòu)有源電力濾波器，研究了并網(wǎng)鎖相策略、APF 控制策略、LCL濾波器阻尼控制策略、濾波器設(shè)計等內(nèi)容，取得了以下研究成果： 
1)  針對電網(wǎng)非理想工況下傳統(tǒng)鎖相環(huán)性能不佳的問題，提出了一種基于復(fù)數(shù)濾波器矩陣解耦的鎖相策略。 基于萊昂氏法正負序分量矩陣算子思想，引入一階復(fù)數(shù)濾波器，通過矩陣運算設(shè)計了正交信號發(fā)生器。該正交信號發(fā)生器內(nèi)部對原始信號分別呈帶通與低通特性，具有選頻與正交信號提取功能。 在正交信號發(fā)生器的基礎(chǔ)上，設(shè)計了輸出正負序交叉反饋的濾波結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了原始信號的正負序提取與解耦。將該模塊嵌入鑒相環(huán)節(jié)，進行參數(shù)設(shè)計與離散化設(shè)計，實現(xiàn)電網(wǎng)電壓基波正序鎖相策略。 針對鎖相環(huán)啟動時刻頻率估計時間較長的問題提出了“軟啟動”策略，有效降低過渡時間與暫態(tài)波動幅值。 仿真與實驗結(jié)果表明，在電網(wǎng)電壓不平衡、畸變、頻率波動等非理想工況下，鎖相策略可準確的檢測頻率與相位。 
2)  為解決三相有源電力濾波器變量耦合和非線性特征，提出一種基于狀態(tài)反饋精確線性化 APF 準滑模復(fù)合控制方法。 以網(wǎng)側(cè)電感電流為控制目標，建立系統(tǒng)仿射非線性模型，并驗證其能控性條件和對合條件。利用微分同胚映射，計算系統(tǒng)坐標變換矩陣，并求解 APF 模型狀態(tài)反饋精確線性化表達式。實現(xiàn)了同步參考坐標系上的變量解耦，同時將系統(tǒng)諧振極點配置到原點，結(jié)構(gòu)簡單，便于控制器設(shè)計。 根據(jù)系統(tǒng)相對階對變換后線性系統(tǒng)設(shè)計滑模函數(shù)，引入電流偏差及其一階、二階導(dǎo)數(shù)作為被控對象，設(shè)計準滑�？刂破��？刂破骼蔑柡秃瘮�(shù)實現(xiàn)線性與非線性切換，抑制了抖振，同時具備較強的魯棒性。 
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參考文獻(略)

本文編號：34853