LCL型有源電力濾波器關鍵技術研究.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、改善電能質量，對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行具有重要意義。本文以LCL型三電平有源電力濾波器為研究對象，對其系統(tǒng)建模、并網(wǎng)鎖相、控制系統(tǒng)設計、系統(tǒng)參數(shù)設計等關鍵問題進行了研究。
　　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，提出了一種基于復數(shù)濾波器矩陣解耦的鎖相策略。結合一階復數(shù)濾波器與相移算子，構建復數(shù)濾波器矩陣，通過設計矩陣運

2、算實現(xiàn)正交信號發(fā)生器(orthogonal signal generator，OSG)。該OSG模塊具備選頻與正交信號組提取功能，可在兩相旋轉坐標軸上有效提取基波分量及其正交分量。設計了輸出正負序交叉反饋的濾波結構，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)設計與離散化設計，實現(xiàn)電網(wǎng)基波正序電壓鎖相策略。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。仿真與實驗結果表明

3、，在電網(wǎng)電壓不平衡、畸變、頻率波動等非理想工況下，鎖相策略均可準確檢測頻率與相位。
　　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，提出了一種APF準滑模變結構復合控制方法。建立APF系統(tǒng)的仿射非線性模型，理論計算驗證系統(tǒng)模型能控性條件和對合條件。利用微分同胚關系，計算系統(tǒng)坐標變換矩陣，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

4、原點。針對反饋解耦之后的系統(tǒng)，利用系統(tǒng)相對階設計滑模函數(shù)，并引入飽和函數(shù)構建準滑?？刂破?。對系統(tǒng)結構與魯棒性進行詳細分析，完成控制器參數(shù)設計。將直流側電壓分為兩級控制，采用功率 PI控制器對全局電壓進行控制，設計負序電流控制器對相間電壓平衡進行控制。利用仿真和實驗對算法的動穩(wěn)態(tài)性能與抗擾性進行了驗證。
　　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LCL狀態(tài)反饋有源阻尼機理與反饋方案

5、進行了分析。在LCL建模與無源阻尼機理的基礎上，從傳遞函數(shù)零極點配置角度，針對六種單狀態(tài)反饋推導了反饋傳遞函數(shù)形式與相同阻尼效果反饋系數(shù)，詳細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化關系與優(yōu)缺點，為控制設計提供理論依據(jù)。在此基礎上，分別以濾波電容電壓為輸入輸出，構建兩個降階狀態(tài)反饋精確線性化子系統(tǒng)。設計雙閉環(huán)控制，外環(huán)為網(wǎng)側電流控制，內環(huán)為濾波電容電壓控制，在跟蹤控制的同時實現(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)設計。仿真與實驗結果驗證了控制算法的有效性。系統(tǒng)參數(shù)的選擇對APF系統(tǒng)補償特性與高頻濾波性能有重要影響。本文對系統(tǒng)直流電容參數(shù)與 LCL濾波器參數(shù)進行詳細分析，提出了一種基于限制條件的三維圖解 LCL參數(shù)設計方案。根據(jù)諧波變化率計算諧波跟蹤速度限制，隨后通過計算得到 APF橋臂輸出電壓、逆變器側電流與網(wǎng)側電流各次諧波含量，以最大單次諧波值代替高頻總諧波畸變率(total harmonic distortion，THD)