四開關型有源電力濾波器的控制理論與應用研究.pdf

1、四開關型有源電力濾波器（Four-switch-type Active Power Filter，F(xiàn)-APF）可以作為傳統(tǒng)的六開關型有源電力濾波器在故障重構后的容錯電路拓撲，具有在六開關逆變器故障時迅速恢復系統(tǒng)部分性能的潛力，同時由于減少了一對開關器件，F(xiàn)-APF具有裝置成本低、損耗少、體積小、驅動電路簡單及可靠性高等優(yōu)勢，因此具有重要的研究價值。本論文得到了國家“863”計劃項目“大型工業(yè)企業(yè)電氣節(jié)能新技術新裝備及其工程應用”和國家自

2、然科學基金重點項目“微網多逆變器并聯(lián)及電能質量控制方法研究”的資助，圍繞F-APF的控制方法與工程應用展開，分別對三相四開關有源電力濾波器(Three-phase Four-switch Shunt Active Power Filter，TFSSAPF)的工作原理與空間矢量電壓調制算法、空間矢量離散電流控制方法以及直流側電容電壓控制方法進行了研究，在此基礎上，結合微源逆變器的結構特點和某110kV變電站的電能質量情況，分別研究了TFS

3、SAPF在低壓微網和高壓配電網中的相關應用問題，主要研究內容和創(chuàng)新如下:
　　(1)分析了TFSSAPF的工作原理，提出了一種空間矢量調制算法(SVPWM)，大幅度優(yōu)化了觸發(fā)脈沖生成方法的總體計算量和計算精度。
　　通過詳細分析TFSSAPF的拓撲結構，本文揭示了TFSSAPF輸出三相平衡正序（負序）電壓的條件，為TFSSAPF對諧波、無功及負序電流的補償奠定了基礎。提出了一種改進的坐標變換式，使基本輸出電壓空間矢量位于αβ

4、坐標系的坐標軸上，只需進行簡單的符號判斷和四則運算即可得到參考電壓矢量的扇區(qū)和基本電壓矢量的作用時間，在總體計算量和計算精度上得到了大幅度的優(yōu)化。通過控制幅值相同、方向相反的一對基本電壓矢量在單位開關周期內的作用相同時間的方法合成零矢量，提出了一種五段式SVPWM算法，通過搭建仿真模型和樣機實驗平臺驗證了TFSSAPF原理分析的正確性以及所提SVPWM算法的有效性。
　　(2)揭示了空間矢量電流控制方法中等效誤差電壓矢量的約束條件

5、，提出了一種TFSSAPF雙滯環(huán)離散電流控制方法，提高了指令電流的跟蹤速度，降低了開關管的工作頻率。
　　本文分析了TFSSAPF采用空間矢量方法進行電流控制時，等效誤差電壓矢量的約束條件，既保證誤差電流幅值減小，又不超出TFSSAPF的輸出能力;指出了等效誤差電壓矢量的最優(yōu)方向，以使單位幅值的等效誤差電壓矢量能產生最大的誤差電流矢量幅值衰減;采用離散方法描述了實現(xiàn)指令電流精確實時跟蹤的輸出電壓表達式，并提出了一種TFSSAPF雙

6、滯環(huán)離散電流控制方法，在誤差電流較大時進行矢量合成，在誤差電流較小時選擇最優(yōu)矢量輸出，既滿足電流畸變率要求，又降低開關管的工作頻率。仿真和實驗說明了所提方法在參考電流跟蹤速度提高和功率器件開關頻率降低上的優(yōu)越性。
　　(3)建立了TFSSAPF的基本數學模型，對TFSSAPF的直流側電容電壓控制目標進行了描述，提出了一種基于相電流調制的TFSSAPF直流側電容電壓控制方法，保證了直流側電容電壓的穩(wěn)定。
　　本文分析了TFSS

7、APF的能量交換原理，采用控制TFSSAPF輸出電流有功分量的方法來實現(xiàn)直流側電容總電壓均值的恒定;建立了直流側電容平均電壓差值和TFSSAPF的C相輸出電壓的關系，提出在C相指令電流中疊加均壓控制量的方法來實現(xiàn)直流側兩電容均壓。提出以相電流作為指令電流的SPWM電流調制算法，彌補了傳統(tǒng)的線電流調制方法應用于TFSSAPF時的弊端。綜合相電流SPWM電流調制算法、直流側電容總電壓均值穩(wěn)定方法和直流側兩電容電壓平衡方法，提出一種TFSSA

8、PF直流側電容電壓控制方法，并對關鍵參數設計方法進行了分析。通過搭建樣機實驗平臺驗證了所提方法的有效性。
　　(4)分析了在虛擬阻抗存在時，負載諧波電流對微網逆變器性能的影響，提出一種TFSSAPF的復合控制方法，用于控制TFSSAPF以調節(jié)微網母線電壓角頻率并抑制負載諧波，消除負載諧波對微源逆變器的影響，并充分利用其無功容量。
　　本文通過建立微網逆變器系統(tǒng)的等效模型，對負載諧波引起的逆變器功率檢測偏差進行了詳細分析，引入

9、虛擬諧波功率的概念對誤差進行量化，采用小信號分析方法說明了負載諧波電流對微網逆變器性能的影響并進行了仿真驗證。為了減小負載諧波對微網逆變器的影響，并利用TFSSAPF的無功容量，提出了一種TFSSAPF的復合控制算法，在TFSSAPF參考電流中加入了用于調節(jié)母線電壓角頻率的無功分量來對母線電壓頻率波動進行補償，仿真分析說明，該算法能降低母線角頻率誤差值，并補償負載諧波電流，提高了微網逆變器的穩(wěn)定性。
　　(5)分析了某110kV變

10、電站的電能質量情況，針對其電能質量問題提出一種FSI-HAPF結構，并對軟硬件系統(tǒng)進行了設計，實現(xiàn)了在35kV側進行大容量無功補償和動態(tài)諧波治理的目的。
　　本文分析了某110kV變電站的基本電能質量情況，參照電能質量國家標準說明35kV母線Ⅰ段存在的諧波污染及無功不足問題。提出了一套高壓配網混合補償裝置FSI-HAPF，由TFSSAPF和諧振注入支路組組成，與傳統(tǒng)注入式混合有源濾波器相比，造價更低，可靠性更高。闡述了FSI-HA