四開(kāi)關(guān)型有源電力濾波器的控制理論與應(yīng)用研究.pdf

1、四開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)型有源電力濾波器在故障重構(gòu)后的容錯(cuò)電路拓?fù)?，具有在六開(kāi)關(guān)逆變器故障時(shí)迅速恢復(fù)系統(tǒng)部分性能的潛力，同時(shí)由于減少了一對(duì)開(kāi)關(guān)器件，F(xiàn)-APF具有裝置成本低、損耗少、體積小、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單及可靠性高等優(yōu)勢(shì)，因此具有重要的研究?jī)r(jià)值。本論文得到了國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目“大型工業(yè)企業(yè)電氣節(jié)能新技術(shù)新裝備及其工程應(yīng)用”和國(guó)家自

2、然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“微網(wǎng)多逆變器并聯(lián)及電能質(zhì)量控制方法研究”的資助，圍繞F-APF的控制方法與工程應(yīng)用展開(kāi)，分別對(duì)三相四開(kāi)關(guān)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(diào)制算法、空間矢量離散電流控制方法以及直流側(cè)電容電壓控制方法進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合微源逆變器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和某110kV變電站的電能質(zhì)量情況，分別研究了TFS

3、SAPF在低壓微網(wǎng)和高壓配電網(wǎng)中的相關(guān)應(yīng)用問(wèn)題，主要研究?jī)?nèi)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(diào)制算法(SVPWM)，大幅度優(yōu)化了觸發(fā)脈沖生成方法的總體計(jì)算量和計(jì)算精度。
　　通過(guò)詳細(xì)分析TFSSAPF的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本文揭示了TFSSAPF輸出三相平衡正序（負(fù)序）電壓的條件，為TFSSAPF對(duì)諧波、無(wú)功及負(fù)序電流的補(bǔ)償?shù)於嘶A(chǔ)。提出了一種改進(jìn)的坐標(biāo)變換式，使基本輸出電壓空間矢量位于αβ

4、坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸上，只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的符號(hào)判斷和四則運(yùn)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(shí)間，在總體計(jì)算量和計(jì)算精度上得到了大幅度的優(yōu)化。通過(guò)控制幅值相同、方向相反的一對(duì)基本電壓矢量在單位開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的作用相同時(shí)間的方法合成零矢量，提出了一種五段式SVPWM算法，通過(guò)搭建仿真模型和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)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(kāi)關(guān)管的工作頻率。
　　本文分析了TFSSAPF采用空間矢量方法進(jìn)行電流控制時(shí)，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(chǎn)生最大的誤差電流矢量幅值衰減;采用離散方法描述了實(shí)現(xiàn)指令電流精確實(shí)時(shí)跟蹤的輸出電壓表達(dá)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(shí)進(jìn)行矢量合成，在誤差電流較小時(shí)選擇最優(yōu)矢量輸出，既滿足電流畸變率要求，又降低開(kāi)關(guān)管的工作頻率。仿真和實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了所提方法在參考電流跟蹤速度提高和功率器件開(kāi)關(guān)頻率降低上的優(yōu)越性。
　　(3)建立了TFSSAPF的基本數(shù)學(xué)模型，對(duì)TFSSAPF的直流側(cè)電容電壓控制目標(biāo)進(jìn)行了描述，提出了一種基于相電流調(diào)制的TFSSAPF直流側(cè)電容電壓控制方法，保證了直流側(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電容總電壓均值的恒定;建立了直流側(cè)電容平均電壓差值和TFSSAPF的C相輸出電壓的關(guān)系，提出在C相指令電流中疊加均壓控制量的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)直流側(cè)兩電容均壓。提出以相電流作為指令電流的SPWM電流調(diào)制算法，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的線電流調(diào)制方法應(yīng)用于TFSSAPF時(shí)的弊端。綜合相電流SPWM電流調(diào)制算法、直流側(cè)電容總電壓均值穩(wěn)定方法和直流側(cè)兩電容電壓平衡方法，提出一種TFSSA

8、PF直流側(cè)電容電壓控制方法，并對(duì)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了分析。通過(guò)搭建樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了所提方法的有效性。
　　(4)分析了在虛擬阻抗存在時(shí)，負(fù)載諧波電流對(duì)微網(wǎng)逆變器性能的影響，提出一種TFSSAPF的復(fù)合控制方法，用于控制TFSSAPF以調(diào)節(jié)微網(wǎng)母線電壓角頻率并抑制負(fù)載諧波，消除負(fù)載諧波對(duì)微源逆變器的影響，并充分利用其無(wú)功容量。
　　本文通過(guò)建立微網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的等效模型，對(duì)負(fù)載諧波引起的逆變器功率檢測(cè)偏差進(jìn)行了詳細(xì)分析，引入

9、虛擬諧波功率的概念對(duì)誤差進(jìn)行量化，采用小信號(hào)分析方法說(shuō)明了負(fù)載諧波電流對(duì)微網(wǎng)逆變器性能的影響并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。為了減小負(fù)載諧波對(duì)微網(wǎng)逆變器的影響，并利用TFSSAPF的無(wú)功容量，提出了一種TFSSAPF的復(fù)合控制算法，在TFSSAPF參考電流中加入了用于調(diào)節(jié)母線電壓角頻率的無(wú)功分量來(lái)對(duì)母線電壓頻率波動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，仿真分析說(shuō)明，該算法能降低母線角頻率誤差值，并補(bǔ)償負(fù)載諧波電流，提高了微網(wǎng)逆變器的穩(wěn)定性。
　　(5)分析了某110kV變

10、電站的電能質(zhì)量情況，針對(duì)其電能質(zhì)量問(wèn)題提出一種FSI-HAPF結(jié)構(gòu)，并對(duì)軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在35kV側(cè)進(jìn)行大容量無(wú)功補(bǔ)償和動(dòng)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(zhì)量情況，參照電能質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)明35kV母線Ⅰ段存在的諧波污染及無(wú)功不足問(wèn)題。提出了一套高壓配網(wǎng)混合補(bǔ)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(jià)更低，可靠性更高。闡述了FSI-HA