三相三線并聯(lián)型APF電流環(huán)數(shù)字化控制研究.pdf

1、隨著工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的發(fā)展，電力系統(tǒng)中非線性負(fù)載不斷增加,電網(wǎng)諧波污染日益嚴(yán)重，諧波成為影響電能質(zhì)量的主要因素之一。有源電力濾波技術(shù)作為治理諧波最有效的手段，成為研究與開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。其技術(shù)涉及電力電子、檢測(cè)技術(shù)、控制理論、信號(hào)處理及計(jì)算機(jī)技術(shù)等多學(xué)科的研究領(lǐng)域。目前有源電力濾波器的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：高精度諧波實(shí)時(shí)檢測(cè)和信號(hào)處理、輸出電流快速跟蹤控制、高功率因數(shù)變流技術(shù)以及主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和非線性參數(shù)設(shè)計(jì)等。
　　 本文主要對(duì)

2、三相三線并聯(lián)有源電力濾波器電流環(huán)數(shù)字控制進(jìn)行研究，數(shù)字控制以其諸多的優(yōu)點(diǎn)正逐步取代模擬控制。數(shù)字控制有更多的設(shè)計(jì)自由，可以方便的實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜、智能的數(shù)字算法來(lái)提高性能，與此同時(shí)傳統(tǒng)控制方法在數(shù)字控制中仍發(fā)揮著重大作用，先進(jìn)的數(shù)字控制算法與傳統(tǒng)控制相結(jié)合是目前實(shí)用主流。
　　 有源電力濾波器數(shù)字化過(guò)程將會(huì)引起系統(tǒng)性能下降，本文分析了采樣頻率、零階保持及滯后一拍控制對(duì)系統(tǒng)性能的影響。其中零階保持過(guò)程改變了原有的控制對(duì)象頻率特性，和采

3、樣周期有很大關(guān)系，從而改變了系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性。采樣、計(jì)算延時(shí)引起占空比受限，實(shí)際系統(tǒng)常采用滯后一拍控制，滯后一拍控制對(duì)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制穩(wěn)定性也會(huì)產(chǎn)生較大影響。
　　 本文研究分析了有源電力濾波器各次諧波相位延時(shí)特性，即控制延時(shí)特性與閉環(huán)頻率特性的關(guān)系以及對(duì)補(bǔ)償效果的影響程度。對(duì)于有源電力濾波器電流環(huán)數(shù)字PI 控制，由于數(shù)字化過(guò)程采樣周期、零階保持及滯后一拍的影響，針對(duì)APF 電流環(huán)數(shù)字單純PI 控制，若補(bǔ)償諧波次數(shù)20 次以?xún)?nèi),

4、其補(bǔ)償誤差小于10％，則控制無(wú)滯后一拍時(shí)采樣頻率為33.3kHz，控制有滯后一拍時(shí)采樣頻率為66.7kHz。采樣頻率10kHz 時(shí)單純數(shù)字PI控制對(duì)于20 次諧波，控制無(wú)滯后一拍補(bǔ)償誤差31.6％，控制有滯后一拍補(bǔ)償誤差100％。
　　 其中滯后一拍控制相當(dāng)于采樣頻率折半，而采樣頻率折半情況下零階保持對(duì)控制對(duì)象頻率特性影響又會(huì)加大，對(duì)于實(shí)際采樣頻率為10kHz，滯后一拍控制，穩(wěn)定前提下比例參數(shù)取值最大的有源電力濾波器系統(tǒng)，在輸出

5、跟蹤小于500Hz 時(shí)系統(tǒng)性能只受滯后一拍控制影響，大于500Hz 時(shí)系統(tǒng)性能同時(shí)受滯后一拍控制和零階保持的影響，但受滯后一拍控制的影響大些，在1000Hz處零階保持和滯后一拍控制對(duì)系統(tǒng)影響相當(dāng)。在此基礎(chǔ)上最后通過(guò)理論分析、仿真及實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，采樣頻率10kHz 時(shí)單純數(shù)字PI 控制不能保證APF 具有良好的補(bǔ)償性能，對(duì)APF的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。
　　 針對(duì)有源電力濾波器電流環(huán)單純數(shù)字PI 控制補(bǔ)償性能有限，提出了基

6、于數(shù)字PI控制及數(shù)字重復(fù)控制的復(fù)合控制系統(tǒng)，利用重復(fù)控制改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)跟蹤性能，利用數(shù)字PI 控制改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。并詳細(xì)分析和推導(dǎo)了復(fù)合控制中兩種控制器的設(shè)計(jì)方法，補(bǔ)償性能及穩(wěn)定性的判斷。并分析了系統(tǒng)參數(shù)大幅度變化時(shí)有源電力濾波器復(fù)合控制系統(tǒng)的魯棒性。對(duì)所提出的復(fù)合控制進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究，證明所提出的基于數(shù)字PI 控制和數(shù)字重復(fù)控制的有源電力濾波器復(fù)合控制策略可以兼顧系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。
　　 為了使有源電力濾波器有更

7、好的動(dòng)態(tài)性能和補(bǔ)償精度，并克服復(fù)合控制器中重復(fù)控制滯后一個(gè)基波周期的影響，提出了有源電力濾波器電流環(huán)無(wú)靜差控制策略，即在原單純數(shù)字PI 控制器基礎(chǔ)上加上諧波指令直流外環(huán)。此種方法即保證了系統(tǒng)穩(wěn)定前提下能夠做到完全無(wú)靜差控制，又保證了系統(tǒng)很好的動(dòng)態(tài)性能。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該控制策略的可行性，表明了有源電力濾波器電流環(huán)無(wú)靜差控制策略的有效性。
　　 對(duì)實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)存在的不平衡負(fù)載(包括線性負(fù)載和非線性負(fù)載)導(dǎo)致的電網(wǎng)電壓畸變和不平

8、衡，在瞬時(shí)無(wú)功功率理論基礎(chǔ)上提出了兩種基波負(fù)序補(bǔ)償電流的精確檢測(cè)算法及2/2 變換矩陣，物理意義明確，該算法能準(zhǔn)確地檢測(cè)出基波正序、基波負(fù)序及各次諧波電流,從而使有源電力濾波器能夠適應(yīng)多種補(bǔ)償場(chǎng)合，當(dāng)負(fù)序電流比較大時(shí),為了降低有源電力濾波器的補(bǔ)償容量,可以設(shè)定為只補(bǔ)償各次諧波，當(dāng)諧波電流在有源電力濾波器額定容量之內(nèi)時(shí),除補(bǔ)償所有諧波外，還可以根據(jù)需要對(duì)無(wú)功和基波負(fù)序進(jìn)行補(bǔ)償。而且基于此方法的三相諧波電流檢測(cè)電路,可以克服一般三相檢測(cè)法在