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《哈尔滨工业大学》 2011年
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APF与TSC谐波无功综合补偿控制的研究

郭伟峰  
【摘要】:如何为用户提供安全可靠、优质经济的电能,是电力系统面临的主要问题。无功补偿和谐波抑制是实现这一目标的关键技术之一。有源电力滤波器(APF)是一种无功谐波动态补偿装置,将APF和传统的阻抗型补偿装置TSC或PPF相结合,构成无功谐波综合补偿系统,并对系统的稳定性、稳态及动态性能进行研究,以使综合系统具有良好的补偿特性及高性价比。这对实现无功谐波补偿技术在电力系统中获得更好的应用具有重要意义。 本文主要研究以APF为核心的无功谐波综合补偿控制方法,保证系统的稳定性和良好的鲁棒性,提高系统的稳态精度和动态性能。具体内容包括以下几个方面: 电力系统中的无功和谐波可以通过采用并联补偿的方法进行综合补偿。针对快速变化的无功和谐波负载,提出了一种晶闸管投切电容器(TSC)与APF无功谐波综合补偿系统。TSC用来对无功进行大容量有级补偿,APF实现无功的小容量快速连续双向补偿,并滤除负载产生的谐波电流。APF的引入使综合补偿系统相比原有无源式无功补偿装置具有更高的稳态精度和动态响应速度,同时在电网电压谐波含量不高的工况下,可以有效降低TSC中串联电抗的电抗率,从而降低TSC的经济成本,减小装置体积,是一种性能优良且高性价比的无功谐波补偿方案。对综合补偿系统提出了检测网侧电流的闭环控制策略和检测负载侧电流的开环控制策略,分析了不同控制策略下的稳定性和补偿性能。给出了APF容量及主电路参数的选取原则和计算方法。 为保证综合系统具有良好的补偿特性,对TSC和APF的控制方法进行了研究。提出了一种新型的TSC投切控制方法,保证了TSC投切的快速性,同时又避免了在负荷无功快速变化时,TSC的投切振荡问题。APF使用DSP处理器进行定时比较控制时,APF开关频率受DSP控制系统采样频率的限制,理论上最高开关频率只有采样频率的一半,同时定时比较控制无法实现在模拟滞环时的即时比较,导致了较低的开关频率和较大的跟踪误差,为此提出一种双采样定时比较控制,有效地提高了开关频率,并减小了跟踪误差。APF系统延时使APF补偿电流与指令电流之间存在一定的幅值和相位误差,对此提出一种自适应预测控制,以电网电流误差为判据,自适应调节预测算法的系数,最终实现电网电流误差最小。 为了获得更好的稳态性能,对电流无静差控制进行了研究。广义积分器可以实现无静差控制,但是电网频率漂移会使其对各次谐波处的积分增益大幅减小,从而增大系统的稳态误差,对此提出一种基于参数在线调整的新型广义积分器,通过锁相环实时跟踪电网频率,并对广义积分器的谐振频率参数进行更新,可以消除电网频率漂移对广义积分器的影响。TSC与APF系统中APF逆变器输出电抗Lc、TSC中的补偿电容C和电网阻抗LS构成了一个LCL滤波器;此外,单独APF系统中为了抑制APF开关频率电流谐波,需要使用输出滤波器,传统的主要有L、LC滤波器。LCL滤波器相比前者以较小的总电感量即可实现较理想的谐波抑制效果,成本优势明显。为了抑制系统中LCL滤波器谐振,需要加入无源或有源阻尼。电网阻抗在较大范围内变化,会使阻尼作用减弱甚至引起系统不稳定,为此提出基于滑模控制的新型有源阻尼方法,可以减弱电网阻抗摄动的影响。 混合有源电力滤波器适合应用在中、高压大容量的工作环境下,补偿无功需求波动不大的非线性负荷。在大容量场合下,有源电力滤波器的谐波抑制性能及产生的电磁干扰受到主电路功率半导体器件开关频率的制约。提出一种适用于中高压混合型并联有源电力滤波器的新型滑模控制方法。该方法对电网电流和APF直流母线中点电位进行解耦跟踪控制,并将对状态变量的跟踪控制和脉宽调制PWM统一起来,在相同的谐波抑制精度下,可以实现对开关频率的优化,将其约束在较低的确定频带内。
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