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《湖南大学》 2009年
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大功率注入式有源电力滤波器的理论研究及工程应用

夏向阳  
【摘要】:世界范围内电力市场改革的目标在于提高电力生产与运行的效率,提供更加完善的电力系统辅助服务,用以提高电力系统的安全与稳定,加强电力系统的可靠性,并保证较高的电能质量。但随着大量新型电力电子设备投入电网中实用,一方面给电能的变换和应用带来了方便,另一方面又给电力系统带来了较严重的电能质量问题,如谐波污染、无功问题、电压波动及不平衡等。无源滤波器(Passive Filter,简称PF)作为传统的谐波治理手段,由于存在只能滤除特定次谐波和可能与电网发生串并联谐振等缺点,将逐步被新型装置所取代。有源电力滤波器(Active Power Filter,简称APF)被公认为是治理电网谐波及无功污染、改善电能质量最有效的手段,现已成为电力电子技术应用中一个比较新的研究热点。本文针对最基础、最实用并且最利于产业化的并联型有源电力滤波器进行了较为系统和深入的理论与应用研究,为其在厂矿企业的实用化奠定了较好的基础。 本文首先根据某厂矿企业的中高压配电网治理谐波的实际情况,综合考虑谐波治理以及无功功率补偿等要求,提出了一种新型大功率单独注入式有源电力滤波器( High-capacity Active Power Filter with Single Injection Circuit,简称HAPFSIC),其注入支路给谐波提供一条低阻抗的通道,阻隔电网电压并能补偿一定的无功,而流过注入支路的基波电流都将流入谐振于基波频率的串联LC网络中,使HAPFSIC的逆变器容量较小兼具一定容量的无功静补能力。在根据HAPFSIC的结构特点,建立了控制系统方程后,依次对其拓扑结构、补偿特性等进行了深入研究和仿真分析,得出该装置有源部分承受的电网基波电压不大,也没有基波电流流入,逆变器容量小,初期投资较小的结论。 准确、实时地检测出电网中瞬态变化的畸变电流,为有源电力滤波器控制系统进行精确补偿提供参考信号,是决定有源电力滤波器补偿性能优劣的关键,本文考虑了实际运行过程中出现的电网电压频率缓慢变化和基波电流发生突变的情况,在兼顾满足有源电力滤波器谐波检测的实时性和准确性要求的前提下,提出了一种基于扩展普罗尼谱估计的自适应频率跟踪电流分频检测算法。这种方法是用具有幅值、相位和频率的N个指数组合来逼近一个等间隔长度为L的采样数据序列,采用自适应调整算法中LMS算法在线优化扩展普罗尼谱估计法中电导矩阵的频率,该算法仅需求解幅值,计算量很小,在一定程度上实现了在小于一个基波周期的时间内跟踪负载的变化。 选择不同的有源滤波器控制方法将直接影响系统的响应速度和谐波治理效果,而HAPFSIC是电力电子开关器件的变流器,是一个天然的变结构系统,采用滑模变结构控制具有非常明显的优势。但传统滑模变结构控制中控制器的结构只在切换曲面两侧变化,不能够无静差地跟踪参考输入信号,因此根据本系统中大多数负载(如整流器、电机、计算机等电气设备)的电流变化缓慢(相对于电网基波周期),并呈现出周期性的特点,本文提出了一种基于重复预测的改进滑模变结构控制算法,它结合滑模变结构控制算法响应速度快和重复控制算法无稳态误差的优点,兼顾了动态性能和控制精度的统一,不会使得电网电流出现明显的高频开关毛刺,非常适合于HAPFSIC的控制,完全能够满足厂矿企业配电网谐波治理应用的要求。 最后本文在理论分析和实践经验的基础上,根据江西某厂有源电力滤波器应用的实例,以系统能量成本和滤波装置投资成本最小化为目的,提出了一套包括HAPFSIC的结构和参数设计方法等内容的谐波抑制方案,可为并联型有源电力滤波器的推广应用提供有益的参考和借鉴。该应用方案对HAPFSIC中主电路各组成部分的参数优化设计、装置的实际工程应用等方面进行了详细论述,并结合计算机仿真实验,证明了HAPFSIC在现场运行的可行性和有效性,并在实地进行了投运,取得了良好的应用效果。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TN713.8

【引证文献】
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【参考文献】
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国硕士学位论文全文数据库 前8条
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7 周俭节;基于DSP的电能质量在线监测装置的设计与实现[D];合肥工业大学;2010年
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