高性能混合并联型APF若干关键问题研究

【摘要】：电能质量的改善与提高是电气工程学科研究的热点之一,具有重大的工程实际应用意义。电力电子技术的广泛应用一方面为工业设备提供了高速、高效和节能的控制手段,然而大量使用电力电子设备不可避免带来电力系统的电能质量问题,造成不必要的经济损失。近几十年来电力电子和计算机等技术日臻成熟,使得有源电力滤波器对于电能质量的调整和控制将是未来最重要的手段之一。本文着重研究并联混合型有源电力滤波器的谐波电流检测及预测方法、给定电流跟踪控制及有源电力滤波器的低损耗技术,上述研究将为推动并联混合型有源电力滤波器的实用化奠定基础。为了提高有源电力滤波器谐波检测环节的动态响应性能和精度,提出了一种基于可变遗忘因子递归最小二乘法(RLS)的谐波电流检测算法。该算法通过设定负载谐波电流动态过程发生的判别条件判断动态过程的发生,并动态地给出遗忘因子的取值,从而提高算法收敛速度。算法不但克服了的p-q和ip-iq法中低通滤波环节对动态响应特性的不利影响,而且化解了传统的RLS谐波电流检测算法中稳态与动态过程对遗忘因子不同的要求所产生的矛盾。通过对数字化的有源电力滤波器系统各个组成环节的延时对谐波补偿的效果的影响进行分析,得出进行谐波预测的必要性。针对传统的LMS谐波电流预测算法步长为一固定常数会导致难以同时兼顾收敛速度和稳态误差要求的矛盾,提出了一种变步长LMS谐波电流预测算法,使步长随着预测误差的大小进行变化,同时还考虑了系统内噪声干扰带来的误差跳变,还考虑到过去误差对现在的影响强弱不同,按照越旧误差对当前影响越弱的原则,通过记忆因子计算误差的功率加权并以之作为步长调节的主控因子,实现步长和预测模型的权值更新,同时引入随动因子来抑制算法对干扰信号敏感所造成的稳态失调。本文所提的一种改进的无差拍谐波电流跟踪控制需要提前2步预测谐波参考电流,以往的预测方法通常是重复预测或外推多项式法预测,采用重复预测时,当负载突变时,指令数据会有很大偏差,要经过较长的时间才能达到新的平衡,因此动态特性较差。采用外推多项式法预测谐波指令电流的无差拍电流跟踪控制,预测的准确性取决于多项式阶次,阶次越高预测的越准确,所需计算量也大,因此如何在这对矛盾中选取适当的阶次比较困难。本文提出了一种将两种预测方法结合使用的混合预测方法。负载稳态时,采用重复预测,通过某种设定的条件判断出负载发生动态变化,参考电流预测算法切换到自适应线性预测法,从而充分发挥两者的优点。针对传统的无差拍电流跟踪控制受时延影响实际上是差一拍控制,提出了一种改进的无差拍控制。该方法提前两个采样周期预测出有源电力滤波器指令电流,提前一个采样周期预测出逆变器输出电流,从而实现“真正意义上”的无差拍控制。其中,指令电流的预测方法采用前面所述的混合预测策略。针对一种具有串联谐振支路混合型APF,首先建立了包括无源和有源部分统一的数学模型,对系统模型进行降阶后,构造了系统的一个Lyapunov函数,通过选取适当的控制律,使得其导函数负定,从而保证系统对谐波参考电流的稳定跟踪。从鲁棒性和跟踪性能的角度出发,推导并给出了控制增益的选取范围和优化目标。外层直流侧电压控制环采用了自抗扰比例积分(ADR-PI)控制,增强了抵抗负载扰动的能力。在分析了有源电力滤波器损耗的基础上,研究了分频交错补偿策略和DPWM调制策略两种低损耗策略。谐波电流分频交错补偿策略中,提出了一种包括低频逆变单元和高频逆变单元的主电路拓扑结构,低频逆变单元采用较低的开关频率,负载补偿低次谐波,无功电流和维持直流侧电压,高频负载补偿采用较高的开关频率,负载补偿高次谐波,同时研究了一种能够将上述分量分开给定的基于滑动DFT的谐波电流分频率给定算法。针对APF应用中输出电流的特点提出了一种改进的DPWM调制策略,仿真结果表明所提算法的开关损耗要优于滞环调制和SVPWM调制。为验证上述相关的算法与策略,进行了 APF实验平台的设计与搭建。首先完成了主电路的设计,包括功率器件及其驱动电路的选取与设计、电容电感的分析与优化设计;其次,完成了电流、电压采样电路的设计和PLL模块的设计。最后,编写了控制系统算法的流程图并用C语言进行了编程,并进行软硬件联调。基于实验平台开展了谐波检测及预测方法及谐波电流跟踪控制策略的相关实验研究。