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LCTL型有源电力滤波器的电网同步与控制策略研究

李林  
【摘要】:随着我国工业现代化的不断进步,现代电力系统获得了长足的发展,人们对电力系统各个环节的电能质量要求也在不断提高。在诸多电能质量问题中,由输配电过程和用电终端的大量非线性负载引起的谐波污染影响电网安全稳定运行,给正常生产生活带来极大危害。因此,改善电能质量、抑制电网谐波污染,已成为电力行业必须重视且亟待解决的重要课题之一。有源电力滤波器(Active Power Filter,APF)是目前重要的一种电能质量综合治理手段,其具有动态响应速度快、稳态补偿精度高、补偿方式灵活等优点。本文围绕LCTL型并联有源电力滤波器的若干关键技术问题进行了深入探讨和研究。本文基于分析力学原理,通过研究电力电子系统和力学系统的类比关系,对基于Lagrange方程的APF系统分析力学建模方法进行分析总结;在此基础上,对APF系统的能控性和能观性、欠驱动特性、无源性和耗散性等内在特性进行了深入的揭示,为非线性控制策略在APF上的应用及控制器设计打下理论基础。在以上理论分析的基础上,针对APF系统的“强耦合、非线性、欠驱动”特性,分别从电流和功率的角度对APF系统进行部分反馈线性化控制设计,实现了APF有功电流和无功电流的解耦控制,结合空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术,实现了电网谐波电流的精确补偿;同时,在电流内环控制中引入具有高稳态精度的重复控制方法,提出一种对电网频率波动具有较强适应性的电流前馈复合重复控制方法,有效解决了“重复控制内模易受电网频率波动影响的问题”。传统的PI控制环节不利于保证受控对象的动态性能和稳定性,针对此问题,将自抗扰控制(ADRC)引入电压环控制,给出了APF直流侧电压自抗扰控制器的整体设计方法,使得直流侧电压抗网侧及负载侧扰动能力、系统响应速度和控制精度都得到有效提高。作为电网谐波治理装置,APF对并网开关频率谐波滤波器的要求比一般电力设备更为严格,以避免电网的二次谐波污染。因此,在对传统LCL滤波器及其改进拓扑的优缺点进行分析总结的基础上,本文提出一种LCTL滤波器及系统参数设计方法。与LCL和LLCL滤波器相比,由于陷波支路的存在,LCTL滤波器可以有效滤除开关频率谐波;在高频段,LCTL滤波器可以保持较高衰减率;同时,陷波支路的引入也降低了系统成本。针对以往无源阻尼参数选取范围大、选取依据模糊的问题,给出了LCTL滤波器无源阻尼参数的精确选取方法和依据,以及无源阻尼LCTL滤波器的参数设计方法和步骤。本文给出了一个完整的应用于APF的LCTL型开关频率滤波器设计方案。为提高APF系统谐波检测速度和非线性策略的控制效果,对电网频率、相位等信息的准确快速提取是必要的,高效稳定的电网电压同步方法是三相变流器高质量运行的重要因素。本文针对“三相不平衡、谐波畸变、直流扰动、电压骤降和频率突变”等复杂电网工况下的“电网电压同步检测”,提出了一种“基于复数解耦和自适应滤波器的电网电压同步检测方法”。其中,复数解耦可以快速分离电网电压正序和负序分量,并对电网高频谐波有一定的抑制作用,自适应滤波器(AF)有效的实现了电网正负序分量的二次分离,同时对直流分量有着很好的衰减作用。利用AF设计锁频环节,与复数滤波器形成频率反馈闭环,实现了系统的“频率自适应控制”,有效减小了传统电网同步方法存在的频率误差累积问题。本文针对APF系统在理论分析和工程应用中面临的“高精度非线性控制策略的应用、直流侧电压抗扰动能力的提高、开关频率谐波滤波器的设计、高效稳定的电网电压同步策略”等关键技术问题,基于欠驱动系统的建模与非线性控制理论,给出了一类APF系统的理论分析和具体的解决方案,其对于APF谐波补偿性能的提高和实际工业应用具有一定的参考价值。


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