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多电平有源电力滤波器拓扑结构及控制方法研究

曾繁鹏  
【摘要】: 将多电平技术应用到有源电力滤波器中,利用多电平逆变器输出电平数量多的优点,提高有源电力滤波器输出电流对参考电流的跟踪能力和跟踪精度,可以明显改善有源电力滤波器的补偿性能。但是传统多电平逆变器复杂的电路结构和较多的电力半导体器件,给控制系统设计带来困难。基于这一原因,本文提出一种简单逆变器拓扑结构,将其应用于有源电力滤波器中,并对其控制方法进行了深入研究。 传统的多电平逆变器主要是针对高压、大容量的应用场合,所设计的电路结构比较复杂,使用的功率器件较多。本文针对有源电力滤波器的应用场合,在不考虑高压、大容量的条件下,提出一种简单的多电平逆变器拓扑结构。该多电平逆变器具有电路结构简单,使用的功率开关较少,无需钳位二极管和钳位电容的优点。新型的五电平逆变器只需要六个单向功率开关和两个分裂电容,而新型七电平逆变器需要八个单向功率开关和三个分裂电容。新型多电平逆变器是在传统的H桥型逆变器的基础上增加辅助电路得到的,这两部分电路互不影响,其控制策略可以分开设计。该多电平逆变器还具有电路拓展容易的优点,在传统H桥的基础上,可以很容易的将其拓展为五电平、七电平、九电平等。 为了分析多电平有源电力滤波器的工作原理及工作性能,基于所提出的新型五电平逆变器建立有源电力滤波器系统,并给出简单的控制方案。利用五电平型逆变器输出的五个不同电平,控制输出补偿电流准确跟踪参考值,提高有源电力滤波器的补偿性能。电流控制采用的是滞环电流方法,同时为了减少开关的功率损耗,传统H桥的两个功率开关工作于系统电压频率。利用另外的四个功率开关控制输出电流准确跟踪参考值。直流侧的电压控制采用的是传统的PI调节器,并由此得到补偿电流的参考值。文中详细的给出了电路结构和工作过程,通过计算机仿真和实验结果验证电路结构和控制方法的有效性。为改进电流控制方法,本文在传统无差拍控制方法的基础上,提出了一种改进的无差拍控制技术。改进无差拍控制技术是通过有源电力滤波器输出补偿电流一个开关周期内的平均值跟踪参考值,经过简单计算得到下一个开关周期的开关占空比。该方法具有计算简单、延时小、输出电流纹波小、对参考电流突变有较好的跟踪效果等优点。该方法不仅可以应用于传统的H桥逆变器,也可方便的应用于多电平逆变器,为电压型逆变器的电流跟踪控制提供了一条较好的思路。文中给出了详细的理论分析及计算过程,给出了提高输出电流跟踪参考电流能力的方法,通过计算机仿真比较传统无差拍和改进无差拍的补偿效果,由此证明了改进无差拍控制方法要好于传统的无差拍控制方法。 控制系统是提高有源电力滤波器补偿性能的关键,本文针对新型的多电平有源电力滤波器给出了控制系统设计过程。新型多电平有源电力滤波器的控制系统可以分为输出电流控制和直流电压控制两部分。输出电流控制策略是基于改进无差拍控制,通过输出电压参考值选择不同的电压变换组合来合成所需的输出电压,并利用输出电压所处区域,经过简单计算得到各个工作模式的运行时间,由此得到各个功率开关的开关信号。为了平衡直流电压,控制系统采用传统的PI调节器控制交流侧注入直流侧的有功功率,同时利用不同的开关模式组合平衡直流电容电压。在保证输出电流准确跟踪参考值的同时,平衡直流电容的充、放电时间。为验证控制算法的有效性,文中基于新型多电平逆变器建立仿真和实验模型,并给出仿真和实验结果,为进一步的理论研究和实践应用奠定了基础。


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