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三相四开关并联型有源电力滤波器的理论与应用研究

刘宏超  
【摘要】: 随着电力电子技术的飞速发展,各种大功率开关器件得到了广泛应用。它们一方面给电能的变换应用带来了方便,另一方面又给电力系统带来了繁重的无功控制和谐波治理问题。有源电力滤波器(active power filter,APF)凭借其特有的优势,对电网无功控制和谐波治理等的作用已经得到公认,对APF的研究也已成为电力电子应用技术中的一个重大课题。但目前APF在国内的应用还远没达到成熟阶段,很多问题有待于进一步研究和完善,比如如何得到一个更加经济的APF解决方案以适应中低压电网,如何在非理想工况下保证APF的有效运行,如何更快地实现APF的产品化,如何处理APF在应用中所面对的一些工程性质问题等。 基于以上背景,本文首先对APF的典型拓扑结构进行了详细的分析,在此基础上提出应该按照细分市场的应用需求对APF进行更加有针对性的分类,并从产品化与经济性的角度考虑,提出了采用低成本的三相四开关并联型APF以适应低压中小容量谐波无功治理需求的解决方案。文章分别对三相四开关并联型APF的电流检测、输出控制、产品实现及工程应用等问题进行了深入的研究,相关研究成果证明了三相四开关并联型APF功能与性能的有效性。同时通过对三相四开关并联型APF的研究,给APF的经济性研究与工程化应用提供了一种新的思路与探索途径,对APF的发展有着重要的理论与实践指导作用。 本文对三相四开关并联型APF的指令电流确定方法进行了研究,提出了基于直流母线电压信息的指令电流确定方法。采用直接将期望得到的电网正序基波电流作为三相四开关并联型APF指令电流信号的控制方法。通过引入模糊PI控制器,进一步提高了检测算法的响应速度和自适应能力。引入了正序基波电流幅值校正环节和正序基波电压相角检测器,以保证在电网电压不平衡和电网出现短时故障等情况下,三相四开关并联型APF仍能安全有效的工作。提出了一种基于比例控制算法的直流侧电压偏置补偿器,以保证直流侧中点电压的平衡。仿真与实验结果证明了该指令电流确定方法的可行性与有效性。 文中接着对APF基于空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术的输出电流调制算法进行了研究。首先基于三相六开关并联型APF,阐述了SVPWM电流调制算法的基本原理。然后将其扩展到三相四开关系统,提出了针对三相四开关APF的SVPWM电流调制算法。研究发现基于三相六开关变流器的SVPWM调制算法不能简单套用到三相四开关系统中,本文通过对等效零矢量的正确获取,得到适用于三相四开关系统的SVPWM调制算法,相关的仿真与实验结果均证明了该算法的可行性和有效性。 探讨了三相四开关并联型APF的产品设计与实现方法。给出了三相四开关并联型APF的系统构成方式,对功率开关器件的选型、缓冲电路的参数设计、直流侧储能电容的设计、输出滤波电抗器的设计、控制系统硬件设计与软件设计等关键技术进行了深入的研究,给出了关键参数的设计依据与关键器件的选型办法。 对三相四开关并联型APF的功能与性能进行了有效的实验验证。首先分析了APF实验平台的搭建方法与对应的关键设备。然后分别进行了直流母线电压稳定实验、稳态与动态补偿实验、控制算法对补偿效果的影响实验等,通过对实验数据的分析,验证了三相四开关并联型APF产品在不同参数和工况下的良好运行效果。 本文最后对三相四开关并联型APF产品的工程应用案例进行了详细的介绍与分析。通过对现场公共连接点处最大谐波电流允许注入值的分析,证明了其谐波治理的必要性。APF投运后的现场电压电流谐波畸变率有了显著降低,工程应用结果证明了该经济型的三相四开关并联型APF设计的可行性和有效性。


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