《基于饱和切换非线性控制的有源电力滤波器研发》

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该项目从2008年研究至今,对有源电力滤波器的切换控制方法进行了系统研究,取得了可观的研究成果,在项目研究期间,项目组先后发表学术论文16篇,申请发明专利6项。项目前期,在单相有源电力滤波器的非线性切换控制研究中,针对线性控制策略造成的有源电力滤波器补偿误差,利用非线性动力学的切换系统理论,提出了一种APF切换控制的新方法。通过与传统线性电压控制策略进行仿真比较,结果验证了该方法的合理性和有效性。在单相有源电力滤波器的非线性切换控制理论基础上,结合APF的混杂特性和饱和非线性对系统稳定的影响,利用切换系统的特点研究了三相APF的饱和控制问题,通过引入切换系统和状态饱和稳定性理论提出了APF建模和控制的新方法。在前述研究基础上,为了提高并联型有源电力滤波器(Shunt Active Power Filter, SAPF)的电流跟踪性能,提出一种基于空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)的并联型有源电力滤波器的电流跟踪控制算法。由于SAPF参考指令是电流值,而SVPWM参考指令是电压值,因此本研究根据电流电压内在关系将SVPWM控制算法与SAPF的参考指令电流相结合,通过改变SVPWM调制方式减少功率器件的开关次数,从而降低功率器件的开关损耗,提高控制性能。项目研究中期,在有源电力滤波器饱和切换控制以及空间矢量脉宽调制控制方法的基础上,研究了将切换和空间电压矢量控制算法相结合并应用于三相有源电力滤波器的方法。此外,考虑到饱和非线性对系统稳定的影响,该研究还将切换和空间电压矢量控制相结合的算法应用于考虑饱和限幅的三相有源电力滤波器的控制当中。在项目后期,先是针对基于李雅普诺夫的三相四开关APF切换控制方法进行了深入研究。该方法在复平面中进行控制,每个子系统确定一个误差电流变化率矢量。首先判定误差电流与每个误差电流变化率间的夹角关系,然后切换合适的子系统以满足稳定性理论。与三相四开关SVPWM调制算法相比,该算法省去了繁琐的调制过程,仿真和实验结果均验证了控制算法的有效性。接下来,为了提升有源电力滤波器功率器件的可靠性,项目组在三相四开关有源电力滤波器以及混合有源电力滤波器的基础上,提出了一种新型的有源电力滤波器拓扑结构,即三相四开关混合有源电力滤波器。并搭建了一台实验样机,仿真和实验均验证了所提拓扑的有效性。项目末期,项目组针对混合型有源滤波器的控制方法进行了更加深入的研究。基于backstepping的方法提出了一种应用于并联型混合有源电力滤波器(SHAPF)的控制方法,仿真和实验都验证了该算法有良好的稳态以及动态补偿效果。成果创新性:采用状态反馈的切换控制,实现直流侧电压和电流补偿的统一控制,省去了单独的电压控制环节,从而使系统简单,避免了控制系统参数的整定。加入饱和非线性环节,解决了APF不具备对输出补偿电流的过载抑制能力,同时引入的状态饱和稳定性设计,保证了系统的稳定性。提出一种可抑制电压畸变影响的谐波电流检测方法,即改进的单位功率因数UPF(unite power factor)谐波电流检测方法。此方法无需进行坐标变换,因此算法简单,并且当负载发生变化时,也有很好的动态响应性能。为减少电压畸变对系统的影响,将锁相环引入了谐波电流检测方法中,因此改进了UPF方法。研究了空间矢量脉冲宽度调制SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)方法。三相并联型有源电力滤波器(SAPF)的参考指令是电流值而SVPWM参考指令是电压值,因此提出了如何用SVPWM跟踪控制SAPF补偿电流参考值的方法,并且通过构造Lyapunov函数,分析了SVPWM控制的SAPF的稳定性。研究了基于LCL滤波器的三相APF的SVPWM控制方法,并且根据基于LCL滤波器的SAPF的拓扑结构,找到了SVPWM的参考电压和三相SAPF参考电流之间的关系。通过二者之间的关系式,将SVPWM控制算法应用于基于LCL滤波器的SAPF中。并且通过构造Lyapunov函数,依据Lyapunov相关定理,分析了SVPWM控制的基于LCL滤波器的SAPF的稳定性。APF的非线性系统通过开关的控制可分为多个线性的动态子系统,成果将切换控制与空间电压矢量控制方法结合起来,设计了一种简单易行的算法。只需将三相电源电压分为六个扇区,然后利用李雅普诺夫函数方法及全局渐进二次稳定理论,找出一个非常简单的切换律,大大简化了算法。该算法由于合理的运用零矢量,因此明显的降低了逆变器的开关损耗。在实际工程中,各个参数都有额定值的限制,因此均会受到饱和非线性的影响。基于实际工程中出现的问题,提出了一种新的考虑饱和限幅的三相APF的控制方法。根据Lyapunov相关定理、凸集理论、凸组合条件将切换控制和SVPWM控制方法相结合,为考虑饱和限幅的三相APF找到了一种新的、简单的稳定性判据。该算法由于合理的应用零矢量,因此明显的降低了逆变器的开关损耗。通过详细分析空间电压矢量图、误差电流矢量以及误差电流变化率矢量之间关系,把复平面引入到李雅普诺夫稳定性定理。在此基础上提出了一种应用于具有容错作用的三相四开关APF切换控制策略,并且设计了合理的直流侧电压保证了系统的稳定性。针对三相四开关有源滤波器直流侧电压较高的缺点,考虑到无源滤波器和有源滤波器两者的优点,对原有的三相四开关滤波器改进,提出了三相四开关混合滤波器。该型四开关APF直流侧电容只需承受很小的电压,改善了原来容错四开关滤波器的不足,同时该拓扑也可作为混合六开关滤波器的一种容错拓扑。成果独占性:目前对APF控制策略的研究通常都是先进行线性化的处理,忽略非线性部分,然后再统一建模得到APF的周期平均模型。如无差拍控制、单周控制等控制方法都是基于周期平均模型提出的。但是APF是一类非线性切换系统,所以上述控制方法无法精确的获得APF的运动规律,存在着参数依赖性严重、控制器实现复杂、有较长的时间延迟导致的补偿效果不理想等问题。同时,APF的非线性系统通过开关的控制可分为多个线性的动态子系统。因此,成果在研究中将SVPWM控制算法与切换控制算法进行了结合,同时申请了专利保护,技术难度较高,难以获取或复制。在实际工程中,各个参数都有额定值的限制,因此均会受到饱和非线性的影响。若超过系统的额定值,传统的处理方法是将设备切除或者设置设备以额定值运行。但是将设备切除成本较大,不经济。若设置设备以额定值运行可能会使原本稳定的系统变得不稳定,并且产生新的平衡点以及极限环等。基于实际工程中出现的问题,成果在研究中设计了考虑饱和限幅的三相APF的切换控制方法,同时申请了专利保护,技术难度较高,难以获取或复制。成果盈利性:该新型有源电力滤波器应用的被补偿的谐波阶次达到任意次,装置效率大于等于0.95,补偿效果大于总畸变的80%,不存在过载问题,当系统中谐波较大时仍可继续运行。系统阻抗与频率发生波动时,不会影响补偿效果,不会产生谐振现象,且对外电路的谐振具有阻尼作用,相比传统滤波装置,性能显著提高。成果持续性:项目先后针对单相有源电力滤波器的非线性切换控制方法到三相有源电力滤波器的饱和切换控制方法进行了深入研究。项目在单相有源电力滤波器的非线性切换控制研究中,针对线性控制策略造成的有源电力滤波器补偿误差,利用非线性动力学的切换系统理论,提出了一种APF切换控制的新方法,并进行了仿真实验,经过APF补偿后,电网电流已经近似补偿成标准的正弦波形,补偿电流几乎完全跟踪了指令电流。该初期研究阶段的实验结果已经达到了比较好的效果,为后续更高级别切换控制方法的研究及实验的进行奠定了坚实的理论和实践基础。项目组后期在切换控制研究基础上,已经着手研究三相四开关混合有源电力滤波器的控制方法,并取得了可观的成果。综上,项目具备较强的技术储备以及可持续创新能力及潜力。成果先进性:与国内外相关技术比较,应用切换控制方法的新型有源电力滤波器具备如下先进特点:1. 更高效率、更低损耗:(1)12 脉波变流技术,电流跟踪速度高、纹波低、损耗低;(2)DSP 与FPGA 协同控制,响应时间在80uS 以内;(3)谐波滤除率高,对目标谐波,有效滤除能力可达97%;(4)同时滤除多达20 种谐波,最高可滤除至64 次谐波;(5)精心设计的LCL 输出滤波器,保证效率更高,损耗更低。2. 更强适应能力:(1)先进的切换控制算法,不需现场整定参数,保证系统在各种复杂现场的快速性和稳定性;(2)先进的谐波电流检测算法,能够同时适用于三相三线APF 和三相四线APF,在电压畸变和三相电流不平衡的情况下仍能有效工作;(3)自动识别检测电网容性电流,可与电容补偿柜并联运行,不会产生谐振。3. 更多功能模式: (1)可设定的谐波分次补偿功能;(2)谐波无功综合补偿,具有“滤除谐波与无功”、“只滤谐波”、“只补无功”三种工作模式,满足各种配电系统补偿需求;(3)平衡补偿功能,可平衡各相之间的负载电流;(4)RS485 接口,标准MODBUS.RTU 通讯协议,计算机远程监控功能。4. 系统运行更加稳定可靠:(1)光纤驱动,安全、可靠、抗干扰能力强;(2)严格热设计,确保系统运行安全可靠;(3)FPGA 硬件逻辑保护,响应速度快,配合软件保护,实现多重保护功能;(4)输出容量满载后自动限流,无过载之忧;(5)故障自诊断功能;(6)历史事件纪录功能。5. 功率密度更高,安装维护更加简单:(1)变流器模块化设计,功率密度高、安装维护方便;(2)输出容量大,单机输出容量可达600A;(3)可以多机并联运行,满足各种补偿容量需求;(4)可选择的源电流或负载电流检测方式,便于现场安装。综上,该新型有源电力滤波器具备较强的市场推广及替代优势。

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