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LCL型有源电力滤波器的模型预测控制策略研究

时间:2018-11-18 16:00来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇电力工程论文,如果把我国的经济发展比作是“身体”,那么,电力工程建设无疑就是支撑身体灵活运动的“筋骨”。
本文是一篇电力工程论文,如果把我国的经济发展比作是“身体”,那么,电力工程建设无疑就是支撑身体灵活运动的“筋骨”。电力工程建设的不断推进就像是为筋骨提供了无限的能量,充沛的能量供应是身体各项机能有效运作的有力保障。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇电力工程论文,供大家参考。
 
1 绪论
 
1.1 研究背景与意义
随着工业技术和电力电子技术的迅速发展,电力电子装置已经广泛应用到电力系统各个方面,使得电能可以改变应用方式以适应不同的用电场合,满足人们对不同电能形式的需求,但也给电网带来各种各样的电能质量问题,其中谐波污染、无功功率损耗最为严重。此外,越来越多的精密敏感电子仪器在各个领域中使用,对电网中的谐波含量提出了严格要求。因此,治理谐波污染,改善电能质量具有重要的现实意义。目前,滤除谐波的方法有两种:主动型治理法和被动型治理法。主动型治理主要是对各种谐波源设备本身进行改造,目前常采用多脉波换流技术、脉冲宽度调制技术、功率因数校正技术等对谐波源谐装置进行改造,使其不产生谐波或降低其产生的谐波含量,且能达到较高的功率因数。被动型治理是在电网中安装一种谐波抑制装置,该装置产生的补偿电流与谐波源产生的谐波电流具有相同的幅值和相反的相位。常用的谐波抑制装置按照其结构分为无源调谐滤波器(PPF)、有源电力滤波器(APF)以及混合滤波器(HPF)。PPF 将滤波器 LC 并联于电网中,通过 LC 谐振为负载谐波电流提供一个低阻通路,来达到滤除谐波电流的目的。PPF 结构简单、安装方便、性能可靠、并且制造成本低,在电力系统中得到了广泛应用。但仍存在如下不足:(1)只能滤除特定频率的谐波;(2)系统参数对其滤波特性有较大的影响;(3)在一定条件下,LC 电路可能会与谐波阻抗产生谐振,引起谐波放大;(4)体积大、重量大。APF 是一种抑制谐波的新型电力电子装置,它能够动态补偿电网谐波和无功,是治理谐波污染改善电能质量的发展方向。相比于 PPF,APF 具有以下优点:(1)可控性高、动态响应速度快;(2)可连续可调补偿所有次数的谐波;(3)系统参数对滤波特性几乎无影响;(4)不会产生谐振,不存在谐波因谐振而被放大;(5)体积小,重量轻。混合电力滤波器(HPF)将 PPF 和 APF 结合使用,继承了二者各自的优点,常应用于高压大容量场合,具有良好的滤波效果。
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1.2 有源电力滤波器的发展和现状
 
1.2.1 有源电力滤波器的发展
1969年B.M.Bird和J.F.Marsh在论文中描述的谐波电流注入法被后人誉有源电力滤波器思想的萌芽【1】;1971 年,T.Machida 和 H.Sasaki 率先发表论文对有源电力滤波器的基本原理进行详细介绍和分析【2】;1976 年美国的 L.Gyugyi 和 E.C.StrycuLa 所研究的有源电力滤波器采用大功率晶体管换流器,确立了有源滤电力波器的控制方法和主电路拓扑【3】。上世纪 80年代后,有源电力滤波器因大功率全控型开关器件和 PWM 控制技术的出现而得到迅速发展和应用。欧美、日本等工业发达的国家对有源电力滤波器的理论研究起步较早,技术也相对较为成熟,研制的产品可以补偿的谐波次数越来越高,单机容量也不断提升。在实际工程中也已经得到了大规模的应用。施耐德、ABB、西门子等国际大公司也都研制出了性能良好的大功率有源电力滤波器产品,在实际工程中已经得到了大规模的应用。国内对有源电力滤波器的研究相对较晚,到 80 年代,才陆续发表了有源电力滤波器相关论文;到 90 年代,国内相关科研机构和高校才相继将有源电力滤波器作为重点课题展开相关的理论和实验研究;到了21 世纪,国内对 APF 的研究取得了突破性进展,第一台有源电力滤波器由哈尔滨工业大学与其他科研机构合作研发出来。2000 年后,西安交通大学、清华大学、浙江大学、等高校先后研制出了不同容量的实验样机,并将研制的 APF 成品投入到实际应用中。随着对电能质量的的要求越来越高,市场对 APF 的需求量也越来越大,APF 产品已经实现商业化,盛弘电气、西安爱科赛博、上海追日电器等国内厂商也推出了性能良好的 APF 装置。
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2 有源电力滤波器的数学模型与系统参数设计
 
2.1 有源电力滤波器基本工作原理
图 2-1 为三相三线并联型 APF 系统的原理框图,其中 Us为网侧电压,is为网侧电流,iL为负载电流,i*c为非线性负载发出的谐波电流。有源电力滤波器主要由谐波电流检测电路、电压源换流器、驱动电路构成。系统中的谐波电流和无功电流是通过谐波检测电路得到的,电压源换流器则根据谐波电流检测电路检测出来的谐波电流产生实际的补偿电流 ic。其基本工作原理:首先,通过谐波检测电路得到电网和负载的电压、电流的实时采样值,然后将采样信号发送到电压和电流信号调理电路,调理信号被发送到控制电路及其处理芯片,然后将谐波电流分离出来,从而得到补偿电流 ic的指令电流信号 i*c。根据指令信号使驱动电路产生相应的驱动脉冲信号,用该脉冲信号控制电压源换流器上功率开关管的通断,使其输出补偿电流 ic,消除电网谐波电流。
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2.2 基于 LCL 滤波的 APF 数学模型
图 2-2 为基于 LCL 滤波的三相并联型有源电力滤波器的主电路拓扑,三相电网电压分别用 Usa、Usb、Usc表示、交流侧滤波电容电压用 Uca、Ucb、Ucc表示、直流侧电容电压用 Udc表示、L1为换流器侧电感、L2为网侧电感,C 为滤波电容,Rd为无源阻尼。为了更深入地分析有源电力滤波器的工作原理和控制方法,分别在三相 abc 静止坐标系和αβ坐标系下建立了并联型有源电力滤波器的数学模型。有源电力滤波器系统,直流侧电容器起到支撑 APF 直流侧电压的作用,对 APF 输出电流的补偿性能至关重要。直流侧电容电压 Udc波动越小,越有利于有源电力滤波器对谐波的补偿效果。当有源电力滤波器正常工作时,在完整基波周期内,有源电力滤波器与电网之间不存在能量的交换。然而,在动态过程中,有源电力滤波器与电网之间存在瞬态能量交换,因此,有源电力滤波器直流侧必须要有相当容量的电容器来确保直流侧电压稳定。当有源电力滤波器输出相同有效值的谐波电流时,谐波次数越低,直流侧电压的波动越大。
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3 有源电力滤波器模型预测控制策略的改进............29
3.1 模型预测电流控制.........29
3.1.1 经典模型预测控制...........29
3.1.2 模型预测控制的改进......32
3.2 控制延迟补偿.......35
3.3 直流侧电压控制.............36
3.4 仿真结果和分析.............38
3.5 本章小结..............43
4 实验系统设计与结果分析.......45
4.1 硬件系统的总体结构设计........45
4.2 控制系统硬件电路.........45
4.2.1 采样电路的设计..............45
4.2.2 保护电路的设计..............47
4.3 控制系统的软件设计................48
4.3.1 控制系统主程序..............48
4.3.2 控制算法程序.......49
4.4 实验结果及分析.............50
4.5 本章小结..............52
5 总结与展望.........53
5.1 总结...........53
5.2 展望...........53
 
4 实验系统设计与结果分析
 
4.1 硬件系统的总体结构设计
图 4-1 为 APF 系统的整体结构框图,从系统整体结构框图中可以看出,电网负载为非线性负载,其在正常工作时会产生较大的谐波电流,使电网电流波形发生畸变,本文采用三相不控整流桥带电阻负载来模拟谐波源。主电路模块主要由电压源换流器、驱动电路以及保护电路构成,其作用是将控制信号转化为电压源换流器的所需的驱动信号,从而控制功率开关管工作,输出所需的补偿电流;负载电流、补偿电流以及直流侧电容电压经过信号采样与调理模块的信号采集、滤波、比例、隔离等措施后转换成达到控制模块要求范围内的信号;运算控制模块可以完成谐波电流检测计算和控制策略算法,并产生控制信号。电网侧的 LCL 滤波器可以滤除换流器输出补偿电流中的高频纹波,该高频纹波主要由于开关器件高速开关而产生的,使 APF 系统更有效的补偿谐波。
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总结
 
有源电力滤波器是一种抑制谐波的新型电力电子装置,它能够动态补偿电网谐波和无功,是最理想的低电压谐波抑制装置。本文以三相三线并联型有源电力滤波器作为研究对象,通过仿真和实验平台验证主电路参数设计和模型预测控制策略的正确性和有效性。主要工作和研究成果如下:
(1)详细分析了三相三线并联型有源电力滤波器的主电路拓扑和其基本工作原理,并建立了并联型有源电力滤波器在三相静止 abc 坐标系和两相静止αβ标系下的数学模型;对三相三线并联型有源电力滤波器的主电路参数进行了设计,主要设计了 APF 直流侧电压和电容参数和 LCL 滤波器各个元件的参数。
(2)深入研究了 LCL 滤波器各个参数对滤波器性能的影响以及各个参数之间的影响关系,并给出了适用于有源滤波器的 LCL 滤波器参数设计指标和方法;
(3)分析了经典模型预测控制策略的原理和具体实现步骤,对经典模型预测方法进行了改进,进一步提高了 APF 系统稳态补偿效果和动态响应速度;详细分析了系统存在固有延时的原因和带来的不良影响,针对系统存在的固有延时,将参考电流预测和模型预测两者结合起来对系统固有延时进行有效补偿,显著减小系统输出电流纹波,改善了高系统稳定性和电流跟踪能力;
(4)在 PSIM 中搭建有源电力滤波器的系统仿真模型,对 L 滤波器和 LCL 滤波器的滤波效果进行仿真验证和比较分析,与 L 滤波器相比,LCL 滤波器具有显著的优越性。
(5)基于有源电力滤波器实验平台对所采用的改进模型预测控制策略进行实验分析,实验结果表明该方法能够有效抑制电网谐波,并且具有较好的滤波效果和较快的动态响应速度。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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