文档介绍：华中科技大学博士学位论文
摘要
电能作为一种最广泛使用的能源,其应用和发展程度是一个和综合
国力的重要标志之一。电力电子等非线性设备的普及为电能应用提供了高效节能的控
制途径,但也给电网带来了不可忽视的谐波干扰。有源电力滤波器作为一种高效、安
全、稳定的谐波治理手段,成为电力电子技术领域的研究热点,将为提高公用电网的
电能质量发挥重要的作用。由于并联型有源电力滤波器安装维护方便,成为目前工业
化应用的主流,本文将以分频控制为基础对有源电力滤波器的关键技术问题进行研
究。
本文首先简要介绍了谐波的产生、危害及其主要的治理手段,概述了国际与国内
针对谐波问题所制定的相关标准,介绍了有源电力滤波器的分类、基本原理以及国内
外理论和工业化应用发展情况。
为提高有源电力滤波器的补偿精度、减小其动态响应时间和增强补偿的灵活性,
本文对多同步旋转坐标系下的比例积分无静差控制策略进行了改进,并提出了基于静
止坐标系下的比例谐振控制指定次谐波无静差分频控制策略,并从数学角度分析了不
同坐标系下两种控制器的等效关系,对比了两种控制方案之间异同。多同步旋转坐标
系下的比例积分指定次无静差分频控制将负载电流中某次谐波电流信号通过与该指
定次谐波电流角速度同步的旋转坐标变换转化成直流量,提取出此直流量进行比例积
分控制,理论上可以做到对指定次负载谐波电流无静差跟踪,同时比例积分控制是基
于载波周期时间调节的,因此动态性能好,在非线性负载变化强烈的场合具有优越的
鲁棒性。静止坐标系下的比例谐振指定次无静差控制策略通过比例谐振控制器在指定
次谐波电流频率处无穷大的增益实现对谐波电流的无静差分频补偿,载波周期的调节
同样保证了比例谐振控制器具有较好的动态性能。同时本文对比了两种指定次无静差
分频控制策略在不平衡负载谐波电流情况下的性能。
为充分利用现有的小容量有源电力滤波器技术优势实现其在低压大功率场合下
的应用,本文基于多同步旋转坐标系指定次无静差分频控制策略提出了有源电力滤波
器按容量极限比例分频段补偿的并联控制策略,即按照谐波含量的不同,优化并联系
统中不同容量有源电力滤波器的应用,容量较大的有源电力滤波器集中补偿含量高的
谐波,容量较小的有源电力滤波器补偿含量低的谐波,以达到大功率场合情况下无静
I
华中科技大学博士学位论文
差的控制。为保证并联系统中各台有源电力滤波器安全可靠的工作,本文分析了目前
常用的两种限流保护策略,指出了他们的不足之处并提出了改进方案。同时,为减小
并联系统向电网注入的开关频率谐波电流,本文在并联系统中采用了载波相移技术。
目前对有源电力滤波器的研究主要集中在系统电源电压平衡无畸变的情况下进
行的,而在实际现场中,不平衡畸变电源情况越来越多。在不平衡畸变电压情况下,
主要有以单位功率因数为补偿目标和以完美无谐波为补偿目标的两种指令提取技术,
本文首先对这两种指令提取方式进行了介绍,从理论上分析得出这种指令提取技术对
补偿后系统公共耦合点电压的影响,在此基础上,根据 IEEE-1459 提出了一种不平衡
畸变电源电压下基于 Lagrangian 非线性函数的最优化指令提取技术,首先利用递归傅
里叶变换求出各相基波和各主要频率谐波电压,然后基于 Lagrangian 非线性最优化函
数得出各相相应的电导常数,最后根据所求得的各频率谐波电压和电导常数得出所需
要的优化后的电流指令。本文所提出的最优化指令提取技术并没有彻底消除系统侧电
流的不平衡和畸变,但是可使得各相电流畸变率在满足标准要求的同时使三相不平衡
畸变系统的功率因数得到最大。
并联型有源电力滤波器在对常用的电压源型非线性负载进行补偿时会出现谐波
电流放大的现象,成为其工业化应用的一个很大限制。本文以典型的不控整流装置接
电容电阻负载作为电压源型非线性负载,在分析其负载输入阻抗特性的基础上,重点
研究了并联型有源电力滤波器对其进行补偿时的谐波电流放大效应,阐明了系统等效
阻抗、负载交流侧等效阻抗和负载本身的阻抗特性是引起谐波电流放大的根本原因,
提出了限制这种电流放大效应的可行方法,并简要给出了设计方案。
在上述研究分析的基础上,研制了两台三相三线并联型有源电力滤波装置。在装
置基础上,对上述提出的控制策略进行了大量的仿真和实验验证,对有源电力滤波器
的工业化应用具有一定的参考价值,起到了一定的促进作用。
关键词: 有源电力滤波器指定次无静差控制比例谐振分频
不平衡畸变电源最优化指令提取技术谐波电流放大效应
II
华中科技大学博士学位论文
Abstract
As the most widely used ene