基于LCL滤波器的有源电力滤波器谐振阻尼技术研究

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电网谐波过大会严重影响电网供电质量。有源电力滤波器(APF)作为一种有效的滤除谐波的电力电子设备,被逐渐运用到电网治理谐波污染中。早期的APF通过单电感并网,但是滤波效果不尽如人意。随着LCL滤波器的深入研究,并网滤波器从L型向LCL型发展。  LCL滤波器为三阶无阻尼系统,其幅频曲线在谐振频率处有一个很大的谐振峰。如果不能有效地阻尼LCL滤波器的谐振极点,可能会造成电流波形的稳态动态指标不能达到要求,甚至造成控制系统不稳定。因此抑制LCL滤波器的谐振峰很有必要,目前抑制谐振峰通常采用谐振阻尼的方法。  本文主要针对单相并联型的AFP进行研究。当前,基于LCL型滤波器的控制系统的主要阻尼方式大致可以分为无源阻尼和有源阻尼这两种。无源阻尼主要通过在LCL型滤波器的电容支路上串联电阻器实现。有源阻尼可以分为虚拟电阻、单状态反馈、全状态反馈等方法。通过控制算法实现的有源阻尼因为不会给系统增加有功损耗,因此成为了LCL型电流控制变换器稳定性研究的热点。  单状态反馈方法是将LCL滤波器中的某一状态量(如电感、电容的电压电流)进行采样,并在控制算法加入这些状态量来进行控制从而实现阻尼的效果。滤波电容电流比例反馈是当前采用最多的状态变量反馈有源阻尼技术。本文在离散域下,考虑一拍滞后和零阶保持效应,采用广义根轨迹法比较了电容上的电流、电容上的电压以及输出并网电流分别采用比例、微分、积分反馈方法的阻尼效果,得出在不同谐振频率与采样频率的比值下,不同反馈方式的阻尼效果优劣。  本文通过分析得出采用输出电流反馈方法在一定范围的谐振频率与采样频率的比值下,阻尼效果不尽如人意。但输出电流反馈法可以减少传感器的数量,减少成本,因此本文还重点分析了输出电流比例和微分相结合的反馈方法,该方法在某些谐振频率与采样频率比值下,比仅仅用比例或微分反馈方法的阻尼效果要好。  全状态反馈法通过采集系统中足够多的状态量进行反馈从而达到抑制谐振的效果。与单状态反馈相比,全状态反馈因为状态量足够多,因此可以对控制对象进行极点配置,达到设计者想要的设计效果。但全状态反馈采样需要多个传感器,因此通常在算法中加入一个状态观测器来减少硬件成本。本文采用带观测器的全状态反馈的方法进行谐振阻尼,全状态反馈使用线性二次型权重矩阵配置方法,观测器的设计采用Kalman滤波器。
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