三相三线制并联型有源电力滤波器容错运行研究

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随着科技发展,越来越多的电力电子变换器以及非线性负载被接入电网,导致电网谐波问题严重。三相有源电力滤波器(Active Power Filter,APF)作为一种新型电力电子装置,因其优良的性能在电网谐波补偿方面应用广泛。传统的三相APF控制系统是在三相电网电压为正序的条件下设计的,若三相电压是负序或者是电网出现缺相故障,APF将无法良好地进行谐波补偿。本文的研究目的是利用有源电力滤波器检测网侧电压的相序、是否缺相,并研究APF相序自适应的控制策略和缺相下的控制策略,使APF在不同电网故障下能够合理地进行谐波补偿工作,补偿后的网侧电压电流满足电能质量标准。本文对网侧电压相序的检测以及相序自适应控制策略和缺相情况下控制策略的研究具有重要的价值。本文首先介绍了谐波的产生、危害以及国内外相关标准;介绍谐波治理方法,分析其利弊;对有源电力滤波器的分类和它的工作原理进行了简要的介绍。对三相三线制并联型有源电力滤波器进行基本分析,介绍了其数学模型和解耦方法,并列举了多同步旋转坐标变换方法和递归离散傅里叶变换算法来实现负载谐波电流的提取;接着研究了比例积分加重复控制的复合控制方法来完成对谐波指令电流的跟踪;并给出了有源电力滤波器补偿谐波的总控制系统。为使APF能够自适应相序,需要准确检测出相序再做后续控制。本文分析了网侧相序对APF的影响,然后推导出正序和负序的三相电压通过同步旋转坐标系后的d轴分量,提出利用同步旋转坐标变换和滑窗平均滤波器由软件实现的相序检测方法,并用仿真验证了其有效性,该方法对于缺相的检测同样适用;基于相序检测的结果设计了用DSP实现的三相APF的相序自适应控制策略,使无论电网电压为正序还是负序,APF采用该控制策略补偿谐波后的网侧电流和PCC电压均满足电能质量标准。对于网侧电源缺相时的故障容错运行,本文以C相缺相为例,研究了网侧电源一相缺相时系统的实际数学模型和负载电流特性,此时负载侧电流谐波含有零序分量,APF其实是一个单相全桥逆变器,令APF工作在单相模式,采用RDFT算法、PI+RC控制和单相空间矢量调制设计了缺相时APF的控制系统。最后用Matlab/Simulink仿真模型和一台三相三线制并联型有源电力滤波器实验验证本文所提出的相关分析及控制策略的正确性。验证了相序自适应控制能够准确检测到三相电网相序并且使APF自适应当前相序正常地补偿谐波;证明APF在单相缺相的条件下也可尽力地补偿谐波使其达到电能质量标准。希望本文的研究工作能拓宽三相三线制有源电力滤波器的工程应用领域,促进有源电力滤波器的推广。
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