三相四线并联型有源电力滤波器指定谐波控制技术
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摘要
一方面电力电子设备的大量使用和非线性负载的不断增加致使公用电网的谐波污染十分严重,极大的恶化了公用电网电能质量;另一方面这些电力电子设备和各种负载正常、稳定、高效的运行则要求公用电网提供优质的电能质量。为此,对公用电网进行谐波抑制以及无功补偿,提高公用电网的供电质量的各方面研究越来越受到关注。有源电力滤波器是一种高效、稳定、灵活的优化电能质量的重要而且先进的手段,它的应用在提高公用电网质量上将占据重要地位。
本文首先对公用电网电能质量相关方面进行了简单的介绍,引出本文的研究方向有源电力滤波器;然后给出了有源电力滤波器的系统构成以及基本工作原理,具体地介绍了有源电力滤波器发展历史,各种分类以及发展趋势,详细地介绍了三相四线有源电力滤波器的研究背景和关键技术。
三相四线并联型有源电力滤波器的关键技术之一就是指令电流获取。本文对有源电力滤波器电流检测方法进行了简单的综述,重点分析了目前应用于三相四线制系统下基于零线电流分离的ip- iq检测方法、基于三维坐标变换的ip- iq- ir检测方法以及基于同步坐标变换的id- iq- i0检测方法等三种电流检测方法。从提高有源电力滤波器灵活性角度,详细的研究了广义同步坐标旋转变换算法和基于滑窗的离散傅立叶变换的两种指定次数谐波滤除算法。最后,对用于电容中点型主电路三相四线制有源电力滤波器的三维空间矢量的工程实现进行了详细的分析。
有源电力滤波器的数学模型是分析和研究有源电力滤波器的基础,本文对电容中点型三相四线并联型有源电力滤波器建立精确的数学模型,在此基础上,考虑到全数字控制,还对数学模型进行了离散化处理,为有源电力滤波技术有效的控制提供了坚实的理论依据。
在获得精确的数学模型条件下,综合各种因素初步构建了有源电力滤波装置的系统控制策略,对外环直流电压控制和内环电流控制,在不同的控制策略下,进行了详细的分析和研究,建立了仿真模型,验证了整个系统的控制策略的有效性。
最后在以上研究的基础上,本文研制了一台三相四线并联型有源电力滤波器装置。在此装置基础上本文对指令电流获取,外环直流电压控制策略和内环电流跟踪控制等等进行了大量的实验研究,实验结果表明本文提出的电流检测方法、控制策略等完全适用于并联型有源电力滤波器,确保了有源电力滤波器的补偿性能。
On the one hand, the quality of power grid is seriously contaminated because of the use of mass power electronic facilities and increasing nonlinear loads. On the other hand, these power electronic facilities and various loads normal, stable, efficient operation requires the power grid to provide high quality power. Therefore, the researches on the harmonics suppression and the reactive power compensation for the power grid, improvement of public power grid quality are growing concerned. Active Power Filter (APF) is an efficient, stable and flexible advanced mean for optimizing power’s quality, its application will play a significant role in improving the quality of power grid.
Firstly, this paper presents a simple introduction to the public power grid quality, leads to the research direction of APF. Then, this thesis detailed introduces the APF system constitutes, operation principle, history, classification and development trends. Furthermore, this paper gives a detailed presentation of the three-phase four-wire APF research background and key technologies.
One of the key technologies of three-phase four-wire shunt APF is to obtain the current order. The compensation performance of the APF fine or not depends on the current order accurate or not. Then this paper presents a simple overview to several current detection methods, focus on three current detection methods used in the three-phase four-wire systems. What’s more, this paper analyses and study selective harmonic filtering technology for improving the flexibility function of APF. Finally, this paper proposes a realization of three-dimensional vector space PWM used for the main circuit of split-capacitor inverter for three-phase four-wire APF.
APF mathematical model is a crucial theoretical basis to analyze and research active power filter, meantime it provides solid theoretical evidence for computer simulation and real experiment. Consequently, we establish a precise mathematical model for the split-capacitor inverter. Taking into account the digital control, we discrete the model with zero order holder.
Based on the precise mathematical model, we proposed an initial control strategy for the control system of APF. Given the different conditions, we researched and studied the DC voltage control external loop and the current control internal loop, provided simulation model and results, verified the control strategy’s correctness and availability, eventually, offered an effective simulation platform for effective analysis of the actual device operation.
Finally, based on above analysis and research, we have built a three-phase four-wire active power filter experimental device. Making use of the experimental device, experiments have been carried out in different conditions, results proved that the current detection method and the control strategies are fully adapt to the three-phase four-wire shunt active power filter, ensure the APF operation with high compensation performance.
本文首先对公用电网电能质量相关方面进行了简单的介绍,引出本文的研究方向有源电力滤波器;然后给出了有源电力滤波器的系统构成以及基本工作原理,具体地介绍了有源电力滤波器发展历史,各种分类以及发展趋势,详细地介绍了三相四线有源电力滤波器的研究背景和关键技术。
三相四线并联型有源电力滤波器的关键技术之一就是指令电流获取。本文对有源电力滤波器电流检测方法进行了简单的综述,重点分析了目前应用于三相四线制系统下基于零线电流分离的ip- iq检测方法、基于三维坐标变换的ip- iq- ir检测方法以及基于同步坐标变换的id- iq- i0检测方法等三种电流检测方法。从提高有源电力滤波器灵活性角度,详细的研究了广义同步坐标旋转变换算法和基于滑窗的离散傅立叶变换的两种指定次数谐波滤除算法。最后,对用于电容中点型主电路三相四线制有源电力滤波器的三维空间矢量的工程实现进行了详细的分析。
有源电力滤波器的数学模型是分析和研究有源电力滤波器的基础,本文对电容中点型三相四线并联型有源电力滤波器建立精确的数学模型,在此基础上,考虑到全数字控制,还对数学模型进行了离散化处理,为有源电力滤波技术有效的控制提供了坚实的理论依据。
在获得精确的数学模型条件下,综合各种因素初步构建了有源电力滤波装置的系统控制策略,对外环直流电压控制和内环电流控制,在不同的控制策略下,进行了详细的分析和研究,建立了仿真模型,验证了整个系统的控制策略的有效性。
最后在以上研究的基础上,本文研制了一台三相四线并联型有源电力滤波器装置。在此装置基础上本文对指令电流获取,外环直流电压控制策略和内环电流跟踪控制等等进行了大量的实验研究,实验结果表明本文提出的电流检测方法、控制策略等完全适用于并联型有源电力滤波器,确保了有源电力滤波器的补偿性能。
On the one hand, the quality of power grid is seriously contaminated because of the use of mass power electronic facilities and increasing nonlinear loads. On the other hand, these power electronic facilities and various loads normal, stable, efficient operation requires the power grid to provide high quality power. Therefore, the researches on the harmonics suppression and the reactive power compensation for the power grid, improvement of public power grid quality are growing concerned. Active Power Filter (APF) is an efficient, stable and flexible advanced mean for optimizing power’s quality, its application will play a significant role in improving the quality of power grid.
Firstly, this paper presents a simple introduction to the public power grid quality, leads to the research direction of APF. Then, this thesis detailed introduces the APF system constitutes, operation principle, history, classification and development trends. Furthermore, this paper gives a detailed presentation of the three-phase four-wire APF research background and key technologies.
One of the key technologies of three-phase four-wire shunt APF is to obtain the current order. The compensation performance of the APF fine or not depends on the current order accurate or not. Then this paper presents a simple overview to several current detection methods, focus on three current detection methods used in the three-phase four-wire systems. What’s more, this paper analyses and study selective harmonic filtering technology for improving the flexibility function of APF. Finally, this paper proposes a realization of three-dimensional vector space PWM used for the main circuit of split-capacitor inverter for three-phase four-wire APF.
APF mathematical model is a crucial theoretical basis to analyze and research active power filter, meantime it provides solid theoretical evidence for computer simulation and real experiment. Consequently, we establish a precise mathematical model for the split-capacitor inverter. Taking into account the digital control, we discrete the model with zero order holder.
Based on the precise mathematical model, we proposed an initial control strategy for the control system of APF. Given the different conditions, we researched and studied the DC voltage control external loop and the current control internal loop, provided simulation model and results, verified the control strategy’s correctness and availability, eventually, offered an effective simulation platform for effective analysis of the actual device operation.
Finally, based on above analysis and research, we have built a three-phase four-wire active power filter experimental device. Making use of the experimental device, experiments have been carried out in different conditions, results proved that the current detection method and the control strategies are fully adapt to the three-phase four-wire shunt active power filter, ensure the APF operation with high compensation performance.
引文
[1]陈坚.电力电子学—电力电子变换和控制技术(第二版).北京:高等教育出版社. 2002
[2]王兆安,杨君,刘进军等编著.谐波抑制和无功功率补偿.北京:机械工业出版社. 2002
[3]罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备.北京:中国电力出版社. 2006
[4]姜齐荣,赵东元,陈建业等编著.有源电力滤波器-结构·原理·控制.北京:科学出版社. 2005
[5]黄俊,王兆安.电力电子变流技术(第三版).北京:机械工业出版社. 1994
[6]戴珂.双三相电压源PWM变换器串并联补偿型UPS控制技术研究. [博士学位论文].华中科技大学. 2003
[7]吴竞昌.供电系统谐波.北京:中国电力出版社.1998
[8]中华人民共和国国家标准电能质量公用电网谐波(GB/T 14549-93)
[9] IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control In Electrical Power Systems.
[10] IEEE Recommended Practice Test Procedure for Utility-Interconnected Static Power Converters.
[11]李达义,陈乔夫,贾正春等.电力系统谐波源的种类和滤波方法综述.电气传动. 2005年第35卷第12期,PP.1~5.
[12]王群,姚为正,刘进军等.谐波源与有源电力滤波器的补偿特性.中国电机工程学报. 2001年2月第21卷第1期,PP.16~20.
[13]陈国柱,吕征宇,钱照明.有源电力滤波器的一般原理及应用.中国电机工程学报. 2000年9月第20卷第9期,PP.17~21.
[14]霍伟.并联型三相四线制电力有源滤波研究. [硕士学位论文].哈尔滨工程大学. 2006.1
[15]刘杰.三相四线制电力有源滤波器的研制. [硕士学位论文].山东大学. 2006.4
[16]张俊敏.电力有源滤波器中的几种谐波实时检测方法的研究. [硕士学位论文].武汉大学. 2004.9
[17]陈仲.并联有源电力滤波器实用关键技术研究. [博士学位论文].浙江大学. 2005.8
[18]周洪亮.有源电力滤波器控制基于研究及应用. [博士学位论文].浙江大学. 2002.8
[19]高大威.电力系统谐波、无功和负序电流的综合补偿研究. [博士学位论文].华北电力大学. 2001.5
[20]周雒维.有源电力滤波器谐波电流检测和控制新方法的研究. [博士学位论文].重庆大学. 2001.8
[21]耿攀.三相三线并联型有源电力滤波器设计与控制. [硕士学位论文].华中科技大学. 2006.4
[22] Fang Z Peng. Harmonic sources and filtering approaches. IEEE Industry Applications Magazine 18. July/August 2001
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[48]戴宁怡,黄民聪,唐净等.新型三维空间矢量脉宽调制在三相四线系统中的应用.电力系统自动化.2003年第27卷第17期,PP.45~47.
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[50]卓放,杨君,王兆安等.用于三相四线制系统的有源电力滤波器研究.西安交通大学学报. 2000年3月第34卷第3期,PP.87~90.
[51]常鹏飞,曾继伦,王彤等.三相四线有源电力滤波器直流侧电压控制方法.电力系统自动化. 2005.4第29卷第8期,PP.75~78.
[52]卓放,杨君,胡军飞等.三相四线制系统并联型有源电力滤波器实验研究.电力电子技术. 1999年第6期,PP.16~8.
[53]卓放,杨君,胡军飞等.三相四线制有源电力滤波器主电路的结构形式与控制.电工电能新技术.2002.2,PP.1~6.
[54]卓放,王跃,何益宏等.全数字化控制实现的三相四线制有源电力滤波器.电工电能新技术.2001.第3期,PP.1~5.
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[59]张凯.基于重复控制原理的CVCF-PWM逆变器波形控制技术研究. [博士学位论文].华中科技大学. 2000.6.
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[62]方昕.并联型有源电力滤波器的电流数字控制技术. [硕士学位论文].华中科技大学. 2006.4.
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[65]李涛,谢运祥.几种有源滤波器的复合控制策略的对比分析.电气应用. 2006年第25卷第11期,PP.52~57.
[66] Maur cio Aredes,Jurgen Hafner,Klemens Heumann. Three-Phase Four-Wire Shunt Active Filter Control Strategies. IEEE Transactions On Power Electronics. VOL 12. NO 2. March 1997.
[67]解大,张延迟,吴非等.并联型电力有源滤波器的直流侧电压控制和补偿电流反馈控制.电网技术. 2006年2月第30卷第3期,PP.18-23
[2]王兆安,杨君,刘进军等编著.谐波抑制和无功功率补偿.北京:机械工业出版社. 2002
[3]罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备.北京:中国电力出版社. 2006
[4]姜齐荣,赵东元,陈建业等编著.有源电力滤波器-结构·原理·控制.北京:科学出版社. 2005
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[6]戴珂.双三相电压源PWM变换器串并联补偿型UPS控制技术研究. [博士学位论文].华中科技大学. 2003
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[38]张桂斌,徐政,王广柱等.基于空间矢量的基波正序负序分量及谐波分量的实时检测方法.中国电机工程学报. 2001年10月.第21卷第10期,PP.1-5.
[39] K. P. Sozański. Sliding DFT Control Algorithm for Three-Phase Active Power Filter. Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2006. APEC '06. Twenty-First Annual IEEE.
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[42]郭希铮,韩强,杨耕.可选择谐波型有源电力滤波器的闭环控制和实现.电工技术学报. 2006年9月第21卷第9期,PP.51~56.
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[50]卓放,杨君,王兆安等.用于三相四线制系统的有源电力滤波器研究.西安交通大学学报. 2000年3月第34卷第3期,PP.87~90.
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