（电力电子与电力传动专业论文）大容量并联电力有源滤波器性能改善控制技术研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h en e e do fh i g he f f i c i e n c yo fp o w e rs u p p l y , t h ep o w e re l e c t r o n i c s e q u i p m e n t sa r eu s e dm o t ea n dm o r ew i d e l y , a n dt h eg r i di sc o n t a m i n a t e dm o t ea n d m o t eb a d ly t h eh a r m o n i c sc a nm a k eo t h e re q u i p m e n t sm a l f u n c t i o n ，a n de v e n e n d a n g e rt h eg r i d a c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) g a i n sc o m p r e h e n s i v e l yr e s e a r c hb e c a u s e o fi t sa b i l i t yt oc o m p e n s a t et h eh a r m o n i c sc h a n g i n gi nb o t hf r e q u e n c ya n dm a g n i t u d e t h i st h e s i sd o e ss o m ea n a l y s i s ，d e s i g na n ds i m u l a t i o nt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n d t og e tg o o dt r a n s i e n t - s t a t i cp e r f o r m a n c eo fh i g hv o l u m ea c t i v ef i l t e rb a s e do na 38 0 v , 2 6 0 k v aa c t i v ep o w e rf i l t e r s u p p o r t e db ya c o m p a n y t h i st h e s i sf i r s t l yp r e s e n t sm a i n c i r c u i to fa c t i v ef i l t e rc o n n e c t e dt ot h eg r i dt h r o u g ha nl c lf i l t e r , a n df u r t h e rp o i n t s o u tt h ea d v a n t a g e so ft h i sc i r c u i tt oa t t e n u a t es w i t c h i n gr i p p l eu s e di nl o ws w i t c h i n g f r e q u e n c ya n dh i g hv o l u m es i t u a t i o n s t a t ef e e d b a c ki ss e l e c tt oc h o k et h er e s o n a n c e o fl c lf i l t e rb yc o m p a r i n gw i t ht h ep ic o n t r 0 1 s u p p o s i n gt h eg r i da sd i s t u r b a n c e ，m a t h e m a t i cm o d e l so fl c lf i l t e ri na b e t h r e e p h a s es t a t o rc o o r d i n a t ei se s t a b l i s h e d ，t h e nt h i st h e s i sm a k e sp o l ea s s i g n m e n tb y s e l e c t e dt h ee x p e c t a t i o np o l e f o rr e m o v et h ei n f l u e n c eo ft h eg r i di n p u to i la p f t r a c k i n gt h er e f e r e n c e ，i n t r o d u c e sf e e df o r w a r do fg d dv o l t a g e ，a n dg i v e st h e c o n c r e t e l yf o r m u l ao ft h ef e e df o r w a r d t h ee s t i m a t o ri sd e s i g n e dl a t e rb yb r i n g i n g t h eg i r di n p u tm o d e li n t ot h ee s t i m a t o rt oe l i m i n a t e b e c a u s eo ft h ef l u c t u a t i o no f i n d u c t a n c el 2c o n s i d e r i n gt h eo ns i t ei n s t a l l a t i o no fa p f , t h ef l e x i b i l i t yo fc o n t r o l l e r h a v eb e e ns t u d i e d r e p e t i t i v ec o n t r o l l e ra l s oi sd e s i g n e do u to fs t a t ef e e d b a c kc o n t r o l l o o pt oi m p r o v es t a t i cp e r f o r m a n c eo f a p e f i n a l l y , as y s t e mm o d e lo fa p f t oc o m p e n s a t e1m wt h r e ep h a s er e c t i f i e rl o a di s e s t a b l i s h e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sc o n f i r mt h ec o r r e c t i o no fd e s i g na n dr e s e a r c h w o r k k e yw o r d s ：a c t i v ef i l t e r i n g ，s t a t e f e e d b a c k ，p o l ea s s i g n m e n t ，e s t i m a t o b r e p e t i t i v ec o n t r o l i l l 浙江大学硕： ：学位论文 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究 成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的 其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 签名：日期： 浙江大学硕上学位论文 第1 章绪论 1 1 谐波的危害及其治理手段 在电力系统中，交流电能是以单一恒定的工业频率( 5 0 h z 或6 0 h z ) 和规定 的电压向用户输送的，且输送的电压和电流呈正弦波型；谐波的产生是由于正弦 电压加在非线性电路上，使电流变为非正弦波，而非正弦电流在电网阻抗上也会 产生压降，使电网电压波形产生畸变：同时非正弦的电源本身也会带有谐波成分。 在历史上，电力系统的谐波主要是由于电力电压器铁心工作在非线性区域造成 的，但近些年来随着电力电子技术的飞速发展，电力电子开关设备获得了广泛地 应用，使电力谐波造成的危害日益严重。所以非线性电路或非线性负载是谐波产 生的主要来源，例如：整流装置、电弧炉、电力变压器和家用电器等。 电网中大量谐波的存在是对电网的一种污染，其危害表现在【l 】： ( 1 ) 增大电网电压电流的峰值和r m s 值，使公用电网中的元件产生 附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率。 ( 2 ) 影响各种电气设备的正常工作。主要表现有：谐波对电机的影响 除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压 器局部过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命 缩短，以至于损坏。 ( 3 )谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波 放大。 ( 4 ) 会导致继电保护和自动装置的误动作，会使电气测量仪表计量不 准确。 ( 5 ) 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质 量：重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。 为解决非线性负载或非线性电路产生的谐波污染问题，基本的思路有两条 i l 】：一是装设谐波补偿装置；二是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐 波，且功率因数为l 。对于装设谐波补偿装置，目前广泛采用安装无源滤波器和 有源滤波器的方法。图卜l 示出了谐波治理的技术分类【2 6 1 。 浙江大学硕i ：学位论文 图1 1 谐波治理技术分类 主动型是从装置本身出发，设计不产生谐波的变流器，比如功率因素校正技 术( p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ) 、p w m 整流技术等。这些技术适合于中小功率的 装置。在低压配电网中，多采用安装无源滤波器和有源滤波器的被动治理手段。 无源滤波器即l c 调谐滤波器，结构简单，即可补偿谐波，又可补偿无功功 率。但只能补偿固定频率的谐波，且补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和 系统发生串联和并联谐振，导致谐波放大，使l c 滤波器过载甚至烧毁。此外， 调谐滤波器会向电网馈送无功，有过补偿的风险。 有源滤波器( a p f ) 利用可控的功率半导体器件向电网注入与谐波源电流幅 值相等、相位相反的电流，使电网的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的 目的。有源滤波器不仅能补偿各次谐波，还可以抑制电压闪变现象，补偿无功功 率，具有再适应功能，可自动跟踪补偿变化的谐波，具有高度可控性和快速响应 等特点。由于电力有源滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补 偿特性不受电网阻抗的影响，在谐波抑制方面有很大优势，因而受到广泛的重视。 与无源电力滤波器( p p f ) 相比， p f 具有下列优势： ( 1 ) 不会因制造误差、设备老化、电网频率变化造成滤波效果下降； ( 2 ) 不容易与电网产生谐振，造成谐波放大； ( 3 ) 可以仅仅对谐波进行抑制，不引入大的无功； ( 4 ) 适应于多种性质( 阻、感、容性) 的负载； ( 5 ) 具有处理复杂频谱谐波的能力。 2 浙江大学硕士学位论文 1 2 电力有源滤波器的研究现状与前景 电力有源滤波技术最早于上个世纪6 0 年代提出。随后的1 9 7 6 年，美国西屋 公司的l g y u g y i 等人率先研制出了8 0 0 k v a 的采用p w m 控制变流器构成的有源 电力滤波器，并确立了电力有源滤波器的主电路基本拓扑和控制方法。 自1 9 8 0 年代中期，随着电力电子技术的快速发展，电力电子器件的容量、 开关频率等性能的提高，p w m 控制技术日趋成熟，有源电力滤波器己成为电力电 子技术领域中的研究热剧1 1 。发达国家先后在a p f 领域取得一系列进展，主要有 1l - i 6 】：1 9 8 6 年a k a g i 的并联a p f ；1 9 8 7 年，t a k e d a 等的并联a p f 加并联p p f 的混 合有源电力滤波器( h a p f ) ；1 9 8 8 年，f z p e n g 等的串联a p f 加并联p f 的h a p f ； 1 9 9 0 年，h f u j i t 等的a p f 与p f 相串联的h a p f ；1 9 9 4 年，h a k a g i 等的串联a p f l 和并联a p f 2 的h a p f 等等。其中，f z p e n g 的h a p f 方案是在并联的负载和l c 谐振支路之间串入有源电力滤波器，谐波基本上由l c 滤波器补偿，有源滤波器 的作用是改善l c 滤波器的滤波特性【l o 】，有源容量较小( 典型值为补偿功率的 5 1 0 ) 被公认较优，但仍有一定的局限性和不足。在1 9 9 0 年以后，h a p f 的技 术主要是在电力电子新器件的应用和控制方法上的改良，数字化技术的应用，在 原理上没有本质的大突破。目前，许多国际著名公司，如a b b 、t o s h i b a 、 s i e m e n s 等，都有相应的部门从事相关研究和产品开发工作。 用于谐波补偿a p f 容量一般为1 0 k v a 2 m v a ，这些产品主要应用于配电电网、 电弧炉、变频驱动、筑物供电系统、铁路牵引、水处理等的无功电流补偿和谐波 抑制，部分兼有电压快速调节目的。a p f 的应用领域还包括：电动汽车充电、现 代楼宇供电、大型提水泵站、直流输电等方面的谐波抑制。 a p f 的应用是在二十世纪9 0 年代后，从日本、美国等国开始，并主要集中 在并联型a p f 。日本迄今至少有5 0 0 多台a p f 在现场应用，这类技术常以大容 量的高速开关器件为基础。采用g t o 实现的a p f ，1 9 9 0 年用于电弧炉的谐波抑 制，容量达2 0 m v a ；s i t h 实现的v v v f 谐波抑制的a p f ( 2 0 0 k v a ) ，1 9 8 8 年 启用；i g b t 实现的1 0 0 k v a 的a p f ，1 9 8 8 年用于对建筑物中的供电系统进行补 偿。然而，并联a p f 有其自身严重不足。类似于e z p e n g 方案的h a p f ，仅美 国有现场应用的报道【8 l 。 3 浙江大学硕：t 学位论文 我国在有源电力滤波器的研究方面起步较晚，在研究上近年来也取得较大成 果，但在现场应用和产业化的还很少。研究主要集中于高校实验模型的研制之中， 如浙大、西交大、清华、哈工大、华北电大，在国内外发表了大量研究报告与论 文。个别厂家也能提供该类产品，但技术来源主要以与国外代理、小规模和小容 量产品工程设计为主，与国外厂商比较，还处于起步阶段。 在国内，1 9 9 1 年1 2 月由华北电科院、北京供电局和冶金部自动化研究所研 制的国内第一台4 0 0 v 5 0 k v a 的有源电力滤波器在北京某中心变电站投运，2 0 0 1 年华北电科院又将有源电力滤波器的容量提高到了l o k v 4 8 0 k v a 。由中南大学和 湖南大学研制的容量为5 0 0 k v a 并联混合型有源电力滤波器已在湖南娄底早元 2 2 0 k v 变电站挂网运行【3 l 。国内目前有源电力滤波器的产品很少，华中科技大学 应电系和上海追同电气有限公司合作研发了4 0 0 v 并联型系列产品，容量为 6 6 k v a 。西安交通大学、清华大学、中南大学、浙江大学等高校也研制了一些样 机。 到目前为止，有源电力滤波器还未能在我国工业领域得到广泛应用。但随着 电力电子及相关技术的发展以及电力市场的发展，中大功率的电力电子装置等非 线性负载将在工业系统获得大量应用。电能质量问题会越来越引起人们的关注， 因此有源电力滤波器有着良好的发展前景和潜在的技术经济效益。特别的，对于 工厂、大型公共建筑( 市场、宾馆、现代楼宇、小区等) 、电信金融政府等部 门，进行谐波的就近补偿即满足本单位用电质量的要求，也满足电力系统的相关 规定。且对于这些场合的谐波补偿容量多属于中小功率，这对于纯有源滤波器来 说具有巨大的市场前景。例如a b b 公司就有称之为p q f 的低压系统有源滤波装置， 补偿电流至2 2 5 a 、可模块化并联的产品投放市场。 1 3 电力有源滤波器的关键技术 ( 1 ) 高精度、实时的谐波电流检测系统。电力有源滤波器进行实时谐波补偿的前 提是需要实时提取被补偿的非线性负载电流中的谐波。谐波检测方法的精度及动 态响应速度极大影响到有源电力滤波器的性能l 吼。 ( 2 ) 高性能的电流控制。由于有源电力滤波器需要足够的电流带宽，因此除了合 理的主电路参数设计外，必须设计性能良好的电流控制器，通过合理的控制手段 4 浙江大学硕：l ：学位论文 产生需要的补偿电流，使有源电力滤波器具有良好补偿性能。随着数字控制的应 用，一些先进的算法如状态反馈控制、重复控制等将成为有源电力滤波器研究和 应用的热点【引。 ( 3 ) 降低成本和提高补偿效率。研究有源电力滤波器和无源l c 电力滤波器的各 种混合使用方式，提高单台有源电力滤波器的容量，降低设备损耗，提高有源电 力滤波器的性价l i - j 9 1 。特别的，对于单台大容量纯有源电力有源滤波器，由于开 关管的容量大、发热严重，给其他无源器件所留的可发热的空间就小了很多，提 高效率是亟需解决的问题。 ( 4 ) 直流控制环的参数设计【1 0 1 。例如，对实际的并联电压型电力有源滤波器都要 求有直流侧电压闭环，直流侧电压的稳定性直接影响了电力有源滤波器的补偿效 果。 1 4 本课题的主要工作及意义 本文主要针对用于低压配电网( 3 8 0v ，5 0h z ) 、大补偿容量的并联有源滤 波器，进行性能改善控制技术的相关研究。目的是为2 6 0 k v a 的纯有源滤波器横 向项目提供一个系统的控制方案。本文设计中的具体参数都是以补偿电流4 0 0 a ， 开关频率7 k h z 、直流母线电压7 5 0 v 的a p f 来确定的。 文章在分析l c l 滤波器特性的基础上，对比分析了p i 控制和状态反馈控制 在提高a p f 性能、效率上面的优缺点，最后采用状态反馈来抑制l c l 的谐振， 达到对系统的稳定控制，通过合理的极点配置来改善系统的动态性能。在仿真的 基础上给出了极点配置需要注意的事项。在系统的稳态指标方面，通过对重复控 制器的设计来补偿极点配置后系统的相位滞后。 最后文章对a p f 系统进行了建模和仿真分析，验证了状态反馈在提高电力 有源滤波器效率和动态性能上的优势和重复控制在提高系统的静态指标上的优 势。最后对全文的工作进行了总结，对今后的研究工作进行了展望。 应该说，本文的主要工作是对状态反馈和观测器控制算法所做的一些应用和 研究。对重复控制器做了分析和应用。 5 浙江大学硕上学位论文 第2 章电力有源滤波器的基本原理 a p f 的基本原理就是用电压型或电流型逆变器产生个谐波电流或电压，注 入电网，以抵消其它装置产生的谐波电流或谐波电压，达到净化电网的作用。 2 1 电力有源滤波器的主电路 自有源滤波的概念提出以来，已经发展了多种主电路拓扑。有源电力滤波器 的功率电路可采用电压源型p w m 变流器和电流源型p w m 变流器。电流源型变流器 虽然可靠性高，但其损耗高且需要数值较大的电感而使得其应用受阻。电压源型 变流器由于造价低、轻便、效率高成为主流应用们。 有源电力滤波器可以有不同的分类方法，从与负载联接形式的角度可分为串 联型有源电力滤波器和并联型有源电力滤波器两大类。串联型有源电力滤波器主 要用于补偿可看作电压源型的谐波源，但安装不方便，损耗大且像无源滤波器一 样存在过载问题；并联型有源电力滤波器是工业实际中应用较为广泛，主要用于 补偿可以看作电流源的谐波源。当前，电网中主要的谐波源除民用负荷以外，工 业负荷以三相三线制负荷，尤其以传统相控整流技术为主要代表，因此最基本的 一种也是工业实际中应用最多的一种是并联型电力有源滤波器。本设计主要对并 联电压型a p f 进行相关研究。 2 1 1 主电路结构 本文所研究的并联电压型a p f 主电路结构为三相半桥电压型逆变器。如图 2 一l ，并联型电力有源滤波器直流端储能元件为电容器c 2 ，由电感厶、厶和电 容c 组成的三阶滤波器用于滤除逆变器的开关纹波。通过产生与负载中的谐波和 无功分量大小相等、相位互差1 8 0 0 的补偿电流注入电网，使电网电流成为与电 网电压相同的正弦波。并联a p f 可以看作一个由逆变器构成的谐波电流源，主 要用于补偿可看作电流源的谐波源，如阻感负载的不控整流电路。此外，并联 a p f 还可以抑制无源滤波器与电网之间发生谐振。 6 浙江火学硕上学位论文 口 图2 - i 通过l c l 与电网连接的逆变器 2 1 2l c l 滤波器特性与设计 c d c l c l 滤波器可以看作a p f 的谐波注入支路，同时也是把电压型p w m 变流器 输出的按谐波指令信号变化的脉动电压转换为需补偿的谐波电流并注入电网的 重要环节。 l c l 原理分析 l c l ( t 型) 滤波器原理图如图2 2 所示。电感厶为逆变器侧电感，r l 为其 等效串联电阻，通过的电流定义为；c 为交流滤波电容，r 3 为其等效串联电阻， 电容支路电压定义为v d 网侧电感为厶，r 2 为其串联电阻，通过的电流定义为； f 2 定义u i n 为逆变器输出电压信号，u 。为电网电压。 r 1l 1r 2l 2 u s 图2 2 l c l 等效原理图 逆变器侧电感厶接逆变器，把逆变器输出的谐波电压信号转换为谐波电流信 号，并进行一定程度的滤波。网侧电感厶与电容c 再对f l 中的开关纹波进行分 7 浙江人学硕士学位论文 流( 滤波) ，分流的效果依据岛和c 在开关频率附近的阻抗来确定，最后得输出 电流之。由于厶和c 分流的作用，之中的开环纹波比要小很多。显然厶越大， 厶和c 所要做出的分流的努力就越小，从而可以减小电容，但增大厶会影响系 统的动态性能，减小补偿带宽，使补偿效果变差。 根据电路理论的复频域分析法，电感的感抗为脱，电容的容抗为1 s c ，电 阻为r 。由t 型滤波器的等效原理图可以看成：l ：支路和电容支路c 并联，它 们再和l 。串联，l ：支路电流就是：支路和电容支路对串联电流的分流结果。由 此容易求出t 型滤波器的传递函数。 日( s ) 2 南2 面面丽面r 3 再c s + 而i 研 1 ( r 2 - i - r 3 ) r i gd - r 2 r 3 c4 l i4 - l 2 i s - 4 - e i l - r 2 ( 2 - 1 ) r 。、r ：和r 。的阻值一般是比较小的，只对t 型滤波器的阻尼有影响，对滤波性能 影响不大，所以在研究滤波器的高频滤波能力时可以忽略r 。、r ：和r 。的影响，以 简化日 ) 表达式。把式( 2 一1 ) 中元器件的等效串联电阻取为零，日 ) 可化简 为式( 2 - 2 ) ： 日 ) 2 瓦面丽1 2 - 2 图2 3 示出了总电感量相同的情况下三阶l c l 滤波器和单电感滤波器的b o d e 图。 从图中可以看出，单电感滤波器对谐波的衰减速率无论是在被补偿频段或高频段 都是2 0 d b 十倍频程，而l c l 滤波器在高频段则是以6 0 d b 十倍频程进行衰减， 在滤除高次谐波方面效果比较好，适合于大容量、开关频率不宜取高的逆变器应 用。但图2 - 3 同时示出了三阶l c l 滤波器存在谐振峰，如果不采取抑制措施，会 导致谐振频率处谐波的幅值增大，从而增加了线电流中高次谐波的含量，增大电 流的谐波畸变率。 浙江大学硕士学位论文 1 5 0 1 0 0 5 0 b o d ed i a g r a m l i 三5 0 _ 一l c 、l 芩j 二 _ 一一 ) 、一 一 一1 明：。：、：- ：。： 。：二 1 0 21 0 31 0 41 0 5 f r e q u e n c y ( h z ) 图2 3 l c l 与l j + l 2 波德图比较 l c l 滤波器设计 三阶l c l 滤波器是在二阶l c 滤波器的基础上增加了一个网侧电感而成的， 相当于增大了电网阻抗，这样可以以较小的电容达到对开关纹波的分流，从而减 小逆变器开关纹波电流注入电网，因此l c l 滤波器的设计就是为了保证开关纹波 的足够衰减。为设计l c l 滤波器，首先应根据性能指标规定的注入电网的开关频 率电流幅值和p w m 变流器输出的开关频率电压幅值确定电压一电流衰减比【6 1 。由 于网侧电感可以等效到电网的内部电感上，l c l 滤波器就可以退化为一个l c 低 通滤波器来设计，这样就可以由式( 2 - 2 ) 得到满足该衰减比的l c 参数，从而确 定了三l 和电容c 的关系，即厶c = c o n s t 。为保证对开关纹波的分流，应该有电 网在开关频率的阻抗远小于网侧电感在开关频率处的阻抗，即x c x 。：，由此 也确定了z 2 和c 的关系。 在实际设计中，满足衰减比的l c 参数并不唯一，同时满足x r x ，的参 数也不是唯一的，这就给设计带来了困难，所以需要分析t 型滤波器的原理，找 出三l 、2 和c 的取值变化对滤波性能的影响。 厶+ 厶决定桥臂电流纹波。电感厶直接与逆变器桥臂相连，若不考虑桥臂换 9 一p)o重量cbein 5 0 5 4 4 69p)9seu乱 浙江大学硕：l ：学位论文 流的影响，桥臂的电流纹波就等于电感厶上的电流纹波。厶上的电流f l 是由l 。的 阻抗x 。和电容支路与l ：支路的并联阻抗五：c 串联决定的。电容c 和l ：并联电 路的引入增大了串联阻抗，减小了j l 。但实际上并网电流j 2 总是比f l 略大，这主 要是因为：其一，并联阻抗x 。2 c 是比较有限的，这由并联电路特性容易看出， 所以l c l 总的阻抗不会增加太多；其二，电容会向电网馈送无功，而此时的逆 变器被控制为对基波电流呈高阻状态，这个无功电流就会叠加在补偿电流上。但 对于我们比较关心的谐波和无功补偿频率段( 5 0 h z 2 5 k h z ) ，主要是在l c l 滤 波器的谐振频率之前。由图2 3 可以看出，在l c l 滤波器的谐振频率之前，三 阶l c l 滤波器的波德图和单电感厶+ 厶滤波器的波德图基本重合，正是由于小 于l c l 谐振频率的电流成分构成了a p f 的主要补偿电流，因此厶+ 厶决定了桥 臂的纹波电流。由于逆变器主开关器件的结温波动会随着纹波的增大而增大，从 而降低开关器件的寿命，因此厶+ 厶不能过小，这实际是以牺牲电感为代价来保 护开关器件。但电感过大要求绝缘性能要好，会带来体积、重量增加、成本上升 的问题，为保证a p f 快速响应，厶+ 厶也不能取得过大，需要综合考虑。 根据并联电路各支路的分流关系，电容支路的容抗砟必须大大小于电网侧 阻抗x ，：，只有这样才能使高频电流分量尽量从电容支路流过，尽可能少地流入 电网。要满足x c x ：，可以增大电容量，也可以增大l ：的电感量。但是增大 电容量会减小电容支路对基波的容抗，增大电容向电网馈送过无功功率；增大厶 的电感量会增加电感压降，降低变流器的输出电压能力。因此，厶和c 的取值 需要折衷考虑【6 1 。 l c l 滤波器的设计是前述各个限制条件折衷的结果，带有很大的经验成分， 也会得出不同的设计结果。 2 1 3l c l 设计参数 对于需要设计的目标a p f ，主开关器件的开关频率是7 k h z ，直流电压为7 5 0 v 。 l o 浙江大学硕上学位论文 开关频率较低而直流侧电压较高，纹波电流较大。在桥臂纹波电流确定的情况下， 即厶+ 厶是定值的情况下，由式( 2 2 ) 可以看出，在厶= l 2 的情况下，l c l 达到 最佳滤波效果。2 0 1 。在根据上述的原则，设计了一个l c l 滤波器：厶= 上2 = 4 0 u h ， c = 2 5 0 u f 。在这个参数下，可保证逆变器注入电网的开关纹波电流与电网基波 之比小于0 3 。图2 3 中的l c l 滤波器b o d e 图即为这个设计参数下画出的。 2 2 电力有源滤波器的控制策略 除了主电路外，a p f 的系统组成还包括控制电路部分和相应的控制策略。带 有控制部分的电力有源滤波器原理图如图2 - 4 ，其中，控制策略是我们主要研究 的内容。图中咚为交流电网，乞为电网内部电感( 变压器和引线电感) ，之为补 偿谐波电流。 图2 4 并联电压型a p f 原理图 对于我们的a p f 主电路结构，电力有源滤波器的控制策略主要有两方面的作 用：1 达到对a p f 主要控制对象l c l 滤波器的稳定控制，并保证系统响应的快速 性。2 对补偿电流的波形控制，达到a p f 补偿的稳态指标。 2 2 1p i 调节的控制策略 p i 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可 浙江火学硕士学位论文 靠性高，被广泛应用于工业控制过程。p i 控制器是一种线性控制器，其原理框 图如图2 - 5 所示。 一一 l i 图2 5 p i 结构图 其根据给定值r ( t ) 与实际输出y ( t ) 构成控制误差： e ( t ) = r ( t ) 一y ( t ) ( 2 - 3 ) 将偏差e ( t ) 的比例( p ) 、积分( i ) 通过线性组合构成控制量，对控制对象进 行控制。比例控制实际是一个可调增益的放大器，只改变信号的增益不改变相位， 可提高系统的开环增益，减小系统的稳态误差，但会降低系统的稳定性。而积分 控制可提高系统型别，消除静差，积分作用的强弱取觉于积分时间常数k i 。 但在实际生产现场中，p i 参数整定方法烦杂，常规p i 控制器参数往往整定 不良、性能欠佳，对运行工况的适应性差。所以必须寻求p i 控制器参数的自动 整定技术，p i 控制和现代控制理论诸如智能控制、自适应模糊控制和神经网络 控制技术等结合【1 刀，从而使控制算法趋于复杂。 p i 技术容易达到对a p f 系统的稳定控制，但首先遇到的一个问题是对a p f 补偿带宽的限制。a p f 须补偿的频谱在5 0 h z 至2 5 0 0 h z 之间，而p i 原则上只能 实现对直流信号跟踪的无静差，这在很大程度上限制了对高频信号的跟踪，在波 形控制上难以达到理想的效果。利用p i 控制遇到的另外一个问题是损耗，逆变 器开关纹波滤波器多采用三阶l c l 或单电感l 加高通滤波器，无论采用那种方式， 都存在一个抑制谐振的问题。这个谐振可以通过在滤波器的电容上串联或并联电 阻来抑制，在经典控制方法下可以使系统稳定，但会带来很大的有功损耗，大大 降低了a p f 系统效率。 1 2 浙江人学硕士学位论文 2 2 2 状态反馈控制 状态空间的思想来自于基于微分方程的状态变量法，描述动态系统的微分方 程是一组关于系统状态矢量的一阶微分方程，方程的解可以看成该状态矢量在空 间的一条轨迹。由微分方程可以很方便的写出动态系统的状态方程： 童= a x + b u y = e x ( 2 4 ) 单输入单输出系统的传递函数与状态空间模型之间可以相互转化，所研究系统的 传递函数可表示为： g = 器_ c ( 小帅 ( 2 - 5 ) 图2 6 动态系统的状态空间结构图 图2 - 6 为用状态矩阵表示的系统结构图。从状态空间角度看，单闭环控制系 统性能不佳的原因可以解释为单纯的输出反馈未能充分利用系统的状态信息。因 此，将输出反馈改为状态反馈应该可以改善控制效果。状态反馈波形控制系统也 需要三个反馈变量，但并不构成一个多闭环控制回路，而是在状态空间概念上通 过合理选择反馈增益阵来改变对象的动力学特性，以实现不同的控制效果。状态 反馈控制的最大优点是可以大大改善系统的动态品质，因为它可以任意配置闭环 系统的极点。状态空间设计就是通过直接分析系统的状态变量描述来设计通态补 偿的技术，状态空间设计法的一般步骤是：首先，假设控制规律中用到的所有状 态变量都是可测可得到的；然后选取期望极点，根据状态方程式( 2 - 4 ) 的系数 矩阵来设计控制系统；引入观测器的概念并构建基于测量输出的状态估计，证明 可以用这些估计的状态代替实际的状态变量；最后引入外部参考控制输入。 对于a p f 系统，全状态反馈控制的显著优势在于，理想情况下可以实现在 完全无损耗情况下达到对系统的稳定控制，这是p i 控制所无法达到的。 1 3 浙江大学硕士学位论文 2 2 3 重复控制1 1 8 l 重复控制是一种波形控制技术，重复控制方法在反馈系统中对于周期性外 激励信号的跟踪具有很高的控制性能。重复控制的基本思想源于控制理论中的内 模原理( i n t e r n a l m o d e lp r i n c i p l e ) ，该原理指出，若要求一个反馈控制系统具有 良好的跟踪误差以及抵消扰动影响的能力，并且这种对误差的调节过程是结构稳 定的，则在反馈控制环路内部必须包含一个描述外部输入信号动力学特性的数学 模型这个外部信号的数学模型就是所谓的“内模 ( i n t e r n a l m o d e l ) 。 积分控制( i n t e g r a lc o n t r 0 1 ) 就是内模原理的一个应用。我们知道，一个稳定 的反馈控制系统，如果其前向通道包含有积分环节l s ，则该系统对于阶跃型指 令可以做到无静差跟踪，同时还可以完全抵消掉所有作用于积分环节之后的阶跃 型扰动对稳态输出的影响。显而易见的是：积分环节l s 正是描述阶跃信号的数 学模型。同样基于内模的概念，针对正弦指令的无静差跟踪问题，可以在控制器 中植入一个与指令同频的正弦信号模型： g 小) = 南 ( 2 6 ) 其中为正弦指令的角频率。可以验证，当指令和扰动都以角频率做正弦变化 时，一个稳定的、包含式( 2 - 6 ) 内模的正弦伺服系统是无静差的。 对于并联a p f 系统而言，其补偿的谐波成分频谱复杂，为达到对指令跟踪 的无静差，按照内模原理，必须为每一次谐波成分都设置正弦信号的模型，这在 控制算法上显然是不可取的；并且a p f 直接挂网运行，不同频率成分的电网扰 动对a p f 系统的跟踪也会产生不利的影响。但根据傅立叶分解的原理，所有的 谐波成分和系统扰动都可以分解为频率不同的正弦波成分，特别的对于我们所研 究的并联a p f 系统，我们所关心的谐波和扰动成分经过傅立叶分析后，其频率 都是基波的整数倍，即这些谐波在每一个基波周期都以完全相同的波形重复出 现。基于内模原理的重复控制利用一种“重复信号发生器 ( r e p e t i t i v es i g n a l g e n e r a t o r ) 内模，其s 域形式为： 瓯= 专( 2 - 7 ) 其中为逆变器输出基波周期，式( 2 - 7 ) 一个周期延迟正反馈环节。控制器中的 纯滞后环节e 一，在模拟控制中难以实现，但在数字控制系统中可通过操作数字 控制器的数据存储单元来实现重复信号发生器的离散化形式为： 1 4 浙江人学硕士学位论文 g 心) = 专 ( 2 - 8 ) n 为每基波周期对输出信号的采样次数。图2 7 为重复控制结构，图中p ( z ) 可以 是一个开环系统或一个带控制环的稳定系统，其指令输入r ，输出为y ，d 为扰动 信号各环节意义为：- n 为周期延时正反馈环节，对误差进行逐周期地积分， n 为每基波周期对输出信号的采样次数；辅助补偿器q ( z ) 是为了增强系统鲁棒性 而设计的；超前环节的作用是使控制器根据上一周期的误差信息在下一周期提 前k 拍发出校正量，k 为超前步长；比例系数k r 最终确定校正量r 的幅值；补偿 器s ( z ) 改造被控对象特性，保证系统稳定。 2 3 本章小结 图2 7 重复控制结构 本章首先介绍了通过l c l 与电网连接的a p f 主电路结构，然后分析了三阶l c l 在滤除开关纹波上面的优势。紧接着分析了l c l 滤波器设计时需要注意的个方面 问题，并根据a p f 目标要求设计了l c l 滤波器参数。针对l c l 的谐振抑制问题， 比较了常用的p i 控制和全状态反馈控制的优缺点。针对a p f 谐波补偿的静态指 标，比较了p i 和重复控制的优缺点。 浙江大学硕士学位论文 第3 章全状态反馈控制技术研究 全状态反馈基于状态空间法，状态空间法的一个显著特征是它有一系列独立 的步骤组成，这在第二章已经有所涉及，本章依据2 2 2 提到的步骤来设计基于 状态观测器的全状态反馈控制器，并对所设计的控制器进行了分析和参数适应性 研究。 3 1l c l 的状态空间模型 在控制系统的数学模型中，与传递函数相对应的是状态空间模型。状态空间 模型是进行极点配置的基础，也是现代控制理论的数学基础。状态方程形式规范， 便于计算机编程和计算。 3 1 1 连续域下的l c l 状态空间模型 参考图2 - 1 ，选取电感厶t a x i , 。，。，l i e ，电容电压圪，比，吃及网侧电 感电流乞，j 2 。为状态变量，定义，虬为逆变器输出电压，虬，u 站， 叱为电网电压。以a 相为例，根据k v l ，k c l 定理司列写出二相a b c 静止坐标 系下微分方程： 厶百d i | 2 = 叱一墨 ( 3 1 a ) cd斫vca=ilf2(3-tb) 乜i 百d i 2 0 巩叱一i ：r 2 ( 3 - 1 c ) b 、c 两相的微分方程采用类似的方法写出。实际设计中，电感，电容的串联电 阻都很小，可忽略不计。对a 、b 、c 三相的微分方程进行l a p l a c e 变换，可写出 a ，b ，c 三相的状态方程： i ：a x + b 材+ f v ( 3 2 ) 1 6 其中，a = b = ： 1 i 厶 u = ( 0 1 厶 00 o o o o o0 0o 00 oo 心 浙江大学硕上学位论文 0 0 0 o 1 c o 0 0 0 o o x2 叱u , b ) r 三相逆变器在d p 0 轴下存在耦合，所以在d q 0 轴下按照极点配置来设计控制器时耦 合关系不易处理，而在静止a b c 坐标系下三相逆变器系统不存在耦合。并且由式 ( 3 - 2 ) 可以看出，在静止a b c 坐标系下三相l c l 滤波器的状态方程也是没有耦合 的，可以作为三个单相来处理。 为次我们从新定义状态变量，选取电感厶电流曲。，电容电压为，及网 侧电感2 电流f 2 咖为状态变量，定义为逆变器交流侧控制电压，。为电网 电压。则l c l 状态方程的单相模型可写为： i = a x + b u + f v 舯小 ( 3 - 3 ) 一- 三c ，b = 1 莒1 ，f ： 五： ，x = 薹 ，= v 加， ，= u 娥。把2 1 3 节设计的参数代入状态方程式得： 1 7 kk吃kk o o o o o 圮o o o i ( o o o o o o o o广一liiill-二illllj o 一 厶 ) 。 0 0 0 0 0 o o 0 三 2 一 d o o眦o o o o o 心 一 。 一 乏 p oo o o o o仫o 。 一 一 厶 h 比o o o o o缇o o h o l = 一。佑一。 一 o o o o 圮o o o o o oo o o o o o o o o 圮o o o o o o 1 2 眦。儿 - l 浙江大学硕l 学位论文 墨1 ：j = t 。4 。! i ；专4 妻兰 + 。4 虿 口+ 。4 一墨5 y c3 4 ， 3 1 2l c l 状态空间模型的离散化 a p f 控制算法的模拟实现硬件复杂，灵活性小。另外，在a p f 的实际应用中， 为提取谐波电流需要对负载电流、电网电压进行检测，为构成闭环反馈控制系统 需要对补偿电流进行检测。考虑再增加两个检测环节来测量l c l 滤波器的电容电 压和电感电流的状态代价太高，在实际的设计中需要采用观测器。观测器算法应 用数字化的d s p 等容易实现，成本低。所以后续关于全状态反馈的设计都将是基 于l c l 的离散化模型的数字控制方式。 对状态方程式( 3 3 ) 离散化可得： 卅凳+ j c j = 删+ 嗍+ l l ，f 砂 ( 3 - 5 ) 其中g ( 丁) r _ i + a t + a 1 2 y _ _ i 2 + 等+ ； 町) _ ( rp m b = 主k = o 器， ) - ( p 螂= 薹爵，丁为选定的采样腓 对于系统的离散化频率的选取，首先要考虑的是数字处理芯片的性能和成本 之间的折中。性能较高的处理芯片计算速度快，能更好的满足控制需要，但是其 价格一般也较高，在电机控制中一般采用d s p 2 8 1 2 等定点处理芯片，且大量的工 业实践验证了其可靠性。 对离散化频率的选取，其次是要考虑状态反馈规律及其观测器的设置。最少 阶观测器由于直接采用输出信号反馈，不具有滤除噪声的能力，而全阶状态观测 器对噪声的滤除也是有局限的【2 1 。由2 2 2 节，状态反馈规律实际上是状态信号 反馈的直接加减。若采样频率相对于开关频率过高，会产生两个问题：1 引入开 关频率噪声，污染调制信号，使开关管误动作。2 由式( 3 - 5 ) 知采样频率越高， 离散化后的系数矩阵越大，这样由后面3 2 节的分析，使状态反馈矩阵系数过大， 甚至可能使系统变为非线性系统。对于引入的系统噪声，相关文献1 2 7 】等采用陷 波器来滤除开关纹波，但陷波器算法复杂，会占用过多的芯片计算时间。 本文中为了不引入开关频率的噪声且使状态反馈系数适中，采样频率取为等 1 8 浙江大学硕士学位论文 n 出似+ 1 ) 1p 2 8 2 7 1 5 9 2 2o 7 1 7 3 1 r 6 出( 七) f z s 8 1 s | - 以9 8 吲 i 出 + 1 ) l = 10 2 5 4 7 - 0 4 3 4 5 - 0 2 5 4