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改进型直流侧有源电力滤波器的谐波抑制技术研究

作　者: 嵇丽明
导　师: 侯世英
学　校: 重庆大学
专　业: 电气工程
关键词: DC侧有源电力滤波器 非线性负载 动态谐波抑制 谐波注入式 多矢量误差放大器
分类号: TM761.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 199次
引　用: 5次
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内容摘要


随着配电网中各种电力电子设备广泛应用,其产生的大量谐波注入电网中,电力系统的谐波不仅影响电网的供电质量,甚至危及到整个电网的运行安全。因此,抑制谐波的有效方法已成为电工学科领域研究的热点。传统的无源电力滤波器(Passive Filter,PF)只能抑制特定次数的谐波,且容易在谐波治理过程中与电网产生串联谐振。有源电力滤波器(Active Power Filter,APF)作为一种动态抑制谐波和补偿无功装置,被认为是治理电网谐波污染最有效的手段之一,它能够很好地解决无源电力滤波器在谐波治理过程中存在的问题。随着整流桥类负载的广泛使用,电网中的谐波污染更加严重。针对整流桥类负载中的一系列电能质量问题,直流侧有源电力滤波器(Direct Current Side Active Power Filter,DCSAPF)的综合谐波治理方案将会带来显著的经济效益。本论文的研究得到了重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室自主项目(项目编号:2007DA10512709304)的资助。文章研究内容主要包括了谐波的产生与治理、APF的研究现状与控制策略、滤波器基础理论、DC侧APF新拓扑模型的提出、新拓扑的仿真研究、主电路参数的最优设计与选取以及整机实验调试等部分。论文首先全面地介绍了谐波的产生与危害、谐波的定义与量化、谐波抑制的方法、滤波器基础理论、APF研究现状与分类、有源电力滤波器常用的各种控制策略与方案等。随后,在探讨了低电感耗损、低开关应力的双电感双开关Buck-boost拓扑族结构的基础上,针对DC侧串联型APF存在储能电容过大、负载电压的稳定输出过分依赖储能电容电压、控制和驱动电路过于复杂、输出电压不可调等不足,文章提出了一种输出可调压的DC侧APF主电路拓扑模型,采用同频同宽控制来简化控制与驱动电路。由于以上所提拓扑存在输出电压调节范围较小,且在过零点处电感电流容易出现较大畸变,文章改进了一种DC侧APF主电路拓扑,同时分析了改进型DC侧APF工作原理、功率流向以及输出电压纹波,建立了大信号动态模型,推导了相应的控制方程,设计了改进型DC侧APF的PI调节器,并通过恒频滞环控制以及平均电流控制对改进型DC侧APF进行全面的仿真研究,从原理上验证了所提拓扑的合理性与可行性,为整机实验奠定了一定的基础。接着,参照仿真实验及仿真参数选取结果,对整机实验的参数进行了优化选取,设计了整机实验方案以及模块电路,进行了电路调试,并给出了部分实验波形。同时对照分析了仿真实验与整机实验结果,从而验证改进型DC侧APF拓扑的正确性。最后,将单相改进型DC侧APF应用到三相改进型DC侧APF系统中,并提出了谐波注入式结构的三相改进型DC侧APF,通过谐波注入式方法来减少有源开关数量,从而减小了成本。同时根据传统PI调节器存在着动态性和实时性不好的问题,文章引入了一种多矢量误差放大器来克服传统调节器存在的不足。

全文目录


中文摘要  3-5
英文摘要  5-10
1 绪论  10-22
  1.1 谐波及谐波含量  10-11
    1.1.1 谐波的定义  10-11
    1.1.2 谐波的量化  11
  1.2 谐波标准  11-12
  1.3 谐波的产生与危害  12-13
    1.3.1 谐波产生  12-13
    1.3.2 谐波危害  13
  1.4 谐波抑制方法  13-15
    1.4.1 受端治理的谐波抑制方案  13-14
    1.4.2 主动治理的谐波抑制方案  14
    1.4.3 被动治理的谐波抑制方案  14-15
  1.5 滤波器基础理论  15-16
  1.6 APF 拓扑分类  16-21
    1.6.1 交流侧APF  17-20
    1.6.2 直流侧APF  20-21
  1.7 本文主要研究内容  21-22
2 双开关 Buck-boost 变换器及改进型 DC 侧 APF  22-36
  2.1 双开关Buck-boost 变换器  22-24
  2.2 DC 侧APF 新拓扑  24-25
  2.3 DC 侧APF 输出电压纹波分析  25-26
  2.4 DC 侧APF 工作原理及功率流向分析  26-31
    2.4.1 输出可调压DC 侧APF 工作原理  27-28
    2.4.2 改进型DC 侧APF 工作原理  28-30
    2.4.3 改进型DC 侧APF 功率流向分析  30-31
  2.5 大信号动态模型  31-32
  2.6 控制方程和控制策略  32-35
    2.6.1 控制方程  32
    2.6.2 基于谐波检测的直接控制策略  32-33
    2.6.3 基于无谐波检测的间接控制策略  33-34
    2.6.4 PWM 逆变器控制策略  34-35
  2.7 本章小结  35-36
3 改进型 DC 侧 APF PI 调节器设计及仿真研究  36-48
  3.1 PI 调节器设计  36-38
    3.1.1 三阶最佳设计法  36-37
    3.1.2 II 型系统最优设计法  37-38
    3.1.3 其他优化设计法  38
  3.2 改进型DC 侧APF 控制策略  38-41
    3.2.1 恒频滞环控制  38-39
    3.2.2 平均电流控制  39-41
  3.3 仿真验证  41-46
    3.3.1 未加DC 侧APF 仿真实验  41-42
    3.3.2 加入DC 侧APF 仿真实验  42-46
  3.4 本章小结  46-48
4 整机实验方案设计及实验分析  48-62
  4.1 主电路参数选择  48-51
    4.1.1 储能电容的选取  48-50
    4.1.2 电感的选取  50-51
  4.2 模块电路设计  51-58
    4.2.1 主电路模块  51-53
    4.2.2 控制电路模块  53-57
    4.2.3 辅助电源模块  57-58
  4.3 整机实验  58-61
  4.4 本章小结  61-62
5 改进型 DC 侧 APF 在三相系统中应用  62-74
  5.1 三相改进型DC 侧APF 拓扑及仿真  62-69
    5.1.1 三相改进型DC 侧APF 拓扑  62-65
    5.1.2 三相改进型DC 侧APF 仿真  65-66
    5.1.3 多矢量误差放大器在三相系统中的应用  66-69
  5.2 谐波注入式三相DC 侧APF 拓扑及仿真  69-72
    5.2.1 谐波注入式三相DC 侧APF 拓扑  69-70
    5.2.2 谐波注入式三相DC 侧APF 仿真  70-72
  5.3 本章小结  72-74
6 结论与展望  74-76
  6.1 文章主要结论  74
  6.2 后续工作展望  74-76
致谢  76-78
参考文献  78-86
附录  86

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 输配电工程、电力网及电力系统 > 电力系统的自动化 > 自动调整 > 电压与无功功率的自动调整
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