并联混合型有源电力滤波器的理论与应用研究

无源滤波器(PF)作为传统的谐波治理手段,由于存在只能滤除特定次谐波和可能与电网发生串并联谐振等缺点,将逐步被新型装置所取代。混合型有源滤波器由于有效综合了有源滤波器(APF)和无源滤波器的各自优点,正成为谐波治理和无功补偿一体化系统的研究和发展方向。本文以江西某铜箔厂大容量无功补偿和谐波抑制项目为依托,以并联混合型有源电力滤波器(HAPF)的工程实现为主线,研究内容涵盖了并联型HAPF的基本滤波原理、检测和控制算法、主电路参数的设计和相关工程实现技术等方面,形成了较为完整的并联型HAPF的技术方案,其重点及取得的成果主要体现在以下几个方面: 1、建立了并联型HAPF的统一电气模型,探讨了不同基本控制策略下并联型HAPF的滤波原理及优缺点,提出在工况分析的基础上优选基本控制策略以避免电网参数波动对滤波效果产生的消极影响。 本论文分析了几种常见的并联型HAPF的结构,采用输出建模法建立了并联型HAPF的统一电气模型,将不同基本结构的并联型HAPF进行规类分析,在此基础上探讨了四种不同基本控制策略下并联型HAPF的滤波原理及其优缺点,比较分析了各种基本控制策略下电网参数波动对滤波系统工作性能产生的影响,为并联混合型有源滤波器在复杂工况下基本控制策略的最优选择提供了有效的指导。研究表明采用根据负载谐波电流的基本控制策略滤波效果最好,但其前提条件是电网相关参数波动较小,这样的特点使得该基本控制策略相对来说更为适合于一般工矿企业的谐波治理工程。 2、分析了并联型HAPF的系统延时产生的原因及其对系统滤波性能产生的影响,提出了一系列有效减小延时以提高系统滤波效果的方法。 研究表明并联型HAPF信号处理流程中的各个环节都存在一定的延时,其中以数字化控制器控制信号的离散化所产生的延时为主。延时不但将降低滤波装置的谐波治理效果,还可能导致某些高次谐波放大,甚至影响基于锯齿载波的脉宽调制。针对延时产生的原因,论文提出可通过采用高速的A/D转换芯片和微处理器以及内部具有相位补偿功能的互感器、提高系统的采样频率、应用基于改进规则采样法进行PWM调制的死区补偿方法以及在信号处理中采用信号预测方法来减小延时对系统造成的影响,同时详细介绍了死区补偿和信号预测方法的具体应用。 3、分析了并联型HAPF进行分频控制的必要性,提出了基于广义积分的模糊自整定PI控制方法,在精简分频检测环节的基础上有效实现了并联型HAPF的分频控制。 在对并联型HAPF结构特点分析的基础上,本论文得出了并联型HAPF需要进行分频控制的结论。这是由于并联型HAPF的有源部分或者直接与一条或几条无源滤波支路相连,或者在电路中还并联有其它无源支路以改善滤波效果并兼作无功补偿,因此对某些次数的谐波进行控制是没有必要的,同时在补偿谐波注入电网的过程中各次谐波的幅值变化和相位偏移都各不相同,需要分频进行考虑。基于以上原则,本论文提出了分频控制的思路,并应用广义积分的特点实现了对周期量的分频积分,精简了对参考信号进行分频检测的环节,同时采用模糊算法进行比例和积分系数的在线调整,在确保控制精度的同时大大改善了算法的动态性能,由此形成了基于广义积分的模糊自整定PI控制方法,实现了对HAPF的有效分频控制。 4、结合工程实际,提出了一套并联型HAPF的参数设计理论和典型应用方案。 以串联谐振注入式HAPF为例,本论文分析了相关主电路参数取值可能对滤波性能产生的影响,提出一套适合大功率谐波抑制和无功补偿的并联型HAPF的结构和参数设计方法,同时将模糊算法和遗传算法引入相关参数的多目标优化设计中。 在并联型HAPF基本原理、信号检测和控制方法以及主电路参数设计的研究基础上,本论文根据江西某铜箔厂并联型HAPF的应用实例,从设计之初的仿真分析出发,提出一套用于大容量谐波抑制和无功补偿的并联型HAPF应用方案,涵盖了从HAPF的设计仿真到现场投运的整个项目实施流程,同时详细说明了相关软硬件的设计原则和基本功能,可为并联型HAPF的推广应用提供有益的指导。