有源电力滤波器的非线性控制策略研究

论文摘要

随着工业的发展,电力电子装置广泛的应用,非线性负荷大量增加,电网污染越来越严重,电能质量严重下降。治理电网谐波污染的一个有效手段是,利用有源电力滤波器（Active Power Filter, APF）进行电力系统谐波抑制。APF的工作原理是,指令电流检测电路对补偿对象的电压和电流进行检测,得到反向的补偿电流指令信号,该信号经电流跟踪控制电路得出补偿电流,补偿电流与负载电流中的谐波电流抵消,从而达到抑制谐波和补偿无功的目的。有源电力滤波器具有响应快、补偿效果好和能够实现动态补偿的优点。因此,APF得到了广泛且深入的研究和应用。本文首先对电网中的电能质量问题进行说明,然后简要介绍有源滤波技术的发展和现状。接着,针对影响APF补偿效果的两个重要环节——检测和控制方法,进行较为详细的研究和探讨。在检测方面,对当前谐波检测的各类方法进行介绍和比较,并对d-q检测法进行仿真研究,以验证其有效性。在控制方法上,对APF的数学模型进行详细的推导和分析。在d-q坐标系下,APF的数学模型是一个耦合的非线性系统,针对该系统,本文采用两种方法来设计控制器,一种是采用PI调节的前馈解耦控制方法,另一种是基于状态反馈精确线性化的变结构控制方法。针对状态反馈精确线性化解耦部分,分别从输出功率和电流作为状态变量的角度对APF的数学模型进行解耦,通过分析比较,本文采用以电流为状态变量结合变结构控制的方法设计控制器。APF直流侧电容电压的稳定是由PI调节来实现的。设计好APF的控制系统后,本文运用MATLAB软件,建立APF的系统仿真模型,进行仿真研究。仿真结果表明,本文所设计的控制策略能够使APF实现其功能,并达到很好的控制效果,可以为设计APF控制系统提供一种新的思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 谐波问题及现状
• 1.1.1 谐波的概念
• 1.1.2 谐波的产生
• 1.1.3 谐波的危害
• 1.2 谐波抑制
• 1.2.1 抑制谐波源
• 1.2.2 滤波装置
• 1.3 本文研究的主要内容、目标与方法
• 第2章 有源电力滤波器的工作原理
• 2.1 有源电力滤波器的工作原理
• 2.2 有源电力滤波器的结构
• 2.3 有源电力滤波器的分类
• 2.3.1 并联型有源电力滤波器
• 2.3.2 串联型有源电力滤波器
• 第3章 并联有源电力滤波器的检测方法研究
• 3.1 现有的检测方法
• 3.2 基于瞬时无功功率理论的检测法
• 3.2.1 三相瞬时无功功率理论
• 3.2.2 p-q检测法
• p-i_q检测法'>3.2.3 i_p-i_q检测法
• 3.2.4 d-q检测法
• 3.3 APF的检测方法
• 第4章 并联有源电力滤波器的控制方法研究
• 4.1 APF的控制方法
• 4.2 状态反馈精确线性化
• 4.2.1 仿射非线性系统
• 4.2.2 李（Lie）导数
• 4.2.3 李括号
• 4.2.4 向量场集合的对合性
• 4.2.5 状态反馈精确线性化的条件
• 4.2.6 多输入多输出非线性系统的关系度
• 4.2.7 线性化标准型
• 4.3 变结构控制理论
• 4.3.1 变结构控制的概念
• 4.3.2 变结构控制的设计方法
• 4.4 直流侧电容电压的控制
• 第5章 APF非线性控制器设计及仿真分析
• 5.1 APF的数学模型分析
• 5.2 APF的状态反馈精确线性化解耦
• 5.2.1 基于功率角度的精确线性化解耦
• 5.2.2 基于电流角度的精确线性化解耦
• 5.3 变结构控制器设计
• 5.4 采用PI调节的前馈解耦控制
• 5.5 仿真及分析
• 5.5.1 谐波源无变化时控制策略仿真
• 5.5.2 谐波源突变时控制策略仿真
• 第6章 APF无功补偿控制器设计及仿真分析
• 6.1 APF无功补偿控制器设计
• 6.2 仿真及分析
• 6.2.1 补偿无功无突变时控制策略仿真
• 6.2.2 补偿无功有突变时控制策略仿真
• 结论
• 致谢
• 参考文献