高可靠性級聯(lián)式有源電力濾波器控制的研究

本項(xiàng)目以電力和冶金等行業(yè)輸配電系統(tǒng)電力電子節(jié)能和電能質(zhì)量控制需求為背景，通過理論分析、計(jì)算仿真以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等一系列工作，研究適用于中壓大容量諧波治理和無功功率補(bǔ)償?shù)亩嗉壖壜?lián)式有源電力濾波器（Active Power Filter，APF）高可靠性控制的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)，得到如下研究結(jié)論和結(jié)果：1）對諧波、變換器損耗差異（包括功率器件通態(tài)和斷態(tài)損耗、開關(guān)損耗、吸收回路損耗以及電容器自身損耗等）、電容器容量大小差異以及脈沖延時(shí)等因素影響多級級聯(lián)式APF懸浮電容電壓不均衡的機(jī)理進(jìn)行分析，系統(tǒng)地研究多級級聯(lián)式APF懸浮電容電壓不均衡機(jī)理和規(guī)律。2）通過對級聯(lián)式APF懸浮電容電壓不均衡機(jī)理的分析，提出了級聯(lián)式APF懸浮電容電壓均衡控制統(tǒng)一解決方案，通過控制流過H橋單元電容上電流的大小、方向和作用時(shí)間，在不增加硬件成本條件下，使得電容電壓上不均衡的能量內(nèi)部流動(dòng)，來維持電容電壓均衡。3）對級聯(lián)式APF開關(guān)管的開路和短路故障進(jìn)行分析，通過對特征信號的提取，對故障信號進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)功率器件故障的實(shí)時(shí)檢測和容錯(cuò)控制。4）研究了低頻共模電壓形成機(jī)理及其抑制方法，利用功率平衡補(bǔ)償?shù)脑硐驕p弱低頻共模電壓帶來的不利影響。5）搭建了多級級聯(lián)式APF系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置及其控制與故障診斷系統(tǒng)平臺，并對所提出的控制方法和控制策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本項(xiàng)目所提出的控制策略和控制方法的正確性和有效性。通過本項(xiàng)目的研究，將拓寬級聯(lián)式APF安全、穩(wěn)定、持續(xù)運(yùn)行區(qū)域和提高系統(tǒng)裝備可靠性，為其工業(yè)應(yīng)用打好基礎(chǔ)。 2100433B

本項(xiàng)目以電力和冶金等行業(yè)輸配電系統(tǒng)電力電子節(jié)能和電能質(zhì)量控制需求為背景，研究適用于中壓大容量諧波治理和無功功率補(bǔ)償?shù)亩嗉壖壜?lián)式有源電力濾波器（Active Power Filter，APF）高可靠性控制的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)。擬通過理論分析、計(jì)算仿真以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等一系列工作，系統(tǒng)地研究多級級聯(lián)式APF懸浮電容電壓不均衡機(jī)理和規(guī)律，建立合理的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而提出包含大的電網(wǎng)電壓不對稱和大的負(fù)載電流不平衡下懸浮電容電壓均衡控制統(tǒng)一解決方案；對于輸出主要為諧波電流的級聯(lián)式APF，通過對特征信號的提取，建立故障診斷專家系統(tǒng)，對故障信號進(jìn)行分類與定位，實(shí)現(xiàn)功率器件故障的實(shí)時(shí)檢測和容錯(cuò)控制；研究低頻共模電壓形成機(jī)理及其抑制方法，利用功率平衡補(bǔ)償?shù)脑硐驕p弱低頻共模電壓帶來的不利影響。本項(xiàng)目研究內(nèi)容具有大的原始創(chuàng)新，將拓寬級聯(lián)式APF安全、穩(wěn)定、持續(xù)運(yùn)行區(qū)域和提高系統(tǒng)裝備可靠性，為其工業(yè)應(yīng)用打好基礎(chǔ)。

《級聯(lián)型多電平逆變器的SVPWM控制系統(tǒng)》共五章，主要內(nèi)容包括緒論、任意N級多電平逆變器的SVPWM控制及其簡化技術(shù)、級聯(lián)型多電平逆變器的過調(diào)制算法、多電平逆變器雙Y移30°PMSM的SVPWM算法及矢量控制系統(tǒng)、級聯(lián)型多電平逆變器裝置設(shè)計(jì)等。

《級聯(lián)型多電平逆變器的SVPWM控制系統(tǒng)》內(nèi)容翔實(shí)，創(chuàng)新性強(qiáng)，適于電力電子專業(yè)的研究生或工程技術(shù)人員閱讀。

如何提高電能質(zhì)量和治理諧波是輸配電技術(shù)中最迫切的問題之一，有源電力濾波器已成為解決這一問題的關(guān)鍵性技術(shù)。建立了三相三線制并聯(lián)型有源電力濾波器的數(shù)學(xué)模型，把檢測電源電流控制方式應(yīng)用于并聯(lián)型有源電力濾波器，通過仿真研究驗(yàn)證了此種控制方法可以有效地實(shí)現(xiàn)諧波的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，證明了該方法的可行性。

電流控制方式檢測電源電流控制方式的數(shù)學(xué)模型

檢測電源電流控制方式的等效電路圖和結(jié)構(gòu)圖中Z_s是電源內(nèi)阻抗，Z_HPF為高通濾波器阻抗。i_c為指令電流參考值，G_Z(s)為i_s與i_cL之間的傳遞函數(shù)；G(s)為校正環(huán)節(jié)，這種控制方式把產(chǎn)生諧振的傳遞函數(shù)G_Z(s)包括在閉環(huán)內(nèi)，選擇適當(dāng)?shù)?i>G(s)就可以抑制諧振，為了獲得良好的補(bǔ)償特性，G(s)應(yīng)有較大的放大倍數(shù)，以增大系統(tǒng)的開環(huán)增益，但放大倍數(shù)太大會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定，通常采用一階慣性微分環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為G(s)=KTs/(1 Ts)；G_I(s)為指令電流運(yùn)算電路的傳遞函數(shù)，放大倍數(shù)為-1；G_A(s)為補(bǔ)償電流發(fā)生器的傳遞函數(shù)，為時(shí)間常數(shù)很小的一階慣性環(huán)節(jié)。得到：i_cL=i_Li_c；I_s(s)=G_Z(s)·I_cL(s)；I_ch(s)=G(s)·G_I(s)·G_A(s)·I_s(s)。

電流控制方式并聯(lián)型有源電力濾波器的控制算法

通過電源電流控制方式實(shí)現(xiàn)諧波的檢測，為了實(shí)現(xiàn)逆變器對諧波電流的補(bǔ)償，需要控制逆變器使其輸出的能夠自動(dòng)跟蹤計(jì)算所得的參考電流，主要的控制方式有兩種，分別是電流跟蹤控制和電壓控制。電流控制主要有四種，分別是周期采樣控制、滯環(huán)比較控制、無差拍控制和三角載波線性控制。

1、周期采樣控制：此控制方法主要是根據(jù)有源電力濾波器輸出電流i_c與參考電流i_cref的比較結(jié)果在采樣脈沖的上升沿改變PWM脈沖的狀態(tài)。

2、滯環(huán)比較控制：此控制方法是將補(bǔ)償電流參考值i_cref與逆變器實(shí)際電流輸出值i_c之差Δi_c輸入到具有滯環(huán)特性的比較器，通過比較器的輸出來控制開關(guān)的開合，從而使逆變器輸出電流實(shí)時(shí)快速的跟蹤補(bǔ)償電流參考值。

3、無差拍控制：此控制方法是利用前一刻的補(bǔ)償電流參考值和實(shí)際電流值，計(jì)算下一刻的電流參考值及各種開關(guān)狀態(tài)下逆變器的電流輸出值，選擇某種開關(guān)模式作為下一刻的開關(guān)狀態(tài)，從而達(dá)到電流誤差等于零。但由于無差拍控制方法存在系統(tǒng)誤差與調(diào)制比對系統(tǒng)參數(shù)依賴性大、魯棒性差、瞬態(tài)響應(yīng)超調(diào)量大等缺點(diǎn)，因此在實(shí)際中不常用。

4 、三角載波線性控制：此控制方法是將檢測電流環(huán)節(jié)得到的電流實(shí)際值i_c與參考值i_cref之間的偏差與高頻三角載波比較，所得到的PWM脈沖作為逆變器各開關(guān)器件的控制信號，從而在逆變器端得到所需波形的電流。

三角載波是電壓型PWM逆變器中應(yīng)用較多的一種電流控制方式，這種控制方式可以獲得恒定的開關(guān)頻率，裝置安全性較高，鑒于此并聯(lián)型有源電力濾波器中PWM變流器采用三角載波控制算法。

電流控制方式檢測電源電流控制方式的可行性

采用檢測電源電流控制方式，逆變器采用三角載波控制算法，投入三相并聯(lián)型有源電力濾波器后的系統(tǒng)仿真波形。在0.02s之前系統(tǒng)電流存在諧波并且電壓和電流有相位差，0.02s后并聯(lián)型有源電力濾波器投入使用，經(jīng)補(bǔ)償系統(tǒng)電流相位和電網(wǎng)電壓相位基本一致，系統(tǒng)電流波形已接近正弦波，表明此控制策略的可行性。

級聯(lián)可以定義為兩臺或兩臺以上的交換機(jī)通過一定的方式相互連接，根據(jù)需要，多臺交換機(jī)可以以多種方式進(jìn)行級聯(lián)。在較大的局域網(wǎng)例如園區(qū)網(wǎng)(校園網(wǎng))中，多臺交換機(jī)按照性能和用途一般形成總線型、樹型或星型的級聯(lián)結(jié)構(gòu)。

城域網(wǎng)是交換機(jī)級聯(lián)的極好例子，目前各地電信部門已經(jīng)建成了許多地級市的寬帶IP城域網(wǎng)。這些寬帶城域網(wǎng)自上向下一般分為3個(gè)層次：核心層、匯聚層、接入層。核心層一般采用千兆以太網(wǎng)技術(shù)，匯聚層采用1000M/100M以太網(wǎng)技術(shù)，接入層采用100M/10M以太網(wǎng)技術(shù)，所謂"40G到大樓，萬兆到樓層，千兆到桌面"。

這種結(jié)構(gòu)的寬帶城域網(wǎng)實(shí)際上就是由各層次的許多臺交換機(jī)級聯(lián)而成的。核心交換機(jī)(或路由器)下連若干臺匯聚交換機(jī)，匯聚交換機(jī)下聯(lián)若干臺小區(qū)中心交換機(jī)，小區(qū)中心交換機(jī)下連若干臺樓宇交換機(jī)，樓宇交換機(jī)下連若干臺樓層(或單元)交換機(jī)(或集線器)。

交換機(jī)間一般是通過普通用戶端口進(jìn)行級聯(lián)，有些交換機(jī)則提供了專門的級聯(lián)端口(Uplink Port)。這兩種端口的區(qū)別僅僅在于普通端口符合MDIX標(biāo)準(zhǔn)，而級聯(lián)端口(或稱上行口)符合MDI標(biāo)準(zhǔn)。由此導(dǎo)致了兩種方式下接線方式不同：當(dāng)兩臺交換機(jī)都通過普通端口級聯(lián)時(shí)，端口間電纜采用交叉電纜(Crossover Cable)；當(dāng)且僅當(dāng)其中一臺通過級聯(lián)端口時(shí)，采用直通電纜(Straight Through Cable)。

為了方便進(jìn)行級聯(lián)，某些交換機(jī)上提供一個(gè)兩用端口，可以通過開關(guān)或管理軟件將其設(shè)置為MDI或MDIX方式。更進(jìn)一步，某些交換機(jī)上全部或部分端口具有MDI/MDIX自校準(zhǔn)功能，可以自動(dòng)區(qū)分網(wǎng)線類型，進(jìn)行級聯(lián)時(shí)更加方便。

用交換機(jī)進(jìn)行級聯(lián)時(shí)要注意以下幾個(gè)問題。原則上任何廠家、任何型號的以太網(wǎng)交換機(jī)均可相互進(jìn)行級聯(lián)，但也不排除一些特殊情況下兩臺交換機(jī)無法進(jìn)行級聯(lián)。交換機(jī)間級聯(lián)的層數(shù)是有一定限度的。成功實(shí)現(xiàn)級聯(lián)的最根本原則，就是任意兩節(jié)點(diǎn)之間的距離不能超過媒體段的最大跨度。多臺交換機(jī)級聯(lián)時(shí)，應(yīng)保證它們都支持生成樹(Spanning-Tree）協(xié)議，既要防止網(wǎng)內(nèi)出現(xiàn)環(huán)路，又要允許冗余鏈路存在。

進(jìn)行級聯(lián)時(shí)，應(yīng)該盡力保證交換機(jī)間中繼鏈路具有足夠的帶寬，為此可采用全雙工技術(shù)和鏈路匯聚技術(shù)。交換機(jī)端口采用全雙工技術(shù)后，不但相應(yīng)端口的吞吐量加倍，而且交換機(jī)間中繼距離大大增加，使得異地分布、距離較遠(yuǎn)的多臺交換機(jī)級聯(lián)成為可能。鏈路匯聚也叫端口匯聚、端口捆綁、鏈路擴(kuò)容組合，由IEEE802.3ad標(biāo)準(zhǔn)定義。即兩臺設(shè)備之間通過兩個(gè)以上的同種類型的端口并行連接，同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，以便提供更高的帶寬、更好的冗余度以及實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。鏈路匯聚技術(shù)不但可以提供交換機(jī)間的高速連接，還可以為交換機(jī)和服務(wù)器之間的連接提供高速通道。需要注意的是，并非所有類型的交換機(jī)都支持這兩種技術(shù)。