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基于饱和切换非线性控制的有源电力滤波器研发

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该项目从2008年研究至今,对有源电力滤波器的切换控制方法进行了系统研究,取得了可观的研究成果,在项目研究期间,项目组先后发表学术论文16篇,申请发明专利6项。

项目前期,在单相有源电力滤波器的非线性切换控制研究中,针对线性控制策略造成的有源电力滤波器补偿误差,利用非线性动力学的切换系统理论,提出了一种APF切换控制的新方法。通过与传统线性电压控制策略进行仿真比较,结果验证了该方法的合理性和有效性。在单相有源电力滤波器的非线性切换控制理论基础上,结合APF的混杂特性和饱和非线性对;系统稳定的影响,利用切换系统的特点研究了三相APF的饱和控制问题,通过引入切换系统和状态饱和稳定性理论提出了APF建模和控制的新方法。

在前述研究基础上,为了提高并联型有源电力滤波器(Shunt Active Power Filter, SAPF)的电流跟踪性能,提出一种基于空间矢量脉宽调制( Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)的并联型有源电力滤波器的电流跟踪控制算法。由于SAPF参考指令是电流值,而SVPWM参考指令是电压值,因此本研究根据电流电压内在关系将SVPWM控制算法与SAPF的参考指令电流相结合,通过改变SVPWM调制方式减少功率器件的开关次数,从而降低功率器件的开关损耗,提高控制性能。

项目研究中期,在有源电力滤波器饱和切换控制以及空间矢量脉宽调制控制方法的基础上,研究了将切换和空间电压矢量控制算法相结合并应用于三相有源电力滤波器的方法。此外,考虑到饱和非线性对系统稳定的影响,该研究还将切换和空间电压矢量控制相结合的算法应用于考虑饱和限幅的三相有源电力滤波器的控制当中。

在项目后期,先是针对基于李雅普诺夫的三相四开关APF切换控制方法进行了深入研究。该方法在复平面中进行控制,每个子系统确定一个误差电流变化率矢量。首先判定误差电流与每个误差电流变化率间的夹角关系,然后切换合适的子系统以满足稳定性理论。与三相四开关SVPWM调制算法相比,该算法省去了繁琐的调制过程,仿真和实验结果均验证了控制算法的有效性。接下来,为了提升有源电力滤波器功率器件的可靠性,项目组在三相四开关有源电力滤波器以及混合有源电力滤波器的基础上,提出了一种新型的有源电力滤波器拓扑结构,即三相四开关混合有源电力滤波器。并搭建了一台实验样机,仿真和实验均验证了所提拓扑的有效性。

项目末期,项目组针对混合型有源滤波器的控制方法进行了更加深入的研究。基于backstepping的方法提出了一种应用于并联型混合有源电力滤波器(SHAPF)的控制方法,仿真和实验都验证了该算法有良好的稳态以及动态补偿效果。