高可靠性级联式有源电力滤波器控制的研究

本项目以电力和冶金等行业输配电系统电力电子节能和电能质量控制需求为背景，研究适用于中压大容量谐波治理和无功功率补偿的多级级联式有源电力滤波器（Active Power Filter，APF）高可靠性控制的基础理论和关键技术。拟通过理论分析、计算仿真以及实验验证等一系列工作，系统地研究多级级联式APF悬浮电容电压不均衡机理和规律，建立合理的数学模型，进而提出包含大的电网电压不对称和大的负载电流不平衡下悬浮电容电压均衡控制统一解决方案；对于输出主要为谐波电流的级联式APF，通过对特征信号的提取，建立故障诊断专家系统，对故障信号进行分类与定位，实现功率器件故障的实时检测和容错控制；研究低频共模电压形成机理及其抑制方法，利用功率平衡补偿的原理消除或减弱低频共模电压带来的不利影响。本项目研究内容具有大的原始创新，将拓宽级联式APF安全、稳定、持续运行区域和提高系统装备可靠性，为其工业应用打好基础。

本项目以电力和冶金等行业输配电系统电力电子节能和电能质量控制需求为背景，通过理论分析、计算仿真以及实验验证等一系列工作，研究适用于中压大容量谐波治理和无功功率补偿的多级级联式有源电力滤波器（Active Power Filter，APF）高可靠性控制的基础理论和关键技术，得到如下研究结论和结果：1）对谐波、变换器损耗差异（包括功率器件通态和断态损耗、开关损耗、吸收回路损耗以及电容器自身损耗等）、电容器容量大小差异以及脉冲延时等因素影响多级级联式APF悬浮电容电压不均衡的机理进行分析，系统地研究多级级联式APF悬浮电容电压不均衡机理和规律。2）通过对级联式APF悬浮电容电压不均衡机理的分析，提出了级联式APF悬浮电容电压均衡控制统一解决方案，通过控制流过H桥单元电容上电流的大小、方向和作用时间，在不增加硬件成本条件下，使得电容电压上不均衡的能量内部流动，来维持电容电压均衡。3）对级联式APF开关管的开路和短路故障进行分析，通过对特征信号的提取，对故障信号进行定位，实现功率器件故障的实时检测和容错控制。4）研究了低频共模电压形成机理及其抑制方法，利用功率平衡补偿的原理消除或减弱低频共模电压带来的不利影响。5）搭建了多级级联式APF系统实验装置及其控制与故障诊断系统平台，并对所提出的控制方法和控制策略进行实验验证，实验结果表明本项目所提出的控制策略和控制方法的正确性和有效性。通过本项目的研究，将拓宽级联式APF安全、稳定、持续运行区域和提高系统装备可靠性，为其工业应用打好基础。