有源电力滤波器选频次谐波补偿两个关键问题的改进研究

Abstract：Harmonic detection and current tracking of inverters are two key issues for the selective harmonic compensation of active power filters. The input observer is proposed for harmonic detection. By introducing the current as the input for a given dynamic unit, its harmonic detection problem is then transferred into a states estimation problem of a time variant system. A convergent observer is given to solve this problem to get accurate harmonics. The proposed method has the advantages of no limitation of topology, fast response and low computational complexity. Moreover, this method is robust to noise and fundamental frequency. The improvement of inverter current tracking problem is proposed from two aspects.1) the improvement in adaptive. The disturbance observer is integrated into the model predictive control scheme for inverter current tracking to cover the model mismatch from parameter uncertainty and sensorless situation.2) the improvement in stability. The stable current tracking control law of inverters is given by solving the practical stability controller design problem of an affine nonlinear system with finite set of inputs. In this study, the proposed methods are not only used to enhance the selective harmonic compensation effect of active power filters, but also used in grid-connected inverters, rectifiers and DC-DC converters.

快速同时提取各次谐波信息和准确的电流跟踪控制是APF选频次补偿的关键。通过输入观测器对谐波提取方法进行改进。设计一个以待测电流为输入的动态环节，将各次谐波提取问题转化为时变系统的状态观测问题。研究设计收敛的观测器，实现多次谐波的同时、准确提取。研究基频波动、噪声和观测器参数对收敛速度的影响。电流跟踪控制的改进包括1)研究将参数摄动和少传感器导致的信息缺失对APF的影响表征为特定形式的时变干扰量，设计收敛的观测器与模型预测控制器相级联，实现确保闭环稳定的APF自适应电流跟踪控制。2)从稳定性的角度出发，研究考虑切换速度受约束的APF电流跟踪控制方法。从理论上推导输入为有限集的仿射非线性系统在离散控制下的实用稳定控制律，揭示有限集的元素间隔和采样时间对实用稳定误差范围的影响。所提出的方法和思想被用于改善APF选频次补偿效果，还被用于改善并网和斩波电路的控制效果。

有源电力滤波器（APF）通过向电网注入与谐波相反的电流降低电网的THD，提升电能质量。相比于传统的全谐波补偿策略，选频次谐波补偿方案能更灵活的利用APF的容量。本项目对APF的选频次谐波补偿进行研究，提出了改进的谐波提取和电流补偿方法。.1）提出基于观测器技术的多次电流谐波同时快速提取方法。引入构造了以各次谐波分量为状态量的动态模型，设计了基于该模型的时变观测器并证明其收敛性。实验表明，在基频相角已知的情况下，该观测器能够同时提取各次谐波，具有不需要额外硬件、收敛速度快、计算量小、抗干扰性强且不受电路拓扑影响的优点。.2）给出了面向APF的自适应模型预测控制（MPC）方法。以逆变器为对象，揭示参数不准导致的模型偏差的动态特性，基于该特性设计了两类观测器。将观测器与MPC相结合构造了自适应MPC控制器，实现了变流器在参数不准或未知时的高性能控制。.3）将APF表征为输入有限集、切换速率受限的仿射线性系统，通过构造伴随系统和端点等价调制的方法，设计了面向直流供能型变流器的实用稳定控制律并推导了实用稳定误差限与各因素之间的数学关系。.扩展研究方面，自适应MPC方法被移植用于Boost斩波电路和级联型逆变器的电压调节；端点等价调制方法被移植用于Buck电路，确保控制律的实用稳定性。.综上，本研究从APF选频次谐波补偿的问题出发，凝练了三个共性问题加以研究，给出了一系列的建模、控制与观测器设计的改进方法，并从理论和实践两方面对所提出的改进进行验证，证实其可行性。研究表明，所提出的改进不仅能够用于改善有源电力滤波器的选频次电流补偿效果，还能扩展用于其他变流器。同时，本项目还为后续的研究，如基频波动时的谐波提取，变流器少传感器控制以及通用的变流器实用稳定控制提供了技术基础和一定的理论支撑。