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，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。 2100433B

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。

《级联型多电平逆变器的SVPWM控制系统》共五章，主要内容包括绪论、任意N级多电平逆变器的SVPWM控制及其简化技术、级联型多电平逆变器的过调制算法、多电平逆变器双Y移30°PMSM的SVPWM算法及矢量控制系统、级联型多电平逆变器装置设计等。

《级联型多电平逆变器的SVPWM控制系统》内容翔实，创新性强，适于电力电子专业的研究生或工程技术人员阅读。

如何提高电能质量和治理谐波是输配电技术中最迫切的问题之一，有源电力滤波器已成为解决这一问题的关键性技术。建立了三相三线制并联型有源电力滤波器的数学模型，把检测电源电流控制方式应用于并联型有源电力滤波器，通过仿真研究验证了此种控制方法可以有效地实现谐波的动态补偿，证明了该方法的可行性。

电流控制方式检测电源电流控制方式的数学模型

检测电源电流控制方式的等效电路图和结构图中Z_s是电源内阻抗，Z_HPF为高通滤波器阻抗。i_c为指令电流参考值，G_Z(s)为i_s与i_cL之间的传递函数；G(s)为校正环节，这种控制方式把产生谐振的传递函数G_Z(s)包括在闭环内，选择适当的G(s)就可以抑制谐振，为了获得良好的补偿特性，G(s)应有较大的放大倍数，以增大系统的开环增益，但放大倍数太大会使系统不稳定，通常采用一阶惯性微分环节，其传递函数为G(s)=KTs/(1 Ts)；G_I(s)为指令电流运算电路的传递函数，放大倍数为-1；G_A(s)为补偿电流发生器的传递函数，为时间常数很小的一阶惯性环节。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)。

电流控制方式并联型有源电力滤波器的控制算法

通过电源电流控制方式实现谐波的检测，为了实现逆变器对谐波电流的补偿，需要控制逆变器使其输出的能够自动跟踪计算所得的参考电流，主要的控制方式有两种，分别是电流跟踪控制和电压控制。电流控制主要有四种，分别是周期采样控制、滞环比较控制、无差拍控制和三角载波线性控制。

1、周期采样控制：此控制方法主要是根据有源电力滤波器输出电流i_c与参考电流i_cref的比较结果在采样脉冲的上升沿改变PWM脉冲的状态。

2、滞环比较控制：此控制方法是将补偿电流参考值i_cref与逆变器实际电流输出值i_c之差Δi_c输入到具有滞环特性的比较器，通过比较器的输出来控制开关的开合，从而使逆变器输出电流实时快速的跟踪补偿电流参考值。

3、无差拍控制：此控制方法是利用前一刻的补偿电流参考值和实际电流值，计算下一刻的电流参考值及各种开关状态下逆变器的电流输出值，选择某种开关模式作为下一刻的开关状态，从而达到电流误差等于零。但由于无差拍控制方法存在系统误差与调制比对系统参数依赖性大、鲁棒性差、瞬态响应超调量大等缺点，因此在实际中不常用。

4 、三角载波线性控制：此控制方法是将检测电流环节得到的电流实际值i_c与参考值i_cref之间的偏差与高频三角载波比较，所得到的PWM脉冲作为逆变器各开关器件的控制信号，从而在逆变器端得到所需波形的电流。

三角载波是电压型PWM逆变器中应用较多的一种电流控制方式，这种控制方式可以获得恒定的开关频率，装置安全性较高，鉴于此并联型有源电力滤波器中PWM变流器采用三角载波控制算法。

电流控制方式检测电源电流控制方式的可行性

采用检测电源电流控制方式，逆变器采用三角载波控制算法，投入三相并联型有源电力滤波器后的系统仿真波形。在0.02s之前系统电流存在谐波并且电压和电流有相位差，0.02s后并联型有源电力滤波器投入使用，经补偿系统电流相位和电网电压相位基本一致，系统电流波形已接近正弦波，表明此控制策略的可行性。

级联可以定义为两台或两台以上的交换机通过一定的方式相互连接，根据需要，多台交换机可以以多种方式进行级联。在较大的局域网例如园区网(校园网)中，多台交换机按照性能和用途一般形成总线型、树型或星型的级联结构。

城域网是交换机级联的极好例子，目前各地电信部门已经建成了许多地级市的宽带IP城域网。这些宽带城域网自上向下一般分为3个层次：核心层、汇聚层、接入层。核心层一般采用千兆以太网技术，汇聚层采用1000M/100M以太网技术，接入层采用100M/10M以太网技术，所谓"40G到大楼，万兆到楼层，千兆到桌面"。

这种结构的宽带城域网实际上就是由各层次的许多台交换机级联而成的。核心交换机(或路由器)下连若干台汇聚交换机，汇聚交换机下联若干台小区中心交换机，小区中心交换机下连若干台楼宇交换机，楼宇交换机下连若干台楼层(或单元)交换机(或集线器)。

交换机间一般是通过普通用户端口进行级联，有些交换机则提供了专门的级联端口(Uplink Port)。这两种端口的区别仅仅在于普通端口符合MDIX标准，而级联端口(或称上行口)符合MDI标准。由此导致了两种方式下接线方式不同：当两台交换机都通过普通端口级联时，端口间电缆采用交叉电缆(Crossover Cable)；当且仅当其中一台通过级联端口时，采用直通电缆(Straight Through Cable)。

为了方便进行级联，某些交换机上提供一个两用端口，可以通过开关或管理软件将其设置为MDI或MDIX方式。更进一步，某些交换机上全部或部分端口具有MDI/MDIX自校准功能，可以自动区分网线类型，进行级联时更加方便。

用交换机进行级联时要注意以下几个问题。原则上任何厂家、任何型号的以太网交换机均可相互进行级联，但也不排除一些特殊情况下两台交换机无法进行级联。交换机间级联的层数是有一定限度的。成功实现级联的最根本原则，就是任意两节点之间的距离不能超过媒体段的最大跨度。多台交换机级联时，应保证它们都支持生成树(Spanning-Tree）协议，既要防止网内出现环路，又要允许冗余链路存在。

进行级联时，应该尽力保证交换机间中继链路具有足够的带宽，为此可采用全双工技术和链路汇聚技术。交换机端口采用全双工技术后，不但相应端口的吞吐量加倍，而且交换机间中继距离大大增加，使得异地分布、距离较远的多台交换机级联成为可能。链路汇聚也叫端口汇聚、端口捆绑、链路扩容组合，由IEEE802.3ad标准定义。即两台设备之间通过两个以上的同种类型的端口并行连接，同时传输数据，以便提供更高的带宽、更好的冗余度以及实现负载均衡。链路汇聚技术不但可以提供交换机间的高速连接，还可以为交换机和服务器之间的连接提供高速通道。需要注意的是，并非所有类型的交换机都支持这两种技术。