新型无差拍控制赋能并联型APF：理论、实践与性能突破.docxVIP

新型无差拍控制赋能并联型APF：理论、实践与性能突破

一、引言

1.1研究背景与意义

随着现代工业技术的迅猛发展，各种非线性和时变性电子装置，如逆变器、整流器及各种开关电源等被大规模应用，这使得电网谐波污染问题日益严峻。谐波作为电力系统中的一种有害成分，其频率为基波频率的整数倍，通常是50Hz电网系统基波频率的第二、第三、第四、第五、第六倍等。这些谐波会对公用电网产生诸多不良影响，严重威胁到供电质量和用户使用的安全性。

谐波对电力系统和电力设备有着严重危害。在电力电容器方面，电网存在谐波时，投入电容器会导致其端电压增大，电流增加更明显，使电容器损耗功率大幅上升。膜纸复合介质电容器在有谐波时损耗功率可达无谐波时的1.38倍，全膜电容器则为1.43倍。若谐波含量过高，超出电容器允许条件，就会造成电容器过电流和过负荷，异常发热，加速绝缘介质老化，甚至引发故障。对电力电缆而言，谐波次数高频率上升，加上电缆导体截面积越大趋肤效应越明显，导致导体交流电阻增大，允许通过电流减小。而且，电缆的电阻、系统母线侧及线路感抗与系统串联，提高功率因数用的电容器及线路的容抗与系统并联，在一定数值的电感与电容下可能发生谐振，影响电缆正常运行。

在电力变压器方面，谐波会使变压器铜耗和铁耗都增大。铜耗增大包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗的增加；铁耗增大主要表现在铁心中磁滞损耗增加，电压波形越差，磁滞损耗越大。这不仅要减少变压器的实际使用容量，还会导致变压器噪声增大，铁心的磁致伸缩引起的振动噪声随着谐波次数增加，在1KHZ左右的成分使混杂噪声增加，有时还会发出金属声，影响变压器的正常运行和使用寿命。在用电设备方面，对电动机的危害尤为突出，谐波会增加电动机的附加损耗，降低效率，严重时使电动机过热。负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场，形成与电动机旋转方向相反的转矩，起制动作用，减少电动机的出力。当谐波电流频率接近电动机某零件的固有频率时，还会使电动机产生机械振动，发出很大噪声。

在弱电系统设备方面，电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到计算机网络、通信、有线电视、报警与楼宇自动化等弱电设备中，产生干扰。电感应与静电感应的耦合强度与干扰频率成正比，传导则通过公共接地耦合，大量不平衡电流流入接地极，干扰弱电系统的正常工作，影响信息传输的准确性和稳定性。谐波还会影响电力测量的准确性，目前常用的磁电型和感应型电力测量仪表受谐波影响较大，尤其是感应型电能表，当谐波较大时会产生计量混乱，测量不准确，给电力计费和电力管理带来困难。

有源电力滤波器（APF）作为一种用于动态抑制谐波、补偿无功功率的新型电力电子装置，在电网的谐波治理与无功补偿方面具有重要作用。与传统的无源滤波器相比，APF具有突出的优点。它能对各次谐波和分数谐波均能有效地抑制，同时提高功率因数，改善电网的电能质量；系统阻抗和频率发生波动时，其补偿效果不受影响，能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，适应性强；不会产生谐振现象，还能抑制由于外电路的谐振产生的谐波电流的变化，提高电网运行的稳定性；用一台装置就可以实现对各次谐波和基波无功功率的补偿，功能集成度高；不存在过载问题，当线路中的谐波快速提高时，APF仍能正常运行，无需与系统完全分割，可靠性高。

在APF的控制方法中，无差拍控制是基于被控对象数学模型的控制方法，理论上具有无限的带宽，因此具有很高的动态响应速度，近年来得到了广泛的关注和研究。然而，在实际的算法实现过程中，无差拍控制受到信号采样、处理和执行等过程时延的影响，实际上是差一拍控制，这在一定程度上限制了其性能的发挥。传统的无差拍控制方法在面对负载突变等情况时，存在指令数据偏差大、动态特性差等问题，导致谐波补偿效果不理想。因此，研究新型无差拍控制方法对于提升并联型APF的性能具有关键作用。

本研究旨在深入探讨基于新型无差拍控制的并联型APF，通过对新型无差拍控制算法的研究和优化，提高APF对谐波电流的跟踪控制能力，增强其动态响应速度和补偿精度，从而更有效地治理电网谐波污染，提高电能质量，保障电力系统的安全、稳定、高效运行。这对于促进电力工业的可持续发展，满足现代工业和社会对高质量电能的需求具有重要的现实意义。

1.2国内外研究现状

随着电力电子技术的飞速发展，有源电力滤波器（APF）作为一种高效的谐波治理设备，在国内外得到了广泛的研究和应用。而无差拍控制作为APF的一种重要控制方法，也成为了研究的热点。

在国外，对无差拍控制和APF的研究开展较早。早期的研究主要集中在理论分析和模型建立上，随着计算机技术和控制理论的不断进步，研究逐渐向实际应用和优化控制方向发展。一些学者通过对无差拍控