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基于飽和切換非線性控制的有源電力濾波器研發
來源：三門峽科技大市場 時間：2015-10-14 閱讀：14724
| 基于飽和切換非線性控制的有源電力濾波器研發的基本信息 | |||
| 項目名稱 | 基于飽和切換非線性控制的有源電力濾波器研發 | 公司名稱 | 濟南大學 |
| 注冊時間 | 注冊資本 | 萬元 | |
| 注冊地址 | |||
| 主營業務 | |||
| 管理團隊 | |||
| 項目主要情況描述 | |||
| 技術原理簡介 | 該項目從2008年研究至今，對有源電力濾波器的切換控制方法進行了系統研究，取得了可觀的研究成果，在項目研究期間，項目組先后發表學術論文16篇，申請發明專利6項。 項目前期，在單相有源電力濾波器的非線性切換控制研究中，針對線性控制策略造成的有源電力濾波器補償誤差，利用非線性動力學的切換系統理論，提出了一種APF切換控制的新方法。通過與傳統線性電壓控制策略進行仿真比較，結果驗證了該方法的合理性和有效性。在單相有源電力濾波器的非線性切換控制理論基礎上，結合APF的混雜特性和飽和非線性對系統穩定的影響，利用切換系統的特點研究了三相APF的飽和控制問題，通過引入切換系統和狀態飽和穩定性理論提出了APF建模和控制的新方法。 在前述研究基礎上，為了提高并聯型有源電力濾波器（Shunt Active Power Filter, SAPF）的電流跟蹤性能，提出一種基于空間矢量脈寬調制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）的并聯型有源電力濾波器的電流跟蹤控制算法。由于SAPF參考指令是電流值，而SVPWM參考指令是電壓值，因此，本研究根據電流電壓內在關系將SVPWM控制算法與SAPF的參考指令電流相結合，通過改變SVPWM調制方式減少功率器件的開關次數，從而降低功率器件的開關損耗，提高控制性能。 項目研究中期，在有源電力濾波器飽和切換控制以及空間矢量脈寬調制控制方法的基礎上，研究了將切換和空間電壓矢量控制算法相結合并應用于三相有源電力濾波器的方法。此外，考慮到飽和非線性對系統穩定的影響，該研究還將切換和空間電壓矢量控制相結合的算法應用于考慮飽和限幅的三相有源電力濾波器的控制當中。 在項目后期，先是針對基于李雅普諾夫的三相四開關APF切換控制方法進行了深入研究。該方法在復平面中進行控制，每個子系統確定一個誤差電流變化率矢量。首先判定誤差電流與每個誤差電流變化率間的夾角關系，然后切換合適的子系統以滿足穩定性理論。與三相四開關SVPWM調制算法相比，該算法省去了繁瑣的調制過程，仿真和實驗結果均驗證了控制算法的有效性。接下來，為了提升有源電力濾波器功率器件的可靠性，項目組在三相四開關有源電力濾波器以及混合有源電力濾波器的基礎上，提出了一種新型的有源電力濾波器拓撲結構，即三相四開關混合有源電力濾波器。并搭建了一臺實驗樣機，仿真和實驗均驗證了所提拓撲的有效性。 項目末期，項目組針對混合型有源濾波器的控制方法進行了更加深入的研究。基于backstepping的方法提出了一種應用于并聯型混合有源電力濾波器（SHAPF）的控制方法，仿真和實驗都驗證了該算法有良好的穩態以及動態補償效果。 成果創新性： 采用狀態反饋的切換控制，實現直流側電壓和電流補償的統一控制，省去了單獨的電壓控制環節，從而使系統簡單，避免了控制系統參數的整定。加入飽和非線性環節，解決了APF不具備對輸出補償電流的過載抑制能力，同時引入的狀態飽和穩定性設計，保證了系統的穩定性。 提出一種可抑制電壓畸變影響的諧波電流檢測方法，即改進的單位功率因數UPF（unite power factor）諧波電流檢測方法。此方法無需進行坐標變換，因此算法簡單，并且當負載發生變化時，也有很好的動態響應性能。為減少電壓畸變對系統的影響，將鎖相環引入了諧波電流檢測方法中，因此改進了UPF方法。 研究了空間矢量脈沖寬度調制SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation）方法。三相并聯型有源電力濾波器（SAPF）的參考指令是電流值而SVPWM參考指令是電壓值，因此提出了如何用SVPWM跟蹤控制SAPF補償電流參考值的方法，并且通過構造Lyapunov函數，分析了SVPWM控制的SAPF的穩定性。 研究了基于LCL濾波器的三相APF的SVPWM控制方法，并且根據基于LCL濾波器的SAPF的拓撲結構，找到了SVPWM的參考電壓和三相SAPF參考電流之間的關系。通過二者之間的關系式，將SVPWM控制算法應用于基于LCL濾波器的SAPF中。并且通過構造Lyapunov函數，依據Lyapunov相關定理，分析了SVPWM控制的基于LCL濾波器的SAPF的穩定性。 APF的非線性系統通過開關的控制可分為多個線性的動態子系統，成果將切換控制與空間電壓矢量控制方法結合起來，設計了一種簡單易行的算法。只需將三相電源電壓分為六個扇區，然后利用李雅普諾夫函數方法及全局漸進二次穩定理論，找出一個非常簡單的切換律，大大簡化了算法。該算法由于合理的運用零矢量，因此明顯的降低了逆變器的開關損耗。 在實際工程中，各個參數都有額定值的限制，因此均會受到飽和非線性的影響。基于實際工程中出現的問題，提出了一種新的考慮飽和限幅的三相APF的控制方法。根據Lyapunov相關定理、凸集理論、凸組合條件將切換控制和SVPWM控制方法相結合，為考慮飽和限幅的三相APF找到了一種新的、簡單的穩定性判據。該算法由于合理的應用零矢量，因此明顯的降低了逆變器的開關損耗。 通過詳細分析空間電壓矢量圖、誤差電流矢量以及誤差電流變化率矢量之間關系，把復平面引入到李雅普諾夫穩定性定理。在此基礎上提出了一種應用于具有容錯作用的三相四開關APF切換控制策略，并且設計了合理的直流側電壓保證了系統的穩定性。 針對三相四開關有源濾波器直流側電壓較高的缺點，考慮到無源濾波器和有源濾波器兩者的優點，對原有的三相四開關濾波器改進，提出了三相四開關混合濾波器。該型四開關APF直流側電容只需承受很小的電壓，改善了原來容錯四開關濾波器的不足，同時該拓撲也可作為混合六開關濾波器的一種容錯拓撲。 取得的知識產權： 一種單相并聯型有源電力濾波器的非線性切換控制方法，授權號201010260615.X 并聯型有源電力濾波器交流側電感值的確定方法，授權號201010260626.8 一種三相并聯型有源電力濾波器的飽和切換控制方法，申請號201310182664.X 三相并聯有源電力濾波器的空間矢量脈寬調制控制方法，申請號201310425795.6 基于李雅普諾夫的三相四開關APF切換控制方法，申請號201310462008.5 一種新的考慮飽和限幅的三相有源電力濾波器的控制方法，申請號201310700038.5 發表文章16篇 成果獨占性： 目前對APF控制策略的研究通常都是先進行線性化的處理，忽略非線性部分，然后再統一建模得到APF的周期平均模型。如無差拍控制、單周控制等控制方法都是基于周期平均模型提出的。但是APF是一類非線性切換系統，所以上述控制方法無法精確的獲得APF的運動規律，存在著參數依賴性嚴重、控制器實現復雜、有較長的時間延遲導致的補償效果不理想等問題。同時，APF的非線性系統通過開關的控制可分為多個線性的動態子系統。因此，成果在研究中將SVPWM控制算法與切換控制算法進行了結合，同時申請了專利保護，技術難度較高，難以獲取或復制。 在實際工程中，各個參數都有額定值的限制，因此均會受到飽和非線性的影響。若超過系統的額定值，傳統的處理方法是將設備切除或者設置設備以額定值運行。但是將設備切除成本較大，不經濟。若設置設備以額定值運行可能會使原本穩定的系統變得不穩定，并且產生新的平衡點以及極限環等。基于實際工程中出現的問題，成果在研究中設計了考慮飽和限幅的三相APF的切換控制方法，同時申請了專利保護，技術難度較高，難以獲取或復制。 成果盈利性： 該新型有源電力濾波器應用的被補償的諧波階次達到任意次，裝置效率大于等于0.95，補償效果大于總畸變的80%，不存在過載問題，當系統中諧波較大時仍可繼續運行。系統阻抗與頻率發生波動時，不會影響補償效果，不會產生諧振現象，且對外電路的諧振具有阻尼作用，相比傳統濾波裝置，性能顯著提高。 成果持續性： 項目先后針對單相有源電力濾波器的非線性切換控制方法到三相有源電力濾波器的飽和切換控制方法進行了深入研究。項目在單相有源電力濾波器的非線性切換控制研究中，針對線性控制策略造成的有源電力濾波器補償誤差，利用非線性動力學的切換系統理論，提出了一種APF切換控制的新方法，并進行了仿真實驗，經過APF補償后，電網電流已經近似補償成標準的正弦波形，補償電流幾乎完全跟蹤了指令電流。該初期研究階段的實驗結果已經達到了比較好的效果，為后續更高級別切換控制方法的研究及實驗的進行奠定了堅實的理論和實踐基礎。 項目組后期在切換控制研究基礎上，已經著手研究三相四開關混合有源電力濾波器的控制方法，并取得了可觀的成果。綜上所述，項目具備較強的技術儲備以及可持續創新能力及潛力。 成果先進性： 與國內外相關技術比較，應用切換控制方法的新型有源電力濾波器具備如下先進特點： 更高效率、更低損耗 12 脈波變流技術，電流跟蹤速度高、紋波低、損耗低 DSP 與FPGA 協同控制，響應時間在80uS 以內 諧波濾除率高，對目標諧波，有效濾除能力可達97% 同時濾除多達20 種諧波，最高可濾除至64 次諧波 精心設計的LCL 輸出濾波器，保證效率更高，損耗更低 更強適應能力 先進的切換控制算法，不需現場整定參數，保證系統在各種復雜現場的快速性和穩定性 先進的諧波電流檢測算法，能夠同時適用于三相三線APF 和三相四線APF，在電壓畸變和三相電流不平衡的情況下仍能有效工作 自動識別檢測電網容性電流，可與電容補償柜并聯運行，不會產生諧振 更多功能模式 可設定的諧波分次補償功能 諧波無功綜合補償，具有“濾除諧波與無功”、“只濾諧波”、“只補無功”三種工作模式，滿足各種配電系統補償需求 平衡補償功能，可平衡各相之間的負載電流 RS485 接口，標準MODBUS.RTU 通訊協議，計算機遠程監控功能 系統運行更加穩定可靠 光纖驅動，安全、可靠、抗干擾能力強 嚴格熱設計，確保系統運行安全可靠 FPGA 硬件邏輯保護，響應速度快，配合軟件保護，實現多重保護功能 輸出容量滿載后自動限流，無過載之憂 故障自診斷功能 歷史事件紀錄功能 功率密度更高，安裝維護更加簡單 變流器模塊化設計，功率密度高、安裝維護方便 輸出容量大，單機輸出容量可達600A 可以多機并聯運行，滿足各種補償容量需求 可選擇的源電流或負載電流檢測方式，便于現場安裝 綜上所述，該新型有源電力濾波器具備較強的市場推廣及替代優勢。 成熟度：08、產品級：批產合格、圖紙完備、工藝成熟 市場分析： 項目建設初期，項目組便走訪了多家煤礦、電力、石油等企業，對各個企業實際生產過程中的諧波分布情況進行了細致調研，分析了有源電力濾波器的主要的應用場景及其預期效果，指明了項目實施的具體細則，并與各個企業建立了比較好的協作生產試用關系，同時，與省內多家電力電子設備伙伴企業做了比較好的技術交流和技術推廣，獲得了比較好的技術應用企業群體。項目進入后期批量生產時，必定具備比較好的市場競爭力及核心市場占有率。考慮到產品的實際生產成本，利潤率可以達到百分之二十。 當前，在樓宇的變配電室裝設的固定諧波補償裝置仍遠遠滿足不了要求。即使如此，要達到當前發達國家的電能質量水平，我國仍需高速增長20年。因此，該領域產品發展潛力巨大。此外，該項目產品在礦產、紡織、電力、電信、機場等諧波場合均具備較強的應用前景。 因此，該產品具有極好的發展和拓展空間。 商業模式分析： 該項目產品價值鏈包括產品部件供貨商，包括柜體、電抗器、IGBT、電容器等電力電子元器件的生產及代理商；項目產品生產商；項目產品代理商；項目產品的應用客戶。在項目產品較好的應用效果及推廣前景下，客戶滿意度的不斷提高能夠促進項目產品性能的不斷升級，良好的應用口碑成為市場不斷拓展的助推器。反過來，不斷提高的銷售業績能夠反哺生產單位及供應商，形成一條持續運轉的價值產業鏈條。隨著該價值鏈的不斷運轉，該新型有源電力濾波器的產品價值將會不斷顯現，產品信息將會不斷傳播，有效促進應用范圍的不斷擴大。 營銷狀況： 作為電力電子研發單位，原有的客戶群體具備該新型有源電力濾波器的應用潛力，因此，該產品具備一定的基礎市場。但是，為了提高產品的應用范圍，有必要開拓一些新的市場，例如機場、電信、劇場等應用場所。 目前，項目產品是按照有源電力濾波器的常規市場定價機制進行定價并推廣，在保證價格與市場同類產品持平的前提下，有效提高產品的各項性能，提高客戶的實際應用效果。 該項目產品在礦產、紡織、電力、樓宇、電信、機場等諧波場合具備較強的應用前景，通過直接或者第三方代理的介入，能夠成功的打通銷售渠道。 產品生產初期，基本采用協議試用的推廣營銷模式，在客戶達到滿意后再正式采購，體現了對客戶利益的負責。目前的典型應用客戶包括：濟南臘山工業園區企業、天津大學微網實驗室等客戶。隨著產品的不斷成熟，產品的營銷模式也會不斷改進，逐步推進到常規營銷渠道。 擬采取的轉化方式：合作研發；技術許可 應用推廣的已投入情況：500萬元 資金需求額：1000萬元 | ||
| 關鍵技術線路 | |||
| 是否獲得國家及省市科技經費資助 | |||
| 資助名稱 | 資助金額 | 萬元 | |
| 行業歷史與前景 | |||
| 市場規模及增長趨勢 | |||
| 目標市場 | |||
| 行業競爭對手及本公司競爭優勢 | |||
| 業務模式 | |||
| 策略操作性和有效性 | |||
| 項目融資說明 | |||
| 項目計劃投資總額 | 萬元 | 新增投資額 | 萬元 |
| 資金來源 | 合作方式 | 合作 | |
| 固定資產投資額 | 萬元 | ||
| 流動資產投資額 | 萬元 | ||
| 資金使用方向細目 | |||
| 預計收益 | |||
| 項目建設期 | 年 | ||
| 聯系方式 | |||
| 聯系人 | 屈忠鋒 | 電話 | |
| 聯系地址 | 傳真 | ||
| E_mail | |||
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