基于FPGA的并联型有源电力滤波器关键技术研究

论文摘要

随着电力系统中诸如整流器、逆变器等非线性负载的大量增加,谐波污染及无功功率问题已变得越来越严重。有源电力滤波器是一种重要的谐波抑制与无功补偿的装置。尽管有源电力滤波器的基本理论已经非常成熟,但只有当电力电子技术与微电子技术取得新的进展时,有源电力滤波器的实际开发才变为可能。由于安装及维护方便,并联型有源电力滤波器已经成为有源电力滤波器实际应用中的主流。目前,针对并联型有源电力滤波器的研究主要集中在参考补偿检测与电流跟踪控制策略。本文对应用于电梯行业的并联型有源电力滤波器进行系统深入的研究。瞬时无功功率理论在有源电力滤波器的研制过程中起到了非常重要的作用。本文对时域中的经典功率理论进行简要回顾,并对瞬时无功功率理论及其物理意义进行深入分析。为避免基于瞬时无功功率理论的电流检测算法受畸变电压的影响,本文引入选择性带通滤波器（SBPF）,并深入分析其频谱特性与动态响应性能。由此得出的参考电流检测算法能无延时地确定需要补偿的参考电流,并且不需要锁相环与低通滤波器。依据并联型有源电力滤波器的数学模型,分析开关函数及交流侧输出电压的频谱。基于实测数据,对并联型有源电力滤波器直流侧电压值选取与交流侧电感值选取进行分析。并且,为抑制与开关频率有关的高频谐波,对高频滤波电容的选取进行讨论。实时、精确的参考补偿电流提取算法与电流跟踪控制策略是并联型有源电力滤波器的关键技术之一。本文采用FPGA设计并联型有源电力滤波器的控制电路,主要包括模／数转换控制模块、参考电流计算模块及电流跟踪控制模块。最后,通过Cyclone III DK-DSP-3C120N-0D开发套件,对本文设计的控制系统进行了实验验证。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 谐波的定义、产生、危害及治理
• 1.1.1 谐波的定义
• 1.1.2 谐波的产生及危害
• 1.1.3 谐波治理
• 1.2 现代有源电力滤波器的发展概况
• 1.2.1 有源电力滤波器的发展历史
• 1.2.2 有源电力滤波器的基本结构
• 1.2.3 有源电力滤波器的基本原理
• 1.2.4 有源电力滤波器的补偿控制实现策略
• 1.3 并联型有源电力滤波器的特殊优势及实用化关键技术
• 1.3.1 并联型有源电力滤波器的优势及发展前景
• 1.3.2 并联型有源电力滤波器的实用化关键技术
• 1.4 本文的结构及主要工作
• 第2章 功率理论及谐波与无功电流检测技术
• 2.1 功率理论:背景情况
• 2.1.1 Fryze的功率定义
• 2.1.2 Buchholz和Depenbrock对Fryze功率定义的扩展
• 2.2 p-q理论
• 2.2.1 三相三线制系统中的p-q理论
• 2.2.2 三相四线制系统中的p-q理论
• 2.3 谐波与无功电流检测关键技术
• 2.3.1 选择性带通滤波器（SBPF）
• 2.3.2 本文所用的参考补偿电流提取算法
• 2.4 本章小结
• 第3章 并联有源电力滤波器数学模型及主电路参数设计
• 3.1 三相三线并联型有源电力滤波器的数学模型及交流侧输出电压频谱
• 3.2 直流侧电容电压选取
• 3.3 交流侧电感值选取
• 3.3.1 特定负载谐波电流分析
• 3.3.2 电感值设计
• 3.4 高频滤波电容设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于FPGA的控制系统设计
• 4.1 控制系统的功能结构
• 4.2 控制系统的模块化设计
• 4.2.1 数据采集模块设计
• 4.2.2 参考补偿电流计算及电压转换模块设计
• 4.2.3 空间电压矢量调制模块设计
• 4.2.4 本章小结
• 第5章 系统编译及仿真分析
• 5.1 主要仿真参数设定及说明
• 5.2 算法级仿真
• 5.3 系统编译及硬件环（HIL）仿真
• 5.3.1 仅补偿谐波电流分量
• 5.4 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文