基于耦合变压器的直流侧有源滤波器数字实现研究

论文摘要

谐波对供电质量及电网的可靠运行构成了极大的威胁。有源电力滤波器(Active Power Filter, APF),可以对大小和频率都变化的谐波进行补偿,能够解决无源滤波器滤波效果单一和系统阻抗特性变化等问题,已经成为最有效的谐波治理手段之一。在众多的谐波源当中,由整流类负载引起的最为普遍,对此有学者提出了直流侧APF的治理措施,其中直流侧串联型APF对于电容滤波的负载具有很好的谐波抑制作用。但是,传统的直流侧串联型APF没有与整流桥主电路隔离,存在着当输入电压等级升高时,APF储能电容及开关器件电压应力大等问题,本文针对此问题进行研究,做了以下工作。在介绍谐波的产生、危害、抑制方法以及有源电力滤波器的拓扑分类的基础上,分析了并联型APF和串联型APF的工作原理,论述了它们对不同性质谐波源的补偿特性。指出:传统的直流侧串联型APF没有与整流桥主电路隔离,APF储能电容电压高,这不仅使储能电容的额定值增大,提高电路成本,而且使APF的开关器件电压应力增加,降低电路的可靠性。针对上述问题,本文提出基于耦合变压器的直流侧串联型有源电力滤波器。该拓扑通过耦合变压器使直流侧APF与整流桥主电路隔离,并且通过调节变压器的变比能有效减小APF的储能电容电压和开关应力。通过对拓扑结构的工作原理和能量流向的分析,证明了基于耦合变压器的直流侧串联型APF的正确性。同时,仿真研究也证明了该拓扑的有效性。然后,将带变压器的单相直流侧串联型APF推广到三相系统,提出基于耦合变压器的三相直流侧串联型APF,分析了其工作原理并进行仿真研究。最后,针对传统模拟控制电路复杂、调试困难、算法与参数调整不方便等问题,研究了直流侧串联型APF的数字实现方法。以TMS320F2812 DSP为控制芯片,研制了一台容量约为100VA的带耦合变压器的单相直流侧串联型APF样机,对硬件系统及软件系统进行了设计。对实验样机进行了调试,实验结果验证了基于耦合变压器的直流侧串联型APF采用全数字控制,不仅能实现对整流类负载的谐波补偿,而且降低了储能电容电压,提高了系统的抗干扰能力和控制的稳定性。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 谐波基本问题
• 1.1.1 谐波的概念
• 1.1.2 谐波的产生与危害
• 1.2 谐波抑制技术
• 1.2.1 高功率因数变流器
• 1.2.2 无源电力滤波器
• 1.2.3 有源电力滤波器
• 1.3 有源电力滤波器的拓扑分类
• 1.3.1 交流侧APF
• 1.3.2 直流侧APF
• 1.4 有源电力滤波器的数字控制实现
• 1.4.1 数字模拟混合控制系统
• 1.4.2 全数字控制系统
• 1.5 本文研究的主要内容
• 2 直流侧串联型 APF 新拓扑的提出及仿真研究
• 2.1 并联型APF 及串联型APF
• 2.2 直流侧APF
• 2.2.1 直流侧并联型APF
• 2.2.2 直流侧串联型APF
• 2.3 新型直流侧串联型APF
• 2.3.1 电路拓扑
• 2.3.2 原理分析
• 2.3.3 控制策略
• 2.4 仿真研究
• 2.4.1 未加APF 时的仿真
• 2.4.2 加入新型直流侧APF 的仿真及比较研究
• 2.5 本章小结
• 3 带耦合变压器的三相 DC 侧串联型 APF 及仿真研究
• 3.1 电路拓扑
• 3.2 原理分析
• 3.3 控制策略
• 3.4 仿真研究
• 3.5 本章小结
• 4 基于 DSP 的 DC 侧串联型 APF 硬件设计
• 4.1 硬件系统总体构成
• 4.2 主电路参数选择
• 4.2.1 储能电容的选取
• 4.2.2 电感的选取
• 4.2.3 耦合变压器的选取
• 4.2.4 其它器件的选取
• 4.3 中央处理器 TMS320F2812
• 4.3.1 ADC 模块
• 4.3.2 PWM 模块
• 4.4 电压电流检测电路
• 4.4.1 电流采样及调理电路
• 4.4.2 电压采样及调理电路
• 4.5 驱动电路
• 4.6 本章小结
• 5 基于 DSP 的 DC 侧串联型 APF 软件设计
• 5.1 软件开发环境
• 5.2 主程序流程
• 5.3 DSP 初始化配置
• 5.3.1 系统初始化
• 5.3.2 ADC 模块初始化
• 5.4 中断程序
• 5.4.1 ADC 采样中断子程序
• 5.4.2 驱动保护中断程序
• 5.5 直流侧电压PID 控制
• 5.6 PWM 信号的产生
• 5.7 实验结果及分析
• 5.8 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 对后续工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A 作者在攻读硕士学位期间发表的论文
• B 作者在攻读硕士学位期间承担的课题