三相四线制并联型有源电力滤波器的研究与设计

论文摘要

随着各种非线性电力电子装置的广泛应用,电力系统中的谐波和无功等电流污染问题日趋严重。有源电力滤波器(APF)作为一种动态抑制谐波和补偿无功的新型电力电子装置,具有广泛的应用前景。目前国内外对三相三线制系统的APF研究较多,但是随着三相四线制系统中的谐波和负载不平衡问题的日益突出,三相四线制系统APF的研究也已经成为一个热点问题。为此,本文结合三相四线制电力系统,深入研究了有源电力滤波器的两个关键技术：电流检测技术和电流跟踪控制技术,并对APF控制系统进行了软、硬件设计。(1)电流检测技术方面,本文在研究了三相三线制谐波检测算法的基础上,结合瞬时无功理论,基于能量和电流两个角度,详细推导了两种适用于三相四线制系统的电流检测方法,并归纳出应用步骤,设计了三相四线制的电流检测系统。仿真结果证明：在三相电压对称的情况下,以上方法能够精确的检测出谐波和无功电流,以及不平衡电流分量。同时,本文采取基波正序电压检测(基于定向旋转坐标)的策略,很好地解决了瞬时无功理论检测法在三相电压不对称情况下存在检测结果不准确的问题。(2)电流跟踪控制技术方面,由于空间矢量控制方法具有直流侧电压利用率高、纹波小、适于数字实现等优点,本文在研究和归纳了传统的二维空间矢量控制方法(只适用于三桥臂逆变器主电路系统)的基础上,结合四桥臂主电路,研究了基于三维空间矢量的控制方法,推导并归纳出其应用步骤。并且,通过对四桥臂APF系统在αβ0坐标下的系统建模,简化了中间运算步骤,实现指令电流对主电路的直接控制,将三维空间矢量的控制策略应用于三相四线制的APF系统。仿真结果证明：无论单独还是同时对谐波、无功以及三相不平衡电流进行补偿,该四桥臂APF系统均具有很好的性能,具有功能多样性。(3)基于以上的技术研究,本文对该三相四线制APF控制系统进行了软、硬件设计,并重点结合主DSP运算控制模块,给出了整体和中断程序流程图,介绍了控制系统的互感器模块、信号调理模块、A/D采样模块和驱动电路模块。另外,按照本文中归纳的应用步骤,通过DSP编程实现了基于能量的电流检测方法和三维空间矢量控制方法,结果证明：本文的三相四线制谐波检测方法和三维空间矢量控制方法均具有实用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 谐波治理的意义
• 1.1.1 谐波产生的原因
• 1.1.2 谐波的危害及治理意义
• 1.2 谐波的标准和治理措施
• 1.2.1 谐波的标准
• 1.2.2 谐波的治理措施
• 1.3 有源电力滤波技术的发展概况和国内外研究现状
• 1.3.1 有源电力滤波技术的发展概况
• 1.3.2 有源电力滤波技术的国内外研究现状
• 1.4 本文的主要工作
• 第2章 有源电力滤波器的研究
• 2.1 有源电力滤波器的分类
• 2.1.1 按储能元件分类
• 2.1.2 按与负载连接的拓扑结构分类
• 2.1.3 按应用场合和相数分类
• 2.1.4 三相四线制并联型有源电力滤波器的研究意义
• 2.2 并联型有源电力滤波器的系统构成
• 2.3 并联型有源电力滤波器的工作原理
• 2.4 主电路参数设计
• 2.5 本章小结
• 第3章 三相四线制并联型有源滤波器谐波检测方法的研究
• 3.1 常用的谐波检测方法
• 3.2 基于瞬时无功理论的谐波检测方法
• 3.2.1 三相四线制与三线制检测算法的差异与一致性
• 3.2.2 瞬时无功理论中基于能量的四线制谐波检测法
• 3.2.3 瞬时无功理论中基于电流的四线制谐波检测法
• 3.3 基于瞬时无功理论的谐波检测方法的改进
• 3.3.1 基于瞬时无功理论检测方法的改进原因
• 3.3.2 基于定向旋转坐标的基波正序电压检测方法
• 3.4 本章小结
• 第4章 三相四线制并联型有源滤波器电流跟踪控制方法的研究
• 4.1 常用的电流跟踪控制方法
• 4.2 二维空间矢量控制法
• 4.2.1 二维空间矢量控制法的原理
• 4.2.2 二维空间矢量控制法的应用步骤
• 4.3 三维空间矢量控制法
• 4.3.1 三维空间矢量控制方法中空间位置的划分
• 4.3.2 三维空间矢量控制方法的应用步骤
• 4.4 基于三维空间矢量的直接电流控制策略
• 4.4.1 基于三维空间矢量的直接电流控制策略的特点
• 4.4.2 四桥臂APF的系统建模
• 4.5 本章小结
• 第5章 系统仿真分析
• 5.1 概述
• 5.1.1 MATLAB/Simulink仿真软件介绍
• 5.1.2 仿真参数设定及系统仿真模型
• 5.2 基于瞬时无功理论的检测方法的仿真分析
• 5.2.1 基于能量的谐波检测法的仿真分析
• 5.2.2 基于电流的谐波检测法的仿真分析
• 5.2.3 基于改进的瞬时无功理论的检测方法的仿真分析
• 5.3 基于三维空间矢量控制方法的仿真分析
• 5.4 有源电力滤波器系统的设计与仿真分析
• 5.4.1 单独补偿谐波的仿真分析
• 5.4.2 单独补偿无功功率的仿真分析
• 5.4.3 单独补偿负载三相不平衡的仿真分析
• 5.4.4 同时补偿负载三相不平衡、谐波和无功的仿真分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 三相四线制APF控制系统的软硬件设计
• 6.1 APF控制系统的硬件结构和工作原理
• 6.2 APF控制系统的硬件设计
• 6.2.1 互感器模块
• 6.2.2 信号调理模块
• 6.2.3 A/D采样模块
• 6.2.4 DSP运算控制模块
• 6.2.5 驱动模块
• 6.3 APF控制系统的软件设计
• 6.3.1 主程序流程设计
• 6.3.2 中断程序流程设计
• 6.3.3 谐波检测算法中低通滤波器的设计
• 6.3.4 DSP中谐波检测方法的实现
• 6.3.5 DSP中三维空间矢量控制方法的实现
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢