三相四桥臂有源电力滤波器的控制与实验研究

论文摘要

三相四桥臂有源电力滤波器具有内在处理不平衡电流的能力,可以补偿三相四线系统中负序和零序谐波电流。本文首先建立了三相四桥臂有源电力滤波器在a-b-c和d-q-0坐标系下的数学模型,提出了d-q-0坐标下的交叉解耦和电网电压前馈的控制策略。针对三相四桥臂有源电力滤波器的结构特点,采用三维空间矢量调制策略。详细介绍了基于a-b-c坐标系的三维空间矢量调制的原理和数字控制算法实现。理论分析和仿真验证表明,三维空间矢量调制与传统的SPWM调制相比,直流电压利用率更高,谐波含量却较低,且随着微处理器的发展,算法执行时间也是完全可以接受的。谐波指令提取和电流跟踪控制是有源电力滤波器的两大关键技术。针对三相四线制系统不同负载场合,提出了基于同步坐标变换的d-q-0检测法和基于离散傅立叶变换的谐波提取算法,二者混合使用,可实现不同负载下的灵活补偿。分析了三相四桥臂有源电力滤波器的控制目标和任务,得到了d-q-0坐标下的电压外环、电流内环控制框图。详细介绍了电压环和电流环的数字PI控制器的参数设计过程和结果。理论分析表明,单纯的PI控制在有源电力滤波器的电流跟踪控制中,不可能无静差,且随着电流谐波频率的升高,补偿性能越差,甚至完全失去谐波补偿的能力。为减小稳态误差,引入了重复控制,提出了电流环PI控制和重复控制并联的复合控制策略,详细介绍了重复控制器的结构、设计和稳定性分析,并给出了复合控制系统的参数设计过程和结果。理论分析表明,电流环PI控制和重复控制并联的复合控制策略,稳态精度高,动态响应也较快。通过Matlab仿真软件对三相四桥臂有源电力滤波器的拓扑结构、调制方式、指令提取、控制策略和补偿性能进行了详细分析验证。仿真结果与理论基本一致。最后,搭建三相四桥臂有源电力滤波器的实验台架,详细介绍了主电路和控制电路的设计过程和结果。采用TI公司的数字信号处理器TMS320F2812作为控制芯片,编写C语言控制程序,完成了系统实验。实验结果较好的验证了理论及仿真分析的正确性,并得出结论:基于三维空间矢量调制与PI和重复控制的三相四桥臂有源电力滤波器,稳态补偿精度高,补偿后的系统电流THD可由补偿前的28.898%降低到补偿后的3.722%,且动态响应也较快,响应时间约40ms,补偿性能良好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 背景及研究意义
• 1.2 工作原理和拓扑结构
• 1.3 三相四桥臂有源电力滤波器的控制策略
• 1.4 本文研究内容
• 2 系统数学模型与分析
• 2.1 系统结构与数学模型的建立
• 2.2 坐标变换与 dq0 坐标下数学模型
• 2.3 前馈与解耦控制
• 2.4 本章小节
• 3 三维空间矢量调制原理
• 3.1 a-b-c 坐标系下的三维空间矢量调制原理
• 3.2 三维空间矢量调制仿真验证
• 3.3 SVPWM 与SPWM 调制策略的比较分析
• 3.4 本章小结
• 4 系统控制器分析与设计
• 4.1 三相四线系统谐波指令的获取
• 4.2 系统控制目标分析与控制框图的获得
• 4.3 数字PI 控制器的设计
• 4.4 重复控制器的分析与设计
• 4.5 基于PI 控制和重复控制并联的复合控制器
• 4.6 本章小节
• 5 系统仿真分析与验证
• 5.1 谐波指令提取
• 5.2 系统仿真模型的建立
• 5.3 系统仿真结果与分析
• 5.4 本章小节
• 6 系统实验设计与结果
• 6.1 系统硬件电路设计
• 6.2 系统软件设计
• 6.3 实验结果与分析
• 6.4 实验中遇到的问题及解决方案
• 6.5 本章小节
• 7 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读硕士学位期间主要成果