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基于DSP的三相四桥臂有源滤波器的研究

作　者: 叶梦云
导　师: 夏明超
学　校: 北京交通大学
专　业: 电气工程
关键词: 谐波补偿三相四桥臂有源滤波器 PI-DFR 双环软启动特定次谐波 DSP28335
分类号: TN713.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

随着电力电子技术的飞快发展,大量非线性负荷迅速增加,造成电网中低功率因数、谐波、电压波形畸变、电压波动和闪变以及三相不平衡等电能质量问题日益严重。当前,谐波抑制和无功功率补偿已经成为电力电子技术和电力系统等领域面临的重大课题。有源电力滤波器(Active Power Filter, APF)是一种新型的电力电子设备,可以动态地抑制谐波和补偿无功,且具有高度的可控性和快速响应能力。本文以三相四桥臂有源滤波器为研究对象,进行了理论分析、仿真以及实验验证。首先,本文介绍了电力系统谐波产生的原因、危害及目前较常用的治理方法。随后总结了有源滤波器国内外研究现状、拓扑结构、谐波检测算法和电流控制算法等。相对其它拓扑有源滤波器,三相四桥臂有源滤波器可以更好地补偿电网中的三相不平衡问题,本文选其为研究对象,建立数学模型,为后文的工作奠定了基础。其次,本文分析了常用的三相四线制实时谐波检测算法的检测原理和特点,进行了仿真分析和比较。仿真分析表明,abc检测算法和ip-iq-0检测算法的检测精度受电网电压畸变影响较小。abc检测算法可以省略多次的矩阵变换,通过构造不同的正交坐标基,可实现特定次谐波及不平衡分量的检测,通过采用改进的PLL,即使在非理想电网电压的情况下,该算法也具有很好的谐波检测效果。然后,本文结合PI控制器和PR控制器可分别实现无静差地跟踪直、交流参考量的特性,提出了基于αβ坐标系比例-积分-双频谐振(PI-DFR)的控制策略,其具有较强的谐波补偿能力。针对直流侧电压控制策略,采用特定次谐波电流检测方式,有效地减小了负载变化引起的直流侧电压波动。尤其,针对启动过程补偿电流和电压的过冲,通过采用双环软启动的方法削弱了尖端脉冲问题。仿真实验的结果验证了本文控制策略的正确性和有效性。基于DSP28335芯片,本课题研制了一台220V/20A三相四桥臂有源滤波器样机。实验表明,本文提出的谐波检测算法、电流控制算法和直流侧电容电压控制算法有效可靠,具有较好的工程应用价值。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-7
ABSTRACT  7-12
1 绪论  12-20
  1.1 电力系统中谐波和无功的产生  12
  1.2 电力系统中谐波和无功的危害  12-13
    1.2.1 谐波的危害  12-13
    1.2.2 无功的影响  13
  1.3 谐波的基本概念和谐波抑制标准  13-16
    1.3.1 谐波的基本概念  13-15
    1.3.2 谐波抑制标准  15-16
  1.4 谐波的抑制和补偿  16-17
  1.5 APF国内外的研究现状  17-18
  1.6 本文主要研究内容与工作  18-20
2 三相四桥臂APF的基本原理和数学模型  20-32
  2.1 APF谐波补偿原理  20-21
  2.2 APF的基本结构  21-24
    2.2.1 并联型APF的拓扑结构  21
    2.2.2 串联型APF的拓扑结构  21-22
    2.2.3 APF+PPF混合型滤波器  22
    2.2.4 串并联型APF  22-24
  2.3 三相四桥臂APF的数学模型  24-27
  2.4 APF的谐波电流检测算法  27-28
  2.5 APF的电流控制算法  28-30
  2.6 本章小结  30-32
3 三相四桥臂APF谐波电流检测算法  32-58
  3.1 谐波和无功电流检测算法现状  32
  3.2 三相四线制谐波检测算法  32-40
    3.2.1 pq0谐波电流检测法  32-34
    3.2.2 pqr谐波电流检测法  34-36
    3.2.3 ip-iq-0谐波电流检测法  36-37
    3.2.4 dq0同步旋转坐标谐波检测算法  37
    3.2.5 abc直接投影谐波检测法  37-40
  3.3 各种三相四线制谐波电流检测算法的仿真对比研究  40-46
    3.3.1 电网侧电压无畸变的情况  41-43
    3.3.2 电网侧电压畸变,不平衡的情况  43-46
  3.4 abc直接投影检测算法的改进  46-49
    3.4.1 电网电压畸变对abc检测算法的影响分析  46-47
    3.4.2 锁相环(PLL)的改进  47-49
  3.5 系统仿真试验  49-57
    3.5.1 改进abc直接投影谐波电流检测仿真  49-52
    3.5.2 三相不平衡补偿APF仿真  52-55
    3.5.3 特定次谐波补偿APF仿真  55-57
  3.6 本章小结  57-58
4 三相四桥臂APF补偿电流控制算法  58-72
  4.1 电流内环控制策略  58-66
    4.1.1 比例积分控制器(PI)  58-59
    4.1.2 比例谐振控制器(PR)  59-60
    4.1.3 参数设计  60-63
    4.1.4 比例谐振控制器数字实现  63-64
    4.1.5 仿真分析  64-66
  4.2 直流侧电容电压控制研究  66-71
    4.2.1 直流侧电压稳定控制  66-67
    4.2.2 双环软启动设计  67-68
    4.2.3 仿真分析  68-71
  4.3 本章小结  71-72
5 四桥臂APF设计关键技术和实验研究  72-88
  5.1 四桥臂APF硬件系统设计  72-78
    5.1.1 四桥臂APF主电路设计  73-74
    5.1.2 四桥臂APF硬件控制系统  74-78
  5.2 基于双DSP的软件系统设计  78-80
  5.3 APF稳定运行保护措施  80
  5.4 APF实验中的关键技术  80-82
  5.5 实验结果与分析  82-86
  5.6 本章小结  86-88
6 总结与展望  88-90
  6.1 总结  88-89
  6.2 展望  89-90
参考文献  90-94
作者简历  94-98
学位论文数据集  98

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