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基于双DSP控制系统的三相并联型有源电力滤波器研究

作　者: 公伟勇
导　师: 谢运祥
学　校: 华南理工大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 有源电力滤波器改进谐波检测算法双闭环控制双DSP控制系统
分类号: TN713.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

电力电子设备的广泛运用使电网中的谐波污染越来越严重,大量谐波电流的存在对电力系统安全、稳定、经济运行是一个严峻的挑战。有源电力滤波器(Active Power Filter)是一种用于动态抑制谐波和补偿无功的新型电力电子装置,它能够很好的克服无源滤波器体积大、易与电网发生谐振的缺点,是目前电力系统中使用较为广泛的一种谐波补偿装置。本论文重点研究了目前工程实践中使用最多的三相三桥臂电压型有源电力滤波器,首先严格推导了三相三桥臂电压型有源电力滤波器在静止a-b-c坐标系下的数学模型,为了便于设计控制系统,本文将静止a-b-c坐标系下的数学模型同步转换到d-q坐标系,得到基于d-q坐标系下的数学模型。其次,在简单介绍基于瞬时无功功率理论的p-q谐波电流检测法和i p ? iq谐波电流检测法的基础上,指出两种传统谐波电流检测法在三相电压不对称或者发生畸变时存在检测误差。针对这一情况,给出了一种基于瞬时无功功率理论的改进型谐波电流检测方法,它能够很好的克服由三相电网电压不对称或者畸变带来的影响,准确检测出谐波源负载电流中的基波正序有功电流分量、基波正序无功电流分量和谐波电流分量。通过MATLAB仿真软件对改进型谐波电流检测方法和i p ? iq谐波电流检测法进行了仿真比较研究,仿真结果证实了改进型谐波电流检测方法的正确性。鉴于三相三桥臂电压型有源电力滤波器是一个高度耦合的非线性系统,对其在旋转d-q坐标系下的数学模型进行了解耦,同时考虑到电网电压波动对有源电力滤波器的影响,本论文构建了基于电网电压前馈解耦的双闭环数字PI控制策略,并对电压外环和电流内环的PI控制参数进行了详细的数学计算。利用MATLAB/simulink仿真软件对控制算法进行了仿真研究,仿真结果表明控制策略的正确性和有效性。最后,详细设计了三相电压型有源电力滤波器的硬件电路和软件流程图,利用双DSP控制系统搭建了一台额定补偿电流为5A的有源电力滤波器实验装置,并进行整机调试。实验结果表明,本文所研制的有源电力滤波器能够很好地补偿谐波和无功电流,也证明了改进的谐波检测算法的正确性和基于电压前馈解耦双闭环控制策略的有效性。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-12
第一章绪论  12-21
  1.1 电力系统谐波产生的背景  12-14
  1.2 谐波对电力系统和用电设备产生的危害  14
  1.3 常用的谐波抑制装置  14-19
    1.3.1 无源电力滤波器（LC 滤波器）  15-16
    1.3.2 有源电力滤波器（Active Power Filter）  16-17
    1.3.3 混合型电力滤波器  17-19
  1.4 本论文研究的主要内容  19-21
第二章三相并联型有源电力滤波器的主电路拓扑及其数学建模  21-27
  2.1 三相并联型有源电力滤波器的主电路拓扑  21-22
  2.2 三相并联型有源电力滤波器的一般数学模型  22-24
  2.3 三相并联型有源电力滤波器在d-q 坐标系下数学模型  24-26
  2.4 本章小结  26-27
第三章有源电力滤波器的谐波检测方法及其仿真研究  27-41
  3.1 三相电路瞬时无功功率理论基本概念  27-29
  3.2 传统三相电路谐波和无功电流实时检测  29-32
    3.2.1 p、q 电流检测法  29-30
    3.2.2 i_ p 、i_ q 电流检测法  30-32
  3.3 改进的三相电路谐波和无功电流实时检测  32-36
    3.3.1 三相电压不对称时i_ p 、i_ q 电流检测法存在的问题  32-35
    3.3.2 改进的i_ p 、i_ q 电流检测法  35-36
  3.4 i_ p 、i_ q 检测法和改进的谐波和无功检测法的仿真对比研究  36-40
    3.4.1 三相电压对称时  36-38
    3.4.2 三相电压不对称时  38-40
  3.5 本章小结  40-41
第四章有源电力滤波器的基于电压前馈解耦双闭环控制策略  41-56
  4.1 有源电力滤波器常用控制策略概述  41-45
    4.1.1 PI 控制  42
    4.1.2 空间矢量脉宽控制（SVPWM）  42-43
    4.1.3 滞环电流控制  43
    4.1.4 滑模变结构控制  43-44
    4.1.5 无差拍控制  44
    4.1.6 预测电流控制  44
    4.1.7 重复控制  44-45
  4.2 基于前馈解耦的双闭环数字PI 控制算法  45-47
    4.2.1 电流内环的数字PI 设计  45-46
    4.2.2 电压外环的数字PI 设计  46-47
    4.2.3 基于电压前馈解耦双环控制系统的控制框图  47
  4.3 双闭环控制PI 参数设计  47-50
    4.3.1 电流内环PI调节器设计[9,48,49]  47-49
    4.3.2 电压外环PI调节器设计[9,48-50]  49-50
  4.4 双闭环前馈解耦控制系统的仿真研究  50-55
    4.4.1 三相电压对称时  51-54
    4.4.2 三相电压不对称时  54-55
  4.5 本章小结  55-56
第五章基于双DSP 控制系统有源电力滤波器硬件设计  56-72
  5.1 基于双DSP 控制系统的硬件电路总体设计  56-58
  5.2 并联型有源电力滤波器的主电路设计  58-62
    5.2.1 有源电力滤波器补偿总容量计算  59
    5.2.2 IGBT 开关管的选取  59
    5.2.3 连接电感的参数设计  59-61
    5.2.4 直流侧电容的参数设计  61-62
    5.2.5 主电路预充电限流电阻设计  62
  5.3 并联型有源电力滤波器的控制电路设计[53-57]  62-70
    5.3.1 采样与信号调理电路  62-65
    5.3.2 电网电压同步信号捕获电路  65
    5.3.3 辅助供电电源电路  65-66
    5.3.4 双DSP 控制系统平台的设计  66-70
  5.4 并联型有源电力滤波器的驱动电路设计  70-71
  5.5 本章小结  71-72
第六章基于双DSP 控制系统有源电力滤波器软件设计  72-82
  6.1 CCS3.1 集成开发环境介绍  72-73
  6.2 双DSP 控制系统的软件资源配置  73
  6.3 采样DSP 的程序设计  73-78
    6.3.1 采样DSP 主程序设计  74
    6.3.2 采样DSP 的直流母线电压控制子程序设计  74-75
    6.3.3 采样DSP 的谐波计算子程序设计  75-76
    6.3.4 采样DSP 的各个中断子程序设计  76-78
  6.4 控制DSP 的程序设计  78-81
    6.4.1 控制DSP 的主程序设计  78-79
    6.4.2 控制DSP 的内环电流控制子程序设计  79-80
    6.4.3 控制DSP 的SVPWM 子程序设计  80
    6.4.4 控制DSP 的中断子程序设计  80-81
  6.5 本章小结  81-82
第七章有源电力滤波器实验装置介绍  82-91
  7.1 有源电力滤波器实验装置技术参数与整机介绍  82-84
    7.1.1 有源电力滤波器实验装置的技术参数  82
    7.1.2 有源电力滤波器参照和执行国家标准  82-83
    7.1.3 有源电力滤波器的整机装置与工作原理介绍  83-84
  7.2 硬件电路调试  84-86
    7.2.1 谐波源负载波形  84
    7.2.2 同步信号检测电路波形  84-85
    7.2.3 IGBT 驱动信号波形  85-86
  7.3 软件调试  86-88
  7.4 有源电力滤波器实验装置整机调试  88-90
  7.5 本章小结  90-91
结论与展望  91-93
  1 本论文所完成的工作  91-92
  2 存在问题及后续工作展望  92-93
参考文献  93-97
攻读硕士学位期间取得的研究成果  97-98
致谢  98-99
附件  99

基于双DSP控制系统的三相并联型有源电力滤波器研究

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