三电平APF虚拟磁链模型预测SVPWM算法研究及FPGA实现

摘要

在低压电网谐波治理中，以 DSP为控制核心的有源滤波器（APF）以其优良的性能得到广泛应用。然而DSP因其指令顺序执行的特点决定了在对多次谐波进行同时治理时控制器的实时性将难以保证，效率变差，而 FPGA因其并行处理的特点可以较好的解决这一问题。三电平 APF 相对两电平 APF 增加了开关状态，能够减小输出电流纹波，在同等容量下对器件的耐压性要求降低。针对以上问题，本文研究基于 FPGA的三电平APF及其实现。 论文分析总结了目前国内外谐波治理领域的相关理论、技术和应用现状，在此基础上对二极管箝位型三电平拓扑结构的 APF进行了数学建模，分析了系统参数与系统各电压电流之间的关系，对工程应用中常用的几种谐波电流检测方法进行研究对比，确定以多同步旋转 dq谐波检测算法作为本课题的谐波检测方法。 在电能质量恶劣的场合，APF对锁相环性能有较高的要求。本文研究了传统三相锁相环技术以及电网不平衡条件下的锁相技术，通过理论分析及仿真验证了基于快速相序分离的锁相技术的优越性。 针对空间矢量脉宽调制技术（SVPWM）在对目标电流进行跟踪时会不可避免的引入误差，使得脉宽矢量控制的输出磁链与目标磁链产生误差，从而导致采用PI电流环进行闭环控制的系统磁链误差产生累积，使电流在某一时刻产生剧烈的波动，带来开关噪声加剧的问题，本文结合模型预测控制(MPC)的思想提出了基于虚拟磁链模型预测控制的 SVPWM调制技术，通过仿真验证了所提算法的正确性和可行性，以及对比传统 SVPWM调制技术的优势。 在以上工作的基础上，本文设计了基于虚拟磁链模型预测 SVPWM算法的三电平APF，对硬件电路进行了设计，对相关器件参数确定和选型，采用 FPGA实现数字控制系统中各个关键技术，在已有的实验平台上搭建了一台 50A的三电平APF样机，并进行实验，实验结果表明所提出算法的正确性和有效性。

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附表索引

第1章 绪论

1.1 课题背景意义

1.2 有源电力滤波器的研究现状

1.3 课题来源与论文主要内容

第2章 三电平有源电力滤波器结构与谐波检测方法

2.1 三电平有源电力滤波器数学模型分析

2.2 基于傅里叶变换的谐波检测方法

2.3 基于滑动窗RDFT的谐波检测方法

2.4 基于多同步旋转坐标系的谐波检测方法

2.5 本章小结

第3章 电网不平衡条件下的锁相技术

3.1 同步参考坐标系下的锁相环技术

3.2 基于全通滤波器的锁相技术

3.3 基于双二阶广义积分器的锁相技术

3.4 基于快速相序分离的锁相技术

3.5 本章小结

第4章 虚拟磁链模型预测SVPWM脉宽调制技术

4.1 三电平基本空间矢量

4.2 传统SVPWM脉宽调制技术

4.3 基于模型预测的SVPWM算法

4.4 本章小结

第5章 基于FPGA的三电平APF的设计

5.1 系统总体设计

5.2 主电路参数设计

5.3 硬件设计

5.4 软件设计

5.5 实验及结果分析

5.6 本章小结

结论与展望

结论

未来工作展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间取得的研究成果

附录B