容错型三相四开关有源电力滤波器SVPWM控制研究

摘要

APF(Active Power Filter，有源电力滤波器)不单能够提取出电网中的谐波成分，同时能够实现谐波的抑制与无功的补偿。IGBT是构成APF的重要开关元器件，需要持续在高温、高频条件下运行，因而故障率较高。而一旦IGBT出现故障，APF将无法继续稳定运行。研究容错APF一方面可提高系统的容错性能，当有源滤波器发生故障后经容错控制而使系统继续稳定运行，另一方面容错APF仅有两相桥臂，实际应用中能够显著降低制造成本。同时整机功耗相对于六开关系统有了明显下降。因此，研究APF中逆变器的容错控制策略为提高APF运行的可靠性和安全性具有重要意义。
　　为提高容错三相四开关有源电力滤波器谐波补偿性能，本文提出一种改进型三相四开关有源电力滤波器的SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)控制方法。与传统SVPWM控制方法相比，该控制方法不仅可以显著减小误差电流量，而且易于程序编写。结尾通过仿真效果说明了此方法的正确性。针对传统容错三相四开关SVPWM控制方法要选择不同坐标变换的控制算法，提出基于电感电流的容错统一SVPWM控制方法。与传统SVPWM控制方法通过坐标变化计算参考电压矢量不同，该方法以电流变化量为控制目标，计算表达式形式统一，同时能有效减少控制电路计算量。最后仿真结果验证了该算法的有效性。主要研究内容如下:
　　(1)研究和分析了三相四开关容错拓扑转换过程，同时在abc三相静止坐标系和dq同步坐标系下各自对容错有源滤波器进行了理论分析。该理论分析过程是对系统进行参数计算与控制方法选取的前提。
　　(2)研究了一种改进型三相四开关有源电力滤波器的SVPWM控制方法。为提高容错三相四开关有源电力滤波器谐波补偿性能，提出一种改进型三相四开关有源电力滤波器的SVPWM控制方法。与传统SVPWM控制方法以电流误差量变化率为控制目标不同，此控制方法将偏离指令电流量减小至零。第一步求得基本电压矢量，第二步根据参考电流与偏差电流分析得到令偏离指令电流量减小至零的逆变器输出电压矢量。与一般SVPWM算法对照，此控制不仅可以显著减小容错APF输出的偏离指令电流量，增强谐波抑制的能力，而且能够非常方便的通过编写程序而完成。结尾通过仿真效果说明了此方法的正确性。
　　(3)研究了容错三相四开关APF统一SVPWM控制方法。针对传统容错三相四开关SVPWM控制方法要根据A相、B相、C相的故障位置选择不同坐标变换的控制算法，该计算过程涉及大量的坐标运算，不利于容错控制的切换。基于电感电流提出一种容错三相四开关APF统一SVPWM控制方法，与传统SVPWM控制方法通过坐标变化计算参考电压矢量不同，该方法以电感电流变化量为控制目标，无需复杂的坐标变换计算，计算表达式形式统一，利于系统容错算法的切换。同时对上述求解方法进行仿真分析，首先完成容错APF系统仿真模块的设计，并计算求解出相关的系统参数。其次完成APF容错切换算法的仿真分析。最后进行基于电感电流的容错APF统一SVPWM控制仿真分析和比较。仿真结果表明该算法能有效减少容错三相四开关有源滤波器控制电路计算量，提高谐波补偿精度。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文研究内容和安排

2 容错三相四开关有源滤波器原理和控制策略分析

2．1 三相四开关有源滤波器容错拓扑及其工作原理分析

2．1．1 三相四开关有源滤波器容错拓扑分析

2．1．2 三相四开关有源滤波器基本工作原理分析

2．2 容错三相四开关有源滤波器数学模型分析

2．2．1 abc坐标系下的容错三相四开关APF数学建模

2．2．2 dq坐标系下的容错三相四开关APF数学建模

2．3 三相四开关有源滤波器容错控制方法

2．3．1 间接电流控制方法

2．3．2 直接电流控制方法

2．4 小结

3 基于电压空间矢量的三相四开关有源滤波器误差电流优化算法

3．1 三相四开关有源滤波器传统SVPWM控制分析

3．1．1 SVPWM控制原理分析

3．1．2 有源滤波器SVPWM控制策略分析

3．1．3 有源滤波器SVPWM控制的实现

3．1．4 三相四开关有源滤波器SVPWM控制分析

3．2 三相四开关有源滤波器误差电流优化算法分析

3．2．1 直流侧电压不平衡下SVPWM调制方法

3．2．2 基于误差电流最优的参考电压矢量计算方法分析

3．3 三相四开关有源滤波器误差电流优化算法仿真分析

3．4 小结

4 基于电感电流的容错APF统一SVPWM控制方法

4．1 基于电感电流的容错APF统一SVPWM控制方法

4．2 电流预测控制器的设计

4．2．1 线性预测与抛物线预测算法

4．2．2 重复预测观测器的设计

4．3 小结

5 系统仿真验证

5．1 仿真系统主要参数设置

5．1．1 直流侧电容电压值设计

5．1．2 输出滤波电感设计

5．1．3 直流侧电容值设计

5．2 容错切换算法的仿真分析

5．3 基于电感电流的容错APF统一SVPWM控制仿真分析和比较

5．4 小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果