三相并联有源电力滤波器的预测电流控制方法研究

摘要

由于电力系统中非线性负载的大量增加，日趋严重的谐波污染对电能生产、利用以及设备的使用造成很大的危害。有源电力滤波器(Active Power Filter，APF)能治理谐波污染、补偿无功功率和平衡三相电流，被认为是改善电能质量的最具前景的方法之一。并联型APF因配置灵活、可靠性高等特点，是目前应用最广泛的一种APF形式。而电流跟踪控制算法作为APF补偿效果的最关键因素，直接影响控制性能的好坏。为此，论文针对APF谐波电流跟踪控制算法进行细致深入的研究，主要内容包括:
　　(1)建立了基于两相旋转坐标的并联型APF数学模型，深入分析了影响APF性能的几个关键因素。借助滑窗傅立叶变换分离负载电流谐波成分;在电流闭环控制中增加有功电流分量，提取少量的基波分量，保证直流侧电压的恒定，避免电压纹波对电流跟随性的影响;采用比例谐振控制对不同频率正弦信号进行精确控制，并引入积分控制，实现对少量基波分量的跟踪控制;利用电压空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)输出电压波形畸变率小的特点输出调制信号。
　　(2)提出了基于比例谐振的参考电流预测和模型预测结合的预测控制，通过采用的滑窗傅里叶分析检测出每次谐波，然后乘ejωT，则每次谐波在傅里叶逆变换时方便地向前预测一个控制周期，并借助模型理论分析将补偿电流向前预测一个周期，从而有效补偿APF的控制延时和保证系统稳定性。从补偿精度的角度出发设计控制器的比例系数，根据系统相角裕度要求设计控制器的积分系数，综合考虑谐振点跟踪效果和系统动态响应设计谐振系数。基于模型精度考虑，利用分段函数和滑窗平均算法拟合电抗值，避免模型误差对模型预测准确性的影响。与未考虑延时的补偿电流控制方法相比，本文所提出的方法使谐波补偿性能得到明显改善，并通过理论分析和仿真结果论证该方法的合理性和有效性。
　　(3)研究了三相并联APF主电路参数和控制电路的设计方法。围绕系统控制要求和实现功能，从成本、性能、实用性等多方面考虑选择最佳的参数和电路，着重分析了直流侧和滤波器的设计原则。根据允许电压纹波和电压电流跟随性，设计直流侧电压和电容值;针对开关通断导致的高次谐波，从谐波滤除效果和滤波器本身性能角度出发设计滤波器参数，并在电容上串联阻尼电阻，避免谐振问题。
　　(4)为验证以上理论研究的正确性，搭建了基于预测电流控制的三相并联型APF实验平台，实验样机以F28335为控制核心芯片，以FF300R12KT4作为功率放大模块，并分析了整个系统的控制结构框图。实验结果论证了所提出的电流跟踪方法在系统稳定性、补偿谐波方面的优势。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 电网电能质量意义及谐波治理方法

1．1．1 电网电能质量的意义

1．1．2 谐波治理方法

1．2 APF的基本原理与分类

1．3 并联APF的技术现状与发展

1．3．1 谐波电流检测的研究现状

1．3．2 直流侧电压控制策略的研究现状

1．3．3 电流控制策略的研究现状

1．3．4 系统延时补偿的预测控制研究现状

1．4 本文研究的主要内容

第二章 三相并联APF系统模型和关键技术

2．1 并联APF的控制原理及数学模型

2．1．1 APF系统模型和控制原理

2．1．2 APF数学模型

2．2 谐波电流的检测

2．2．1 基于人工神经网络的谐波检测

2．2．2 基于瞬时无功理论的检测技术

2．2．3 基于滑窗离散傅立叶变换的检测技术

2．3 直流侧电压控制策略

2．4 电流跟踪控制技术

2．4．1 PI控制

2．4．2 滞环控制

2．4．3 比例谐振控制

2．5 脉宽调制技术

2．5．1 SPWM调制

2．5．2 SVPWM调制及仿真

2．6 本章小结

第三章 基于比例谐振的三相并联APF新型预测电流控制策略

3．1 APF的延时分析

3．1．1 APF系统控制电路的延时

3．1．2 PWM非线性影响

3．1．3 延时对系统补偿性能的影响

3．2 基于比例谐振的三相并联APF电流控制

3．3 考虑电感非线性的新型预测电流控制方法

3．3．1 电感非线性特性

3．3．2 新型三相并联APF预测电流控制

3．4 基于预测控制的APF控制参数设计与稳定性分析

3．4．1 电流控制器的参数分析

3．4．2 APF参数设计及稳定性分析

3．5 两种电流控制的仿真分析

3．6 本章小结

第四章 三相并联APF主电路参数及硬件设计

4．1 直流侧电压参数设计

4．2 直流侧电容参数设计

4．3 LCL滤波器参数设计

4．3．1 逆变侧电感参数设计

4．3．2 电容参数设计

4．3．3 电网侧电感参数设计

4．3．4 阻尼电阻参数设计

4．4 变流器开关管选择

4．5 APF硬件电路设计

4．5．1 电网电压相位检测电路

4．5．2 驱动电路

4．5．3 逻辑信号处理

4．6 本章小结

第五章 三相并联APF样机实验与结果分析

5．1 APF系统结构与设计要求

5．2 基于预测电流控制的三相并联APF控制系统

5．3 基于预测电流控制的实验结果分析

5．3．1 直流侧电压的实验分析

5．3．2 无APF补偿与基于比例谐振的APF补偿的实验分析

5．3．3 预测电流控制实验波形及其谐波分析

5．4 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

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