二极管箝位型三电平APF中点电压平衡算法研究及通用监控设备人机界面设计

摘要

随着我国电力事业的长足进步与发展，各种类型的非线性负载大量投入使用，造成电力系统的谐波污染和无功损耗等电能质量问题日益突出，严重威胁了电网的安全运行。有源电力滤波器(Active Power Filter，APF)正是这一背景下的产物，它是一种电能质量综合治理装置，能有效进行电网谐波消除、无功补偿等，具有补偿精度高、动态响应速度块、不易于电网发生谐振等优点。随着市场对高压大功率的需求日益增多，三电平APF因能承受更高的电压、输出波形谐波畸变率更低而受到更多关注。现在工业用三电平拓扑以二极管箝位型(Neutral-point-clamped，NPC)为主，但二极管箝位型结构存在着中点电压不平衡的固有问题。本文就针对二极管箝位型三电平APF中点电压平衡算法进行研究，并设计了一套APF通用监控设备人机界面系统。
　　本文首先详细介绍了二极管箝位型三电平APF的主电路拓扑结构，建立了abc静止坐标系下和同步旋转dq坐标系下的数学模型，并分析了常用的SPWM和SVPWM调制算法。
　　然后，论文分析了不平衡的根本原因，并提出了基于动态双调制波的中点电压平衡算法和基于简化的SVPWM角度预测的中点电压平衡算法。其中，基于动态双调制波的算法，是在零序电压注入的基础上把参考电压调制波重构成上、下两个调制波，并采用控制器对上、下双调制波进行调节，保证一个周期内平均中点电流为零进而平衡中点电压。进行了仿真和实验对基于动态双调制波的中点电压平衡算法进行了验证，结果表明此算法在谐波消除、无功补偿、初始电压不平衡等条件下都能很好的平衡中点电压;基于简化的SVPWM角度预测的中点电压平衡算法，是通过坐标变换把三电平SVPWM转化成两电平SVPWM，套用两电平的计算方法，并根据中点电压的偏移对参考电压矢量的角度进行预测修正，改变参考电压矢量所在区域和各矢量的作用时间来减少中点电压的低频波动。对基于简化的SVPWM角度预测的中点电压平衡算法进行了谐波消除和无功补偿的仿真，结果表明此算法也能较好地保证中点电压平衡。
　　最后，论文设计了一套APF通用监控设备人机界面系统，详细说明了该系统各部分的功能。此人机界面系统是由APF主控制板、通信板、可编程触摸屏(PS-LCD)三部分组成，通过公共因子算法(CFA)进行频域分析计算电压、电流的各次谐波分量，并基于RS-232总线在APF和可编程触摸屏之间交换数据传送指令，并在可编程触摸屏上展现，实现对电能质量的监测和对APF的控制。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 电网谐波的产生、危害、治理

1．2．1 谐波的来源

1．2．2 谐波的危害

1．2．3 谐波的治理

1．3 有源电力滤波器发展与分类

1．4 三电平有源电力滤波器

1．4．1 二极管箝位型多电平变换器

1．4．2 飞跨电容型多电平交换器

1．4．3 级联型多电平交换器

1．5 二极管箝位型三电平APF关键技术

1．5．1 二极管箝位型交换器中点电压平衡问题

1．5．2 APF谐波检测算法

1．5．3 APF电流控制算法

1．6 本文主要研究工作

第2章 二极管箝位型三电平APF系统模型

2．1 二极管箝位型三电平变换器工作原理

2．2 二极管箝位型三电平APF数学模型

2．2．1 abc静止坐标系下数学模型

2．2．2 同步旋转幻坐标系下数学模型

2．3 二极管箝位型三电平APF的PWM控制方法

2．3．1 载波层叠调制

2．3．2 空间电压矢量调制

2．4 本章小结

第3章 二极管箝位型三电平APF中点电压平衡算法研究

3．1 中点电压不平衡原因

3．2 基于动态双调制波的中点电压平衡算法

3．2．1 双调制波原理

3．2．2 动态双调制波及中点电压控制器

3．2．3 仿真和实验结果

3．3 基于简化的SVPWM角度预测的中点电压平衡算法

3．3．1 简化的三电平SVPWM调制算法

3．3．2 电压矢量对中点电压的影响

3．3．3 基于简化的SVPWM角度预测的中点电压平衡算法

3．4 本章小结

第4章 APF通用监控设备人机界面设计

4．1 国内外电能质量监控产品

4．2 人机界面系统功能

4．2．1 APF主控制部分

4．2．2 通信板

4．2．3 PS-LCD部分

4．3 通信协议及通信方式

4．3．1 数据帧介绍

4．3．2 通信方式选择

4．4 系统功能实现

4．4．1 谐波计算公共因子算法

4．4．2 I2C总线及EEPROM简介

4．5 主要操作界面介绍

4．6 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 全文工作总结

5．2 未来展望

参考文献

致谢

附录

攻读硕士学位期间科研成果