基于FPGA+DSP的三相四线制并联有源电力滤波器的研究

摘要

目前，电力电子装置在生产和生活中被广泛应用，这些设备的电能变换作用使得电力系统的谐波问题日益严重，电能质量日益恶化，将给电网造成严重的影响。因此谐波抑制和无功补偿越来越受到重视，随着电力电子器件的快速发展和电流控制理论的成熟应用，使得有源电力滤波器已经得到了广泛的应用和研究，并且谐波及无功的动态补偿性能逐渐提高。本文主要系统地研究四桥臂三相四线制有源电力滤波器的主电路的结构设计、谐波电流检测和电流跟踪控制策略。　　首先在谐波检测方面，根据三相四线制系统带不对称负载，不平衡负载电流中含有谐波电流，零序电流，无功电流等成分。根据APF补偿目的，详细分析了基于瞬时无功功率理论的ip-iq-i0法，此方法不仅能对对称的负载谐波电流检测，而且能对不对称负载谐波电流检测。在谐波检测算法中，为避免电网电压畸变扰动造成的不良影响，本文设计了三相锁相环技术；为提高检测精度和动态响应，对检测环节中低通滤波器进行了设计。　　其次，本文对三相四线制并联型有源电力滤波器的主电路拓扑分析其工作原理并建立数学模型，分别建立静止三相abc坐标系，静止三相αβ0坐标系和旋转dq0坐标系下的数学模型。为了精确补偿谐波及无功，控制策略最为关键，控制策略包括直流侧电压的稳定控制方法和电流跟踪指令的控制方法。根据系统能量流动关系，直流侧电压控制采用PI调节器并设计控制器参数；根据谐波电流的周期性，补偿电流跟踪方法采用重复控制器在有源电力滤波器中两种不同的控制策略，并且给出仿真分析和实验结果。　　三相四桥臂有源电力滤波器采用3D-SVPWM对逆变器进行调制，由于3D-SVPWM算法的复杂性，采用DSP+FPGA结合控制器进行软件和硬件设计的架构，利用了FPGA并行处理的快速性。DSP和FPGA各自的处理器优势结合对所完成功能进行协调分配工作，达到较好的控制效果。　　在以上研究的基础上对系统的软硬件进行设计，研制了一台33KW的三相四线制并联型APF实验样机。仿真和实验结果表明，系统能够有效补偿谐波及无功电流。

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第一章 绪论

1.1 电网谐波及无功的产生及其危害

1.2 有源电力滤波器的工作原理及分类

1.2.1 APF的基本原理

1.2.2 APF的分类

1.3 三相四线制逆变器拓扑的发展概括

1.3.1 电容中分式三相四线制APF

1.3.2 四桥臂三相四线制APF

1.3.3 组合式三相APF

1.3.4 △/Y变压器输出三相四线制APF

1.4 三相四线制系统中谐波检测方法的概况

1.5 三相四线制APF中控制策略的研究概况

1.5.1 电压型四桥臂逆变器常用控制技术

1.5.2 四桥臂三相四线制APF电流跟踪控制算法

1.6 本文主要的研究内容

第二章 瞬时无功理论在三相四线制有源电力滤波器谐波及无功检测中的应用

2.1 ip－iq－io谐波检测原理

2.2 数字低通滤波器设计

2.3 锁相环技术

2.4 ip-iq-io谐波检测法的Matlab仿真分析

2.5 本章总结

第三章 三相四桥臂APF的数学模型的建立及主电路参数的选择

3.1 三相四桥臂APF数学模型

3.1.1 三相四桥臂APF主电路在a-b-c坐标系下的数学模型

3.1.2 三相四桥臂APF主电路在α-β-0坐标系下的数学模型

3.1.3 三相四桥臂APF主电路在d-q-0坐标系下的数学模型

3.2 主电路选型

3.2.1 直流侧滤波电容

3.2.2 APF输出滤波器设计

3.3 本章总结

第四章 APF控制器设计

4.1 直流侧电压控制设计

4.1.1 直流侧电压变化的机理

4.1.2 直流侧电压控制策略

4.2 电流内环控制器设计

4.2.1 重复控制策略基本原理

4.2.2 基于重复控制的电流闭环控制

4.2.3 基于改进重复预测的无差拍控制

4.4 本章总结

第五章 三相四桥臂APF系统样机设计

5.1 系统硬件电路的设计

5.1.1 控制芯片

5.1.2 电源电路

5.1.3 调理电路

5.1.4 保护电路

5.1.5 通讯电路

5.1.6 驱动电路

5.2 系统软件的设计

5.2.1 DSP的功能分配

5.2.2 FPGA的功能分配

5.3 实验结果与分析

5.4 本章小结

第六章 总结和展望

6.1 本文研究工作总结

6.2 今后工作展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文