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有源电力滤波器检测与控制技术的研究及应用

作　者: 郭自勇
导　师: 周有庆
学　校: 湖南大学
专　业: 电工理论与新技术
关键词: 谐波有源电力滤波器电流检测 FBD法电流跟踪电压空间矢量模糊控制
分类号: TM761
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

电力电子技术的飞速发展,一方面给电能的变换和应用带来了方便,另一方面又给电力系统带来了较严重的电能质量问题,如谐波污染、无功问题、电压波动及不平衡等。有源电力滤波器(Active Power Filter,APF)被公认为是治理电网谐波及无功污染、改善电能质量最有效的手段,已成为电力电子技术应用中一个比较新的研究热点。但是APF在国内的应用还远没达到成熟阶段,与无源滤波器相比,在实际应用中仍然居于次要地位,有很多问题有待于进一步研究和完善。为此,本文对APF的检测、控制及实现技术进行了深入的研究,这些研究工作对APF的早日工业化推广应用具有重大意义。本文分析了目前常用的谐波电流检测方法,这些检测方法多着眼于三相电路,不能直接应用于单相电路及四相电路,在应用的通用性上存在一定的缺陷。因此,在进一步完善FBD法定义的基础上,本文提出了一种能广泛适用于单相电路、三相电路以及四相电路的通用谐波电流检测方法,并对该方法进行了推广研究,使之能检测出基波有功电流、基波无功电流、基波负序电流、谐波电流以及任意次谐波电流等。针对这三种电路,分别给出了检测原理框图,同时对影响检测方法准确性和动态特性的低通滤波器的设计进行了研究。为了提高APF的电流跟踪性能,本文提出了两种APF电流控制方法。(1)基于电压空间矢量的APF滞环电流控制方法。该方法利用电流误差矢量与参考电压矢量的空间分布给出最佳的电压矢量切换,使电流误差控制在滞环宽度以内。采用电压空间矢量消除了相间影响,并且其实现简单,无需复杂的矢量变换。(2)电压空间矢量预测电流控制方法。该方法在当前采样时刻预测下一采样时刻的指令电流,计算出APF在下一采样时刻的输出端参考电压,再利用电压空间矢量调制得出控制开关信号,以达到电流跟踪控制目的。仿真实验结果表明,与传统滞环电流控制方法相比,这两种APF电流控制方法均具有更好的电流控制效果。本文还讨论了APF主电路直流母线电压控制的基本原理以及控制方法。在传统的基于PI控制的直流母线电压控制方法的基础上,本文提出了将模糊控制和PI控制复合使用的直流母线电压控制新方法。该方法充分的发挥了模糊控制与PI控制各自的优点,具有动态响应快、超调小、静态误差小的特点,并且实现简单,满足多种变化负载情况下的直流母线电压控制要求。本文对100kVA并联型APF的主电路及其外围电路进行了深入的研究。详细讨论了主电路开关器件的选择、缓冲电路和驱动保护电路的设计;并且采用理论分析和仿真实验相结合的方法,给出了直流母线电压的取值、直流母线电容量的选择以及交流侧滤波电感值的选择方法。并根据上述分析方法得出了100kVA并联型APF的主电路具体器件选型及外围电路的详细设计参数。最后,本文介绍了100kVA并联型APF的系统构成,讨论了基于DSP(数字信号处理器)+CPLD(复杂可编程逻辑器件)的全数字化控制系统的实现方案,并对控制系统的硬件电路和软件系统设计进行了研究。在100kVA并联型APF实验样机上进行了实验,并给出了典型的实验数据和波形,实验结果验证了本文上述工作的正确性。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-25
  1.1 谐波的起因及其危害  12-13
    1.1.1 谐波的起因  12
    1.1.2 谐波的危害  12-13
  1.2 谐波的抑制方法  13-14
  1.3 有源电力滤波器的发展现状  14-23
    1.3.1 APF 的分类  15-18
    1.3.2 APF 的电流检测方法  18-21
    1.3.3 APF 的电流控制方法  21-23
  1.4 本文所做的工作及意义  23-25
第2章谐波电流检测方法的研究  25-48
  2.1 FBD 法  25-28
    2.1.1 FBD 法的定义及矢量描述  25-27
    2.1.2 基于FBD 法的谐波电流检测方法  27-28
  2.2 基于FBD 法的三相电路谐波电流检测方法  28-33
    2.2.1 三相电路基波有功电流检测  28-29
    2.2.2 三相电路基波无功电流检测  29-30
    2.2.3 三相电路谐波电流检测  30-31
    2.2.4 FBD 法在三相电路中的推广应用  31-33
  2.3 基于FBD 法的四相电路谐波电流检测方法  33-36
    2.3.1 四相电路基波有功电流检测  33-35
    2.3.2 四相电路基波无功电流检测  35-36
    2.3.3 四相电路谐波电流检测  36
  2.4 基于FBD 法的单相电路谐波电流检测方法  36-39
    2.4.1 单相电路基波有功电流检测  37
    2.4.2 单相电路基波无功电流检测  37-38
    2.4.3 单相电路谐波电流检测  38-39
  2.5 低通滤波器的设计  39-40
  2.6 仿真实验  40-47
    2.6.1 三相电路的电流检测仿真实验  40-43
    2.6.2 四相电路的电流检测仿真实验  43-45
    2.6.3 单相电路的电流检测仿真实验  45-47
  2.7 本章小结  47-48
第3章有源电力滤波器控制方法的研究  48-71
  3.1 基于电压空间矢量的APF 滞环电流控制方法的研究  48-56
    3.1.1 并联型APF 的电压空间矢量描述  48-51
    3.1.2 基于电压空间矢量的滞环电流控制方法  51-54
    3.1.3 与普通滞环电流控制方法的比较  54
    3.1.4 仿真实验研究  54-56
  3.2 APF 电压空间矢量预测电流控制方法的研究  56-61
    3.2.1 有源电力滤波器预测控制基本原理  57
    3.2.2 指令电流预测原理  57-58
    3.2.3 有源电力滤波器的电压空间矢量调制  58-59
    3.2.4 仿真实验研究  59-61
  3.3 APF 直流母线电压控制方法的研究  61-70
    3.3.1 直流母线电压控制的基本原理  61-62
    3.3.2 直流母线电压的PI 控制方法  62-63
    3.3.3 直流母线电压的模糊PI 复合控制方法的研究  63-68
    3.3.4 仿真实验研究  68-70
  3.4 本章小结  70-71
第4章有源电力滤波器主电路的研究  71-87
  4.1 主电路功率开关器件及其外围电路的选择  71-77
    4.1.1 主电路功率开关器件的选择  71-72
    4.1.2 缓冲电路  72-74
    4.1.3 驱动电路  74-77
  4.2 直流母线电容的设计  77-82
    4.2.1 直流母线电压的选择  77-79
    4.2.2 直流母线电容量的选择  79-82
  4.3 交流侧滤波电感设计  82-85
  4.4 100kVA 并联型有源电力滤波器主电路参数设计  85-86
  4.5 本章小结  86-87
第5章 100kVA 并联型APF 的系统设计与实现  87-102
  5.1 100kVA 并联型APF 的系统结构  87-88
  5.2 基于DSP+CPLD 的数字化控制系统  88-89
  5.3 控制系统硬件电路设计  89-95
    5.3.1 接口模块电路设计  89-92
    5.3.2 控制模块电路设计  92-95
  5.4 控制系统软件设计  95-96
  5.5 实验研究  96-100
    5.5.1 负载平衡条件下的实验结果  97-98
    5.5.2 负载突变条件下的实验结果  98-99
    5.5.3 负载不平衡条件下的实验结果  99-100
  5.6 本章小结  100-102
结论  102-104
参考文献  104-114
附录A 攻读学位期间发表的学术论文目录  114-115
附录B 攻读学位期间参与的科研项目  115-116
附录C 100kVA 并联型APF 实验样机照片  116-120
致谢  120

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