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特定次谐波抑制技术在有源电力滤波器中的应用研究

作　者: 肖贞仁
导　师: 席自强
学　校: 湖北工业大学
专　业: 电力系统及其自动化
关键词: 傅里叶变换 dq同步旋转坐标系谐波检测算法特定次谐波
分类号: TM761
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

由于电力电子装置大量应用于化工、交通、钢铁、冶金等领域，所引起的谐波污染问题也越来越严重。谐波对电力系统和其它的用电设备造成很大的危害，必须予以抑制。有源电力滤波器（APF）是优化电能质量、消除谐波污染的重要手段，目前已经成为电能质量领域比较新的研究热点，有着非常广泛的应用前景和经济效益。本文通过研究并联有源电力滤波器中三相变流器的拓扑结构，构建其单相等效模型，然后推导出该拓扑结构在abc三相静止坐标系和dq两相旋转坐标系下的数学模型表达式。通过研究数学表达式，可以深入了解变流器直流侧与交流侧的能量流动，利于控制系统设计。有源电力滤波器以输出指定电流为目的，而谐波检测算法对其功能至关重要。本文首先研究了基于传统p-q理论和ip-iq理论的全谐波检测算法，在此基础上研究基于多同步dq旋转坐标系下的特定次谐波检测。后者既可以检测、补偿所有谐波，也可针对单次谐波进行检测与控制，此算法是本实验装置所采用的谐波检测算法；介绍了基于离散傅里叶变换的特定次谐波检测，以及其基于FFT和RDFT的实现算法。本文也同时对检测算法中用到的三相数字锁相环和低通数字滤波器进行了研究。为使有源电力滤波器的输出电流跟踪指令电流，设计了基于直流电压外环和有功、无功电流内环的双闭环控制系统；在此基础上，本文还对多同步dq旋转坐标系下的电流环进行研究，该电流环由多个特定次谐波电流环叠加组成，通过分别设计PI控制器，完成对指令电流的跟踪控制。对于双闭环控制系统输出的电压指令值，通过SVPWM调制算法得到对应的开关量，控制变流器产生所需要的电流；给出了基于特定次谐波补偿的有源电力滤波器并联方案，非常利于有源电力滤波器在大电流负载场合的应用。最后介绍了有源电力滤波器关键部分的硬件实现过程，包括主控制电路、IPM模块和输出LCL滤波器的设计。通过上述理论研究，本文研制了一台380V40kVA三相三线并联型有源电力滤波器。通过对有源电力滤波器的整体补偿实验，得到了其特定次谐波电流的实验波形。通过比较补偿前后负载侧的电流波形，成功验证了本文所提出的特定次谐波检测与控制技术的合理性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-9
第1章引言  9-14
  1.1 谐波危害与治理措施  9-10
  1.2 有源电力滤波器的发展与应用领域  10-11
  1.3 并联有源电力滤波器原理  11-12
  1.4 本文的主要工作  12-14
第2章三相并联有源电力滤波器的数学模型  14-20
  2.1 abc 三相静止坐标下的数学模型  14-16
  2.2 dq 两相旋转坐标系下的数学模型  16-18
  2.3 本章小结  18-20
第3章 APF 谐波检测算法研究  20-38
  3.1 基于离散傅里叶变换的特定次谐波检测  20-27
    3.1.1 离散傅里叶变换的 FFT 算法实现  21-24
    3.1.2 离散傅里叶变换的 RDFT 算法实现  24-26
    3.1.3 谐波检测仿真实验研究  26-27
  3.2 基于瞬时功率理论谐波检测算法研究  27-31
    3.2.1 p-q 理论谐波检测原理  27-29
    3.2.2 i_p-i_q谐波检测法原理  29-30
    3.2.3 基于 dq 旋转坐标系特定次谐波检测  30-31
  3.3 谐波检测算法实现的关键技术  31-37
    3.3.1 三相锁相环设计  31-34
    3.3.2 数字低通滤波器设计  34-37
  3.4 本章小结  37-38
第4章谐波补偿电流控制技术研究  38-55
  4.1 APF 电压、电流双闭环控制策略  38-42
    4.1.1 电流内环控制系统设计  38-40
    4.1.2 电压外环控制系统设计  40-42
  4.2 多同步旋转坐标系下特定次谐波电流控制  42-46
    4.2.1 电流解耦控制策略分析  44-45
    4.2.2 PI 控制器设计  45-46
  4.3 SVPWM 调制算法研究  46-52
    4.3.1 SVPWM 的原理  46-49
    4.3.2 SVPWM 的实现过程  49-52
  4.4 基于特定次谐波补偿的有源电力滤波器并联方案  52-54
  4.5 本章小结  54-55
第5章 380V 40kVA 并联有源电力滤波器硬件实现  55-66
  5.1 控制系统设计  55-60
    5.1.1 Concerto 系列芯片简介  57
    5.1.2 信号预处理电路设计  57-58
    5.1.3 过零比较电路设计  58-59
    5.1.4 隔离驱动电路设计  59-60
  5.2 IPM 模块设计  60-61
  5.3 输出 LCL 滤波器设计  61-63
  5.4 三相并联有源电力滤波器实验研究  63-65
  5.5 本章小结  65-66
第6章总结与展望  66-68
  6.1 本文工作总结  66
  6.2 未来工作展望  66-68
参考文献  68-72
致谢  72

特定次谐波抑制技术在有源电力滤波器中的应用研究

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