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基于DSP的三电平有源电力滤波器研究

作　者: 俞年昌
导　师: 杨家强
学　校: 浙江大学
专　业: 电机与电器
关键词: 有源电力滤波器三电平谐波治理修正SVPWM调制 LCL滤波器电压平衡控制 PI-RES控制
分类号: TN713.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

随着社会的快速发展,电力系统中的非线性负荷大量增加,电能质量问题日益凸显。有源电力滤波器(Active Power Filter,APF)正是解决这一问题的有效手段。相较于两电平APF,三电平APF可以承受更高的电压,具有更低的谐波畸变率,更低的开关频率和更小的损耗,更加适用于中高压大功率领域。本文针对三电平有源电力滤波器,从三电平变流器设计、LCL滤波器设计、调制算法、电流跟踪控制等方面进行了研究。本文选取中点箝位三电平变流器为有源电力滤波器的主拓扑。合理的布局和紧凑的结构设计使系统具有较小的尖峰电压、良好的散热管理和电磁兼容性能。LCL滤波器可以有效的减小电感体积、节约成本,在大功率的场合具有更为广阔的前景。本文提出了一种三电平APF的LCL滤波器设计方法。首先根据所需要补偿的谐波电流最高次数来选定LCL滤波器谐振频率,然后根据设计原则和约束条件优化得到LCL滤波器的各个参数,解决了低频谐波电流和高频纹波的互相干扰的问题,所需电感体积更小,节约了成本。仿真与实验表明所设计的LCL滤波器可以兼顾低频段增益和高频段的衰减。本文采用一种基于三电平变流器的简化SVPWM调制方法以及中点平衡算法,该调制方式将三电平矢量划分为6个两电平扇区,通过调用两电平的计算得到三电平的开关信号。对于中点电压平衡只需要引入上下直流母线电压差和参考有功电流方向,调节一对小矢量导通时间比来平衡电压,简化了计算过程,简单易实现,可以有效地实现直流侧电容电压均压控制,在三电平乃至多电平有源滤波器和变流器上具有良好的应用前景。电流跟踪控制是APF的核心环节,决定了APF的补偿效果。本文采用一种基于LCL滤波器的比例积分-谐振(PI-RES)电流跟踪控制方法,对于谐波电流采用dq旋转坐标下系的PI和并联谐振控制器进行跟踪控制。每一个谐振控制器可以跟踪相应的静止坐标系下两次谐波分量,PI-RES控制器动态性能良好,跟踪精度高,提高了系统的效率。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-10
第1章绪论  10-22
  1.1 引言  10
  1.2 谐波来源与危害  10-13
    1.2.1 电流源型RL负载  11-12
    1.2.2 电压型RC负载  12-13
    1.2.3 谐波的危害  13
  1.3 治理方案  13-18
    1.3.1 无源滤波器  14-15
    1.3.2 有源滤波器  15-18
  1.4 三电平有源电力滤波器  18-20
    1.4.1 多电平技术研究现状  18-20
    1.4.2 三电平APF研究现状  20
  1.5 本文主要工作  20-22
第2章中点箝位三电平变流器设计  22-34
  2.1 考虑死区的换流过程分析  23-27
  2.2 硬件设计的几个问题  27-29
    2.2.1 电压尖峰问题  27-28
    2.2.2 直流母线中点不平衡问题  28
    2.2.3 内外管均压问题  28-29
    2.2.4 关断时序问题  29
  2.3 硬件电路设计  29-33
    2.3.1 三电平变流器选型设计和布局  30-31
    2.3.2 控制和驱动电路设计  31-33
  2.4 本章小结  33-34
第3章 LCL滤波器设计  34-50
  3.1 LCL滤波器分析  34-35
  3.2 LCL滤波器设计原则  35-36
    3.2.1 开关纹波的最大衰减  35-36
    3.2.2 减小电感成本  36
    3.2.3 损耗的最低化  36
    3.2.4 LCL滤波器的谐振抑制  36
  3.3 设计LCL滤波器的限制条件  36-41
    3.3.1 总电感  37-39
    3.3.2 电容和阻尼电阻约束条件  39-40
    3.3.3 电感比例  40-41
    3.3.4 谐振频率限制  41
  3.4 设计流程方法  41-43
  3.5 仿真结果与分析  43-44
  3.6 实验结果分析  44
  3.7 LCL有源阻尼  44-45
  3.8 三电平LCL的数学模型  45-49
  3.9 本章小结  49-50
第4章三电平调制算法及中点电压平衡算法  50-68
  4.1 载波层叠调制  50-53
    4.1.1 同相载波层叠调制  50-52
    4.1.2 反相载波调制及DSP实现  52-53
  4.2 修正的SVPWM调制算法  53-59
    4.2.1 大扇区的选择  54-56
    4.2.2 参考矢量的修(Mapping)  56-57
    4.2.3 计算各个矢量的导通时间  57
    4.2.4 对应的开关信号处理  57-58
    4.2.5 仿真与实验波形  58-59
  4.3 中点电压平衡算法  59-67
    4.3.1 不同矢量对中点电压的影响  61-62
    4.3.2 能量流向和电容电压不平衡的关系  62
    4.3.3 电压平衡策略  62-63
    4.3.4 仿真结果与分析  63-66
    4.3.5 实验结果与分析  66-67
  4.4 本章小结  67-68
第5章三电平APF控制方法  68-78
  5.1 电流闭环跟踪控制  68-71
    5.1.1 PI控制  68-69
    5.1.2 比例谐振控制  69-70
    5.1.3 PI-RES控制  70-71
  5.2 电压外环控制和软启动  71-72
  5.3 仿真结果与分析  72-74
  5.4 实验结果与分析  74-77
  5.5 本章小结  77-78
第6章总结与展望  78-80
  6.1 全文总结  78
  6.2 未来展望  78-80
致谢  80-81
实验设备图  81-82
攻读硕士期间科研成果  82-83
参考文献  83-86

基于DSP的三电平有源电力滤波器研究

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