有源电力滤波器的电流预测控制研究

论文摘要

目前,随着电力电子技术的飞速发展以及用电设备对电能质量要求的提高,谐波抑制及无功补偿问题逐渐得到人们的重视。由于可以对谐波和无功进行动态补偿,有源电力滤波器具有其他无源滤波装置不可比拟的优势。本文对各有源电力滤波器的拓扑结构进行比较,最后选择三相三线制并联型有源电力滤波器为研究对象并提出一种有源滤波器的设计方案。本文首先简述了谐波的来源及危害,分析了目前有源电力滤波器的研究现状。通过有源电力滤波器的拓扑结构给出其数学模型。并联型有源电力滤波器系统结构主要分为谐波检测、电流控制以及直流侧电压控制三个环节。瞬时无功功率理论是谐波检测中使用最为广泛的方法,本文详细推导了基于瞬时无功功率理论的p-q法和ip—iq法。计算表明,ip—iq法在电网畸变情况下同样能够准确地检测出谐波,并且该检测算法能直接应用到不对称三相四线制系统中,不会产生零序泄露误差。谐波检测环节中针对二阶Butterworth低通滤波器的不足之处进行了改进,选择由Butterworth低通滤波器与平均值电流滤波器相串联的形式。仿真结果表明,所设计的低通滤波器效果优于单独使用的Butterworth低通滤波器。针对谐波电流具有时变和变化率高的特点,文中对电流预测控制进行了研究。从电流预测控制的三个基本特征出发,对其进行了系统结构的搭建和数学公式的推导,包括对给定输入的平滑性设计、预测模型对下一时刻预测输出的计算、反馈校正环节的引入以及对系统性能指标的构建,通过计算得出其控制器传递函数。最后,分析了电流预测控制参数对系统稳定性及动态响应性能的影响。待各环节设计完毕后,在MATLAB/Simulink下搭建了有源电力滤波器系统的仿真模型。仿真结果表明,电流预测控制具有良好的跟踪精度及动态响应性能。相比电流滞环控制,二者具有同样的动态响应性能,但在控制精度和控制系统的鲁棒性方面电流预测控制效果明显优于电流滞环控制。最后,本文给出了基于TMS320F2812 DSP的有源电力滤波器软件设计流程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 谐波的来源、危害及抑制
• 1.1.1 谐波的定义
• 1.1.2 谐波的来源
• 1.1.3 谐波的危害
• 1.1.4 谐波的抑制
• 1.1.5 无功功率的补偿
• 1.2 有源电力滤波器的研究现状
• 1.3 有源电力滤波器的工作原理及分类
• 1.3.1 有源电力滤波器的工作原理
• 1.3.2 有源电力滤波器的分类
• 1.4 本课题的研究目的与完成的工作
• 第2章 有源电力滤波器谐波检测算法
• 2.1 谐波检测算法概述
• 2.2 基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法
• 2.2.1 瞬时无功功率理论的基本原理
• 2.2.2 p-q检测方法的原理及适用范围
• 2.2.3 ip-iq检测方法的原理及适用范围
• 2.2.4 ip-iq检测方法在三相四线制系统中的适用性分析
• 2.3 本章小结
• 第3章 有源电力滤波器控制策略
• 3.1 并联型有源电力滤波器的数学模型
• 3.2 几种常见的电流跟踪控制方法
• 3.3 电流内环电流预测控制
• 3.3.1 预测控制系统结构
• 3.3.2 APF单步预测模型的建立
• 3.3.3 参考轨迹设计
• 3.3.4 反馈校正环节设计
• 3.3.5 控制器设计及计算
• 3.3.6 系统性能分析
• 3.3.7 系统参数与性能之间的关系
• 3.4 电压外环PI控制
• 3.5 本章小结
• 第4章 系统仿真实验分析
• 4.1 低通滤波器设计
• 4.1.1 数字低通滤波器分类
• 4.1.2 数字低通滤波器设计
• 4.2 APF仿真模型的建立及参数设置
• 4.3 MATLAB仿真结果及分析
• 4.3.1 恒定负载下电流跟踪及补偿性能分析
• 4.3.2 负载突变时系统动态响应性能
• 4.4 与电流滞环控制的的对比研究
• 4.4.1 控制精度对比
• 4.4.2 动态响应性能对比
• 4.4.3 APF控制系统的鲁棒性对比
• 4.5 本章小结
• 第5章 有源电力滤波器控制系统软件设计
• 5.1 系统软件结构及功能
• 5.2 主程序模块
• 5.3 中断服务子程序
• 5.3.1 中断捕获
• 5.3.2 功率驱动保护中断
• 5.3.3 T1定时器中断服务程序
• 5.4 本章小结
• 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文