基于空间矢量模型预测控制的有源电力滤波器研究

发布时间：2018-12-17 23:12

【摘要】：随着现代工业技术的发展,电力系统中非线性负载逐渐增加,给电网注入了大量的谐波电流,电能质量问题日益严重。与无源滤波器相比,有源电力滤波器(active power filter,APF)凭借其高度的可控性和良好的补偿性能成为研究的热点。目前,有源电力滤波器的控制方法多种多样,其中,模型预测控制以其参数易于设计,动态响应快,易于应用非线性系统等特点被广泛关注,具有广阔的应用前景,但传统模型预测控制同时存在开关频率不固定、有差控制方式等缺点,严重限制了模型预测控制的发展。为此,本文提出基于空间矢量模型预测控制的有源电力滤波器作为研究课题。本文研究的内容主要有:1、在分析目前有源电力滤波器主要拓扑的基础上,并考虑到LCL滤波器比L滤波器具有更强的滤波能力和更小的体积,确定基于LCL滤波的三相并联型有源电力滤波器的拓扑结构,阐述其工作原理,分别建立了系统在abc坐标系、??坐标系、dq坐标系下的数学模型,由于??坐标系下的变量不存在耦合关系,易于分析,选取??坐标系下数学模型作为空间矢量模型预测控制分析的基础。2、重点研究了有源电力滤波器中首要关键技术谐波检测技术。详细分析了工程上目前广泛应用的两种方法,即基于傅里叶分析的谐波检测法和基于同步坐标变换(synchronous reference frame,SRF)的检测法,并针对傅里叶分析法存在计算量大、计算突变负载谐波有延时和传统同步坐标变换检测法不能检测任意次谐波的缺点,在传统同步坐标变换检测法的基础上提出基于广义同步旋转坐标变换的检测法,该方法不仅能准确检测出任意指定次数的谐波,还能准确检测出无功分量,并且具有计算量小,快速响应等特点。3、重点研究了有源电力滤波器中另一关键环节逆变控制环节。本文采用电流内环电压外环双闭环控制策略,其中,电流内环控制采用基于电压空间矢量的模型预测控制,采用空间矢量调制(SVPWM)控制与有限控制集模型预测控制(finite control set model pre-dictive current control,FCS-MPC)相结合的原理,通过改进的模型预测控制来减少计算量,然后针对模型预测控制本身存在的开关频率不固定、对器件要求高、有差控制方式等缺点,结合两者控制的特点提出基于空间矢量的模型预测控制。该控制方法具有直流侧电压利用率高、开关频率固定、无差控制等特点。电压外环采用控制有功电流的方法来维持稳定。4、利用MATLAB/Simulink工具搭建了基于空间矢量模型预测控制的有源电力滤波器仿真模型,对比分析了系统模型在平衡负载和非平衡负载情况下的稳态和暂态特性。5、在理论分析和仿真的基础上,进行了主电路、控制电路和控制软件的设计。其中,主电路的设计包括LCL滤波器、直流侧电压和电容、功率模块的设计;控制电路设计包括电压采样调理电路、电流采用调理电路、过零检测电路的设计;控制系统的软件设计给出了主程序和中断程序的流程图。根据以上设计搭建了一款有源电力滤波器样机,通过搭建的样机进行实验来验证本文所述理论的正确性。通过仿真模型和样机实验,结果均表明所设计的有源电力滤波器系统能够有效抑制谐波、补偿无功和改善三相不平衡,而且直流侧电压基本维持稳定,从而验证了本文所述理论的正确性,对工程实践起了一定的指导作用和应用价值。
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【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM761;TN713.8

【参考文献】