基于模型预测的有源电力滤波器控制策略研究
发布时间：2021-11-18 22:55
随着大量的电力电子设备和非线性负载广泛应用到电力系统当中,谐波污染问题愈发严重。有源电力滤波器（Active Power Filter,APF）因其补偿容量大、配置灵活、补偿效果好等优点备受关注。本文以三相三线制三电平APF为研究对象,分别对其电流跟踪控制策略和中点电位平衡策略展开研究。首先,建立了三相三线制中点钳位型（Neutral Point Clamped,NPC）三电平APF的数学模型,并对其中点电位平衡问题展开分析;分析传统模型预测控制策略的预测模型和构建价值函数环节,详细阐述了其工作原理和优缺点;针对模型预测算法中存在的延时问题,分析了延时的影响,并给出一种简单的两步预测方法用以解决算法延时问题。针对中点平衡问题,采用一种基于预测原理的中点电位平衡算法,利用冗余小矢量对中点电位作用相反的特点,结合当前中点电位和冗余小矢量预测下一时刻中点电位,计算出使得下一时刻中点电位为零的冗余小矢量作用时间,根据计算出的时间重新调整冗余小矢量的作用时间,最终达到中点电位平衡的目的。针对传统模型预测控制滚动寻优环节中存在的待寻优开关状态多、计算量大的问题,虽然有文献提出了基于扇区判断的简化算...
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：99 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
矢量修正示意图
5APF系统设计与实验分析59制系统，控制系统内部包含锁相环、坐标变换、谐波检测、直流侧电压PI控制器、模型预测电流控制器等，其中模型预测电流控制算法为本文研究的重点。5.2硬件电路设计(HardwareCircuitDesign)5.2.1处理器选择由于APF系统运算量较大，特别是模型预测控制算法要消耗大量的处理器资源，因此运算处理器选择了应用广泛的浮点型数字处理器TMS320F28335，其主频高达150MHz，浮点运算速度较快，拥有一个12位的高速AD转换模块，并包含16个信号采样通道，转换时间最快可达80ns，因此该DSP芯片能够基本满足APF系统的运算要求。为了减小DSP处理器的运算负担，选择赛灵思spartan6系列xc6slx9型号的FPGA处理器作为DSP处理器的辅助芯片，用以完成脉冲产生和脉冲保护环节。5.2.2电源电路设计APF系统的弱电控制电路的电源采用24V开关电源供电，通过不同的电源芯片将24V电源转换成不同电压等级的电源，系统所需电源电压以及对应的电源转换芯片原理图如图5-2所示。CTRLVINU2+24V123465+24VGNDURB2405LD_20WR2GND_AD+5V+TrimGND0V+Vo+CTRLVINU4+24V123465+24VGNDURA2415LD_20WR2GND_AD+15V+0VGND-Vo+Vo+-15V+（a）5V电源（b）±15V电源（c）3.3V电源（d）1.8V电源（e）2.5V电源（f）1.2V电源图5-2电源转换原理图Figure5-2Schematicdiagramofpowerconversion
硕士学位论文64障判断与保护、谐波提娶指令电流预测和模型预测电流控制策略的实现等环节，最终将计算出的最优开关状态通过XINTF接口发送给FPGA；FPGA程序设计采用Verilog硬件描述语言完成，其通过接收DSP发送的开关状态完成PWM脉冲的产生与保护。由于系统核心算法在DSP程序中实现，下文将重点介绍DSP程序设计部分，为方便分析，将DSP程序设计分为主程序设计和中断程序设计两部分。中断程序的流程图如图5-8所示。首先，DSP主程序设计主要承担系统初始化工作，具体包括系统时钟初始化、AD采样初始化、GPIO口初始化、SPI初始化、XINTF初始化、中断函数初始化等；其中AD采样初始化主要完成片内12位ADC模块的配置，并开启对11路电压、电流信号的采样；SPI初始化主要完成SPI的配置，以便于将待观察量发送到外部DA芯片，DA芯片将观察量的数字量转换为模拟量以便于在示波器上观察；XINTF初始化完成相应的配置，以便于同FPGA芯片进行通信，DSP将通过XINTF接口将开关状态发送至FPGA的双口RAM，FPGA从双口RAM中读取数据进行处理。其次，DSP中断程序设计主要承担系统核心控制算法，其具体过程为：系统进入中断，读取11路AD寄存器的值并进行标幺；判断是否存在过压过流故障，如果出现过压过流现象，则立即封锁脉冲，反之，则执行如下控制算法：谐波电检测、谐波电流指令预测、模型预测电流控制算法、向FPGA发送开关状态等。5.4实验结果与分析(ExperimentalResultsandAnalysis)图5-9三相三线制APF实验平台Figure5-9Experimentalplatformofthree-phasethree-wireAPF
【参考文献】：
期刊论文
[1]多机并联LCL型APF谐振特性分析及抑制策略研究[J]. 陈继开,郭鸿健,成毅平,王鹏,耿宇锋,李贵森. 电力电容器与无功补偿. 2019(04)
[2]基于改进PI+重复控制的光伏逆变器谐波抑制方法[J]. 裴星宇,甘德树,柯清派,冯伯庚,蒋芳玉,程旭. 电力电容器与无功补偿. 2019(04)
[3]有源电力滤波器的研究现状与展望[J]. 王雪,高云广,吝伶艳,宋建成,吕世轩. 电力系统保护与控制. 2019(01)
[4]三电平并网变换器的模型预测控制[J]. 王洋,程志江,李永东. 电力系统及其自动化学报. 2018(10)
[5]改进微电网并网逆变器滞环电流控制策略[J]. 代满意,陈华,郑芬. 电力电子技术. 2018(04)
[6]三电平中性点钳位整流器模型预测电流控制算法[J]. 许珈宁,吴智轩,田军凯,王兴电. 电源学报. 2019(01)
[7]采用模型预测控制的APF谐波电流补偿的研究[J]. 高赟,王天旺,王元浩,左占国. 电力电子技术. 2016(10)
[8]基于快速矢量选择的永磁同步电机模型预测控制[J]. 张永昌,杨海涛,魏香龙. 电工技术学报. 2016(06)
[9]滑窗迭代DFT检测谐波和无功电流的新算法[J]. 张杰成,乔鸣忠,朱鹏,马战毅,杜承东. 电力系统及其自动化学报. 2015(12)
[10]一种改进的PR控制器在三电平APF中的应用[J]. 马骏,时珊珊,李正力,于浩然. 电力电子技术. 2015(09)
博士论文
[1]基于预测控制有源电力滤波器关键技术研究[D]. 李锦彬.福州大学 2017
[2]大功率三电平PWM整流器模型预测控制方法[D]. 曹晓冬.中国矿业大学 2017
[3]有源电力滤波器谐波检测与控制算法研究[D]. 王实.合肥工业大学 2015
[4]串联混合有源电力滤波器新型控制技术研究[D]. 童立青.浙江大学 2009
硕士论文
[1]三相三线制有源电力滤波器预测控制研究[D]. 胡博.中国矿业大学 2019
[2]预测控制在四桥臂有源电力滤波器中的应用研究[D]. 王耀萱.中国矿业大学 2019
[3]基于改进的瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法研究[D]. 符旭浩.江苏大学 2019
[4]三相三线制并联型三电平有源电力滤波器研究[D]. 吴远.中国矿业大学 2017
[5]一种新型无源滤波器的研究与设计[D]. 孙佳越.哈尔滨理工大学 2016
[6]并联型有源电力滤波器补偿精度优化研究[D]. 杨惠雯.电子科技大学 2016
[7]三相并联有源电力滤波器的预测电流控制方法研究[D]. 段娟凤.湖南大学 2016
[8]基于神经网络的电力系统谐波检测[D]. 杨磊.西南交通大学 2015
[9]有源电力滤波器模型预测控制策略研究[D]. 王晓莹.中国矿业大学 2015
[10]并联型有源滤波器谐波检测与控制技术研究[D]. 贾宇虹.浙江大学 2014
本文编号：3503783
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：99 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
矢量修正示意图
5APF系统设计与实验分析59制系统，控制系统内部包含锁相环、坐标变换、谐波检测、直流侧电压PI控制器、模型预测电流控制器等，其中模型预测电流控制算法为本文研究的重点。5.2硬件电路设计(HardwareCircuitDesign)5.2.1处理器选择由于APF系统运算量较大，特别是模型预测控制算法要消耗大量的处理器资源，因此运算处理器选择了应用广泛的浮点型数字处理器TMS320F28335，其主频高达150MHz，浮点运算速度较快，拥有一个12位的高速AD转换模块，并包含16个信号采样通道，转换时间最快可达80ns，因此该DSP芯片能够基本满足APF系统的运算要求。为了减小DSP处理器的运算负担，选择赛灵思spartan6系列xc6slx9型号的FPGA处理器作为DSP处理器的辅助芯片，用以完成脉冲产生和脉冲保护环节。5.2.2电源电路设计APF系统的弱电控制电路的电源采用24V开关电源供电，通过不同的电源芯片将24V电源转换成不同电压等级的电源，系统所需电源电压以及对应的电源转换芯片原理图如图5-2所示。CTRLVINU2+24V123465+24VGNDURB2405LD_20WR2GND_AD+5V+TrimGND0V+Vo+CTRLVINU4+24V123465+24VGNDURA2415LD_20WR2GND_AD+15V+0VGND-Vo+Vo+-15V+（a）5V电源（b）±15V电源（c）3.3V电源（d）1.8V电源（e）2.5V电源（f）1.2V电源图5-2电源转换原理图Figure5-2Schematicdiagramofpowerconversion
硕士学位论文64障判断与保护、谐波提娶指令电流预测和模型预测电流控制策略的实现等环节，最终将计算出的最优开关状态通过XINTF接口发送给FPGA；FPGA程序设计采用Verilog硬件描述语言完成，其通过接收DSP发送的开关状态完成PWM脉冲的产生与保护。由于系统核心算法在DSP程序中实现，下文将重点介绍DSP程序设计部分，为方便分析，将DSP程序设计分为主程序设计和中断程序设计两部分。中断程序的流程图如图5-8所示。首先，DSP主程序设计主要承担系统初始化工作，具体包括系统时钟初始化、AD采样初始化、GPIO口初始化、SPI初始化、XINTF初始化、中断函数初始化等；其中AD采样初始化主要完成片内12位ADC模块的配置，并开启对11路电压、电流信号的采样；SPI初始化主要完成SPI的配置，以便于将待观察量发送到外部DA芯片，DA芯片将观察量的数字量转换为模拟量以便于在示波器上观察；XINTF初始化完成相应的配置，以便于同FPGA芯片进行通信，DSP将通过XINTF接口将开关状态发送至FPGA的双口RAM，FPGA从双口RAM中读取数据进行处理。其次，DSP中断程序设计主要承担系统核心控制算法，其具体过程为：系统进入中断，读取11路AD寄存器的值并进行标幺；判断是否存在过压过流故障，如果出现过压过流现象，则立即封锁脉冲，反之，则执行如下控制算法：谐波电检测、谐波电流指令预测、模型预测电流控制算法、向FPGA发送开关状态等。5.4实验结果与分析(ExperimentalResultsandAnalysis)图5-9三相三线制APF实验平台Figure5-9Experimentalplatformofthree-phasethree-wireAPF
【参考文献】：
期刊论文
[1]多机并联LCL型APF谐振特性分析及抑制策略研究[J]. 陈继开,郭鸿健,成毅平,王鹏,耿宇锋,李贵森. 电力电容器与无功补偿. 2019(04)
[2]基于改进PI+重复控制的光伏逆变器谐波抑制方法[J]. 裴星宇,甘德树,柯清派,冯伯庚,蒋芳玉,程旭. 电力电容器与无功补偿. 2019(04)
[3]有源电力滤波器的研究现状与展望[J]. 王雪,高云广,吝伶艳,宋建成,吕世轩. 电力系统保护与控制. 2019(01)
[4]三电平并网变换器的模型预测控制[J]. 王洋,程志江,李永东. 电力系统及其自动化学报. 2018(10)
[5]改进微电网并网逆变器滞环电流控制策略[J]. 代满意,陈华,郑芬. 电力电子技术. 2018(04)
[6]三电平中性点钳位整流器模型预测电流控制算法[J]. 许珈宁,吴智轩,田军凯,王兴电. 电源学报. 2019(01)
[7]采用模型预测控制的APF谐波电流补偿的研究[J]. 高赟,王天旺,王元浩,左占国. 电力电子技术. 2016(10)
[8]基于快速矢量选择的永磁同步电机模型预测控制[J]. 张永昌,杨海涛,魏香龙. 电工技术学报. 2016(06)
[9]滑窗迭代DFT检测谐波和无功电流的新算法[J]. 张杰成,乔鸣忠,朱鹏,马战毅,杜承东. 电力系统及其自动化学报. 2015(12)
[10]一种改进的PR控制器在三电平APF中的应用[J]. 马骏,时珊珊,李正力,于浩然. 电力电子技术. 2015(09)
博士论文
[1]基于预测控制有源电力滤波器关键技术研究[D]. 李锦彬.福州大学 2017
[2]大功率三电平PWM整流器模型预测控制方法[D]. 曹晓冬.中国矿业大学 2017
[3]有源电力滤波器谐波检测与控制算法研究[D]. 王实.合肥工业大学 2015
[4]串联混合有源电力滤波器新型控制技术研究[D]. 童立青.浙江大学 2009
硕士论文
[1]三相三线制有源电力滤波器预测控制研究[D]. 胡博.中国矿业大学 2019
[2]预测控制在四桥臂有源电力滤波器中的应用研究[D]. 王耀萱.中国矿业大学 2019
[3]基于改进的瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法研究[D]. 符旭浩.江苏大学 2019
[4]三相三线制并联型三电平有源电力滤波器研究[D]. 吴远.中国矿业大学 2017
[5]一种新型无源滤波器的研究与设计[D]. 孙佳越.哈尔滨理工大学 2016
[6]并联型有源电力滤波器补偿精度优化研究[D]. 杨惠雯.电子科技大学 2016
[7]三相并联有源电力滤波器的预测电流控制方法研究[D]. 段娟凤.湖南大学 2016
[8]基于神经网络的电力系统谐波检测[D]. 杨磊.西南交通大学 2015
[9]有源电力滤波器模型预测控制策略研究[D]. 王晓莹.中国矿业大学 2015
[10]并联型有源滤波器谐波检测与控制技术研究[D]. 贾宇虹.浙江大学 2014
本文编号：3503783
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/3503783.html
