基于空间矢量无差拍电流控制的有源滤波器研究

本课题为教育部博士点基金项目“电网谐波抑制技术的研究”(20101402120004)的组成部分,是针对电网中日益严重的谐波污染问题提出的。与无源滤波器相比,有源电力滤波器具有动态补偿谐波与无功功率的优势,成为解决谐波问题、提高电能质量的有效措施,将会广泛应用于电力和工业领域。 本文将三相三线制并联型有源电力滤波器作为研究对象,分析了其结构与基本原理,研究了常用的谐波检测方法,确定了基于电压空间矢量的无差拍控制方案,设计了有源电力滤波器的部分硬件电路和软件系统,基本实现了谐波补偿。研究的主要内容如下： 介绍了有源电力滤波器的国内外研究动态、分类和基本原理。研究了基于瞬时无功功率理论的ip-iq谐波检测法和基于单位功率因数的谐波检测法。通过对比分析它们的优缺点,确定采用基于单位功率因数的谐波检测法进行谐波检测。为了抑制电网电压畸变对检测效果的影响以及提高检测的实时性,引入锁相环电路,并采用移动窗积分法实现低通滤波器。 建立了有源电力滤波器的数学模型,研究了电压空间矢量控制。为了提高补偿电流跟踪控制的实时性,将电压空间矢量控制与无差拍控制结合作为有源滤波器系统的控制方案。研究了线性预测法、抛物线预测法和重复预测观测器的预测方法。对直流侧电压的控制,则采用PI调节器维持直流侧电压的稳定,并给出了PI参数的设计方法。 介绍了有源电力滤波器主电路参数的设计方法。使用MATLAB软件对ip-iq法、基于单位功率因数的谐波检测法及其改进方法进行了仿真研究,结果表明改进的单位功率因数谐波检测法能抑制电压畸变的影响且检测的实时好。又在MATLAB平台上搭建了有源电力滤波器的仿真模型,采用以上三种预测算法进行了有源电力滤波器的仿真。仿真结果证明了所选控制方案的可行性和有效性,也表明重复预测观测器的预测效果最好,因此采用重复预测观测器实现指令电流的预测。 设计了有源电力滤波器的部分硬件电路,包括以TMS320F2812DSP为核心的控制电路、驱动电路与保护电路,并进行了调试使它们能正常工作。 在硬件电路的基础上使用C语言设计了其软件系统,包括主程序和中断服务程序。主程序是由初始化程序、键盘扫描和处理子程序及显示子程序组成。中断服务程序包括三个捕获单元中断、CPU定时器中断与功率驱动保护中断。通过调试使程序实现了谐波电流检测算法、基于电压空间矢量的无差拍控制算法、PI控制算法、显示以及保护功能。 搭建了有源电力滤波器的软硬件实验平台,并进行了实验研究。实验结果证明了所选谐波检测法和控制方案的可行性和有效性,使设计出的有源电力滤波器能可靠的运行并实现主要次谐波的补偿,特别是对低次谐波有明显的抑制作用。