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有源电力滤波器谐波检测与抑制方法研究
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  • 用途:硕士毕业论文 Master Thesis
  • 编辑:若诗
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  • 论文编号:el2021012621485421827
  • 日期:2021-01-30
  • 来源:上海论文网
本文是电力论文,随着现代工业技术的飞速发展,大量新型电力电子设备投入工业生产使用,给电网带来谐波污染、功率因数低等电能质量问题。为降低谐波对电网的影响,提升电能质量,本文在对现有治理手段进行分析的基础上选择了并联型有源电力滤波器作为研究对象,所做主要工作如下:(1)对电力系统中谐波特性及各次谐波分布特点进行了分析;对有源电力滤波器拓扑结构进行了比较,详细推导了有源电力滤波器工作原理,分别在三相静止坐标系与两相旋转坐标系下对电压并联型有源滤波器建立了数学模型,对包括直流侧电容、直流侧电压以及连接电感等主电路参数的取值进行了分析,给出了设计方法;基于上述分析建立了系统仿真模型,对上述特定次谐波电流检测方法、锁相环结构及补偿电流跟踪控制方法进行了仿真验证,对全补偿与选择性补偿方式进行了对比,最后在不同工况下对补偿效果进行了分析,验证了设计的合理性。针对传统单同步旋转坐标系锁相环在电网电压畸变条件下不能准确锁相的问题,分析了一种基于二阶广义积分器的锁相环结构;对不同谐波电流检测方法对直流侧电压的影响及电压控制策略进行了分析,详细分析了基于电压空间矢量控制的补偿电流跟踪控制算法,通过MATLAB进行了仿真验证。

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1绪论

 

基于以上对研究背景与研究现状的分析,本文选择并联型有源电力滤波器为研究对象,对其工作原理、参数设计及核心控制算法进行分析,重点对特定次谐波电流检测算法与补偿电流跟踪控制策略进行了研究,通过仿真进行了验证。搭建了三相三线并联型有源电力滤波器硬件平台,开展实验对分析结果进行了验证。本文共分为六章,具体章节安排如下:第一章:介绍了选题的背景与研究意义,综述了谐波产生的原因、危害及治理方法,从拓扑结构、谐波电流检测方法、补偿电流跟踪控制方法等方面阐述了有源电力滤波器的研究现状,分析了特定次谐波补偿的意义,介绍了本文所做工作。第二章:对有源电力滤波器拓扑结构与工作原理进行分析,推导有源电力滤波器在不同坐标系下的数学模型,对电力系统中谐波分布特性进行了分析,对直流侧电容、直流侧电压、交流侧电感等主电路参数进行了分析并给出了取值与设计方法。第三章:对基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法进行分析,由于基波提取算法不能实现对特定次谐波的检测,在此基础上提出了基于谐波提取法的特定次谐波检测算法,可实现对各次谐波的分离检测
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2有源电力滤波器数学模型与参数设计

 

2.1有源电力滤波器系统结构
控制系统主要由指令电流检测电路与补偿电流跟踪控制电路组成。当电网中存在非线性时负载电流iL产生畸变,通过电流互感器对负载侧电流进行检测,经过指令电流检测电路提取出其中谐波成分,若需同时对无功进行补偿也可计算得到无功电流分量,然后将所得指令电流送入补偿电流跟踪控制电路,通过一定控制算法得到PWM脉冲信号,经驱动电路控制变流器产生补偿电流iC,同时对实际补偿电流进行跟踪并修正指令信号以保证交流侧电流为正弦值。根据图2.1中电流参考方向,可理解为由电网和补偿装置共同提供负载电流,其中电网主要提供基波有功电流分量,由APF提供基波无功分量与谐波分量,从而降低谐波在输电线路上的损耗及其他问题。
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2.2数学模型分析
随着电力电子装置的大量应用,已成为电力系统中谐波的主要来源,同时消耗大量无功功率。对电力电子装置带来的谐波与无功问题进行治理前,首先对补偿对象进行分析有利于补偿方式的选择,同时有利于对补偿装置的具体设计。目前电力系统中电力电子装置主要包括整流电路、交流调压电路、交流变频电路等,整流电路根据直流侧接电容或电感元件可分为带滤波电容整流电路和带阻感负载整流电路,根据谐波特性又称为电压源型或电流源型非线性负载。其中带阻感性负载整流电路长期以来作为应用最广的电力电子装置,会同时带来谐波电流与功率因数滞后,而得到大量关注与研究。作为一种电流型谐波源,可由APF装置直接进行补偿,本文以三相桥式整流装置带阻感性负载作为补偿对象,对其谐波特性进行分析。直流侧电压的稳定性也会对系统性能带来影响,为保证系统具有良好的补偿电流跟随性能,应避免直流侧电压产生大幅波动,而直流侧电压的稳定性能与电容值有关。容值过小直流侧母线电压会在负载变化时波动过大,容值选取过大又会造成系统动态性能降低,同时带来成本的增加,选取时须同时考虑电压波动与跟随性能以及成本方面的影响。

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3谐波检测与控制算法研究...................................................................................................19
3.1谐波检测技术............................................................................................................19
3.1.1瞬时无功功率理论.........................................................................................19
3.2三相锁相环设计........................................................................................................26
3.3控制算法研究............................................................................................................29
3.4直流侧电压控制........................................................................................................33
3.5本章小结....................................................................................................................34
4系统仿真分析.......................................................................................................................36
4.1系统仿真模型............................................................................................................36
4.2各模块仿真结果分析................................................................................................37
4.3有源电力滤波器仿真结果分析................................................................................44
4.4本章小结....................................................................................................................50
5硬件电路设计与实验分析...................................................................................................51
5.1系统总方案设计........................................................................................................51
5.2硬件电路设计............................................................................................................52

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5硬件电路设计与实验分析

 

5.1系统总方案设计
主电路采用三相三线制,以三相不可控整流电路加阻感性负载为谐波源,本实验平台采用电源为380V/50Hz三相电源,由20kVA三相调压器提供。有源滤波模块采用并联型拓扑,主要由直流侧储能电容、功率开关器件、交流侧电感等部分构成。信号检测调理电路可分为电压检测与电流检测,检测对象包括交流侧三相电压、直流侧电容电压、负载侧电流以及补偿电流等,由信号调理电路完成强弱电隔离、电平转换、信号放大以及滤波等功能,将霍尔传感器检测信号调整为微处理器可直接处理的电压信号后输入DSP进行AD转换。控制电路作为系统的核心,负责数据信号处理、逻辑计算、发送脉冲控制信号等功能,本实验平台采用TI公司TMS320F28335数字信号处理器。隔离驱动电路将DSP输出的PWM电压信号转换成可驱动IGBT的电压信号驱动逆变桥工作,同时实现强弱电信号的隔离,保护控制电路。

 

5.2硬件电路设计
控制电路作为系统的运算核心,需要负责数据信号处理、控制算法计算、发送脉冲控制信号等功能,对处理器有响应速度快、控制精度高等要求。本实验平台采用TI公司推出的TMS320F28335数字处理器作为控制系统主控芯片,该处理器具有可进行浮点运算内核,运算能力强、存储量大、外设接口丰富、采样率高等优点,满足本文设计需求。本系统中最小系统接线图如图5.3所示,外围电路主要包括时钟电路、复位电路、JTAG接口电路及存储电路等。本课题中需要对三路负载侧电流信号、三路补偿电流信号、三路电网侧电压信号以及直流侧电压信号进行采集,输出六路PWM信号,DSP中所用到的资源主要有ePWM模块、ADC模块、eCAP模块等,本文根据系统需求对控制电路进行了设计。精确的采样电路是实现系统实时精准控制的关键,电压信号用于计算锁相环相位,电流信号用于谐波电流与补偿电流的计算,本文采用霍尔传感器对电网电压和电流信号进行采集,采用精密隔离放大器对直流侧电容电压进行采样,并对信号调理电路进行了设计。

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6总结与展望
对不同谐波检测方法对直流侧电容电压的影响进行分析,发现当负载侧电流发生较大变化时特定次谐波检测方法不会对有功分量造成较大影响而引起直流侧电压波动;(4)分析了锁相环工作原理,针对传统锁相环结构在电网电压不平衡条件下锁相不精确的问题,采用了一种基于二阶广义积分器的锁相环结构,可在电网电压畸变、不平衡等条件下实现精准锁相,通过仿真与实验进行了验证;对直流侧电压波动原因进行分析,通过控制交直流侧有功分量的流动实现对直流侧电压的稳压控制;研究了基于特定次谐波检测方法下补偿电流跟踪控制方法,构建了直流侧电容电压Udc控制外环及补偿电流跟踪控制内环的双闭环控制系统;(5)基于MATLAB/Simulink仿真软件对上述谐波电流检测方法、锁相环结构及补偿电流跟踪控制方法进行了仿真验证,对全补偿与选择性补偿方式进行了对比,并在不同工况下对补偿效果进行了分析;对硬件电路进行了选型,对系统进行了软硬件设计,基于DSP28335芯片搭建了硬件实验平台,通过仿真与实验验证了本文所研究谐波检测与控制方法的正确性。
参考文献(略)