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三相四桥臂有源电力滤波器的控制与实验研究

曹震  
【摘要】: 三相四桥臂有源电力滤波器具有内在处理不平衡电流的能力,可以补偿三相四线系统中负序和零序谐波电流。 本文首先建立了三相四桥臂有源电力滤波器在a-b-c和d-q-0坐标系下的数学模型,提出了d-q-0坐标下的交叉解耦和电网电压前馈的控制策略。 针对三相四桥臂有源电力滤波器的结构特点,采用三维空间矢量调制策略。详细介绍了基于a-b-c坐标系的三维空间矢量调制的原理和数字控制算法实现。理论分析和仿真验证表明,三维空间矢量调制与传统的SPWM调制相比,直流电压利用率更高,谐波含量却较低,且随着微处理器的发展,算法执行时间也是完全可以接受的。 谐波指令提取和电流跟踪控制是有源电力滤波器的两大关键技术。针对三相四线制系统不同负载场合,提出了基于同步坐标变换的d-q-0检测法和基于离散傅立叶变换的谐波提取算法,二者混合使用,可实现不同负载下的灵活补偿。分析了三相四桥臂有源电力滤波器的控制目标和任务,得到了d-q-0坐标下的电压外环、电流内环控制框图。详细介绍了电压环和电流环的数字PI控制器的参数设计过程和结果。理论分析表明,单纯的PI控制在有源电力滤波器的电流跟踪控制中,不可能无静差,且随着电流谐波频率的升高,补偿性能越差,甚至完全失去谐波补偿的能力。为减小稳态误差,引入了重复控制,提出了电流环PI控制和重复控制并联的复合控制策略,详细介绍了重复控制器的结构、设计和稳定性分析,并给出了复合控制系统的参数设计过程和结果。理论分析表明,电流环PI控制和重复控制并联的复合控制策略,稳态精度高,动态响应也较快。 通过Matlab仿真软件对三相四桥臂有源电力滤波器的拓扑结构、调制方式、指令提取、控制策略和补偿性能进行了详细分析验证。仿真结果与理论基本一致。 最后,搭建三相四桥臂有源电力滤波器的实验台架,详细介绍了主电路和控制电路的设计过程和结果。采用TI公司的数字信号处理器TMS320F2812作为控制芯片,编写C语言控制程序,完成了系统实验。实验结果较好的验证了理论及仿真分析的正确性,并得出结论:基于三维空间矢量调制与PI和重复控制的三相四桥臂有源电力滤波器,稳态补偿精度高,补偿后的系统电流THD可由补偿前的28.898%降低到补偿后的3.722%,且动态响应也较快,响应时间约40ms,补偿性能良好。


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