三相四线制三电平三桥臂APF关键技术及其控制研究

【摘要】： 近年,信息技术快速发展,信息传送方式变革,互联网应用大面积覆盖,大量的信息化设备以及周边设备爆炸式的投入使用。这些设备大都属于非线性负载,向电网注入大量谐波,三相四线制系统谐波污染问题正变得越来越严重,因此引起越来越多的重视。三电平三桥臂中点箝位(Neutral-Point Clamped, NPC)结构的三相四线制变换器用作有源滤波器(Active Power Filter, APF),由于具有du/dt低、电流纹波小、开关频率低等优点,近年来越来越受到关注。三电平产品方面,最近两年相继有国内外公司推出了400V／200V等级的低压产品。然而,三相四线制三电平APF相对于两电平APF结构更加复杂,此外直流中点电位不平衡难题也阻碍了NPC结构三电平APF的实用和推广。迄今为止,三相四线制三电平三桥臂NPC结构的APF的一些关键性问题,如中点平衡问题等,国内外尚没有比较系统的研究。 本文主要对三相四线制三电平三桥臂APF的关键问题开展深入研究,所完成的主要研究工作和取得的创新性成果如下： (1)对多种主要的三相四线制三电平APF拓扑结构的数学模型进行了详细的分析讨论,在dq0坐标系下建立了上述拓扑的统一数学模型,基于统一模型研究三相四线制三电平三桥臂电容中分APF时,上层控制律将具有较好的移植性,任何控制律只要对参数稍作修改就可以直接应用于另一种拓扑的APF,不同拓扑APF的控制系统仅在下层调制策略上存在差异。 (2)对造成直流中点电位偏移的电流、电压关系进行了详细分析,并基于分析结论提出了相关指标用于描述电流对直流中点的影响性质和影响程度。同时,还提出了相关评估指标用以评估中点平衡策略对中点电位的控制能力的强弱、有效与否,为研究中点控制问题奠定理论基础。 (3)在αβ0坐标系下对三电平APF空间矢量合成方法进行了细致的分析研究,提出了“中点控制度”的概念,并基于此概念提出了一种基于坐标平移原理的“三维矢量优化选择调制策略”,有效的解决了小扇区中点电位不平衡问题。在a b c坐标系下提出了一种基于中点平衡因子的中点控制三维矢量调制策略,并对中点电位的控制能力进行了分析和评估。发现并解释了直流中点电位“自平衡”现象。 (4)详细分析了数字PI调节器闭环系统的系统参数、设计方法和闭环系统的稳定条件,进而研究串联超前环节对系统相频特性的影响。利用状态反馈控制律将三相四线制APF的闭环极点配置在原点,并利用谐波电流的重复特性设计了一种复合型的谐波电流预测器对谐波电流进行预测,配合状态观测器实现了三相四线制APF电流预测无差拍跟踪,有效改善了谐波补偿的稳态性能和动态性能。利用预测工具对传统的PI电流环进行结构改进,PI电流环的闭环频域特性得到有效的改善,通过合理配置PI参数更可以使电流预测型PI内环实现谐波电流的无静差跟踪。 (5)分析、建立了三相四线制三电平三桥臂APF直流侧dq0坐标系下的数学模型,深入分析论述了适用于三相四线制三电平三桥臂APF的直流电压控制器设计方法。针对直流电压启动过程中点电位难控制的问题,提出注入无功电流的解决方案,有效解决了三相四线制三电平三桥臂APF启动过程的中点平衡问题,为其安全启动提供保障。 (6)设计完成基于TI公司新型浮点型DSP TMS320C28335的三电平APF实验平台,满足三相四线制三电平三桥臂APF复杂的控制需求,对本文的研究内容进行实验验证。