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三相四线制三电平有源电力滤波器研究

三相四线制三电平有源电力滤波器研究

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作者：王晓杰中国矿业大学

学位级别：硕士

在三相四线制低压供电系统中,随着电力电子装置及各种非线性负荷的广泛投入使用,电网被注入大量谐波,中线承受负荷也越来越重。有源电力滤波器(Active Power Filter)由于可以动态补偿谐波与无功,因而近年来在谐波治理方面受到广泛关注... 详细信息

在三相四线制低压供电系统中,随着电力电子装置及各种非线性负荷的广泛投入使用,电网被注入大量谐波,中线承受负荷也越来越重。有源电力滤波器(Active Power Filter)由于可以动态补偿谐波与无功,因而近年来在谐波治理方面受到广泛关注。本文以三相四线制三电平电容中分式有源电力滤波器为研究对象,建立其在abc坐标系、αβ0坐标系下的数学模型。分析电容电压与相电流的数学关系,得出各矢量状态对中点电位的影响,并引出中点平衡因子指标衡量中点电位的偏移情况。详细分析abc坐标系下的三维空间矢量调制策略,对通过三维子空间扩展实现中点电位平衡的方法进行详细介绍。针对三维空间矢量调制的复杂性,以伏秒平衡为基础,提出了三相四线制三电平电容中分式拓扑的简化调制策略。简化调制策略无需在三维空间进行复杂的矢量合成,直接从单相入手进行简单的伏秒平衡计算。类比于三维空间中的子空间扩展,提出了适用于简化调制策略的矢量状态扩展方法以实现中点电位平衡。通过三相矢量合成运算,证明了矢量状态扩展前后参考电压矢量的一致性,为本文提出的简化调制策略提供了理论支撑。进一步地,通过对比三维空间矢量调制与简化调制策略的占空比结果,证明了本文所提出的简化调制策略与三维空间矢量调制的归一化特性。以平均中点控制因子作为评判调制算法对中点控制能力的指标,推导了本文提出的简化调制算法下的平均中点控制因子表达式。最后对所提出的简化调制策略进行了仿真与实验验证,仿真与实验结果表明该简化调制算法不但运算量小,而且中点控制能力强。阐述了重复控制的基本思想,分别从稳定性,扰动抑制,误差收敛,稳态误差四个方面对重复控制的特性进行分析。针对重复控制器动态响应慢的缺点,将重复控制器与PI串联,并给出了其详细的设计过程。针对传统重复控制无法适应电网频率变化的缺点,将分数阶重复控制应用于三相四线制三电平电容中分式有源电力滤波器。通过仿真对分数阶重复控制进行了验证,仿真结果表明分数阶重复控制在电网频率变化时仍具有较好的稳态精度。最后以不控整流桥构造的三相不平衡负载对重复控制串联PI的稳态精度,动态性能进行了实验测试。设计完成基于DSP+FPGA的数字控制系统。在该系统平台上,选用了两组均含有直流分量的三相非线性不平衡负载,对本文所研究的调制策略与控制策略进行了实验验证。

关键词：三相四线制三电平三维空间矢量调制简化调制策略重复控制

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基于LCL滤波的NPC三电平VSR谐振抑制策略研究

基于LCL滤波的NPC三电平VSR谐振抑制策略研究

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作者：詹琪中国矿业大学

学位级别：硕士

21世纪以来,太阳能、风能等可再生能源的并网发电日益受到广泛关注。大功率的脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation,PWM）整流器作为电网接口处常用的变流装置,一方面关注其交流侧电流谐波总畸变率（Total Harmonic Distortion,THD）,... 详细信息

21世纪以来,太阳能、风能等可再生能源的并网发电日益受到广泛关注。大功率的脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation,PWM）整流器作为电网接口处常用的变流装置,一方面关注其交流侧电流谐波总畸变率（Total Harmonic Distortion,THD）,另一方面需要保证其高功率因数运行。在较低的开关频率和相同的THD要求下,LCL滤波器具有更小的电感值,能够减小系统的体积和成本,且对高次谐波的衰减性能优异。但是,其固有的谐振峰极易导致整流器运行不稳定。本文主要针对抑制LCL滤波器谐振的无源阻尼和有源阻尼方法分别进行研究。首先,本文以基于LCL滤波的NPC三电平电压源型整流器（Voltage Source Rectifier,VSR）为研究对象,分析了NPC三电平VSR的工作原理,建立了系统主拓扑的数学模型,并分析和解决了NPC三电平拓扑固有的中点电位失衡问题。其次,对滤波电容串联阻尼电阻的无源阻尼进行了研究。分析了NPC三电平VSR交流侧电流纹波最大值,并针对传统参数设计过程中网侧电感值和阻尼电阻值的反复迭代问题,引入“阻尼系数”并作为设计指标之一,避免了因兼顾谐振阻尼程度和开关次谐波衰减率而导致的参数优化迭代。分析了相应的控制策略并完成了调节器的参数设计。此外,分析了数字控制下延时产生的原因,研究了数字控制延时对网侧电流反馈（Grid Side Current Feedback,GSCF）方式稳定性的影响。针对大功率场合下,无源阻尼方法额外产生阻尼损耗的问题,重点研究了滤波电容电流反馈的有源阻尼。在离散域内深入分析数字控制延时对电容电流反馈方式的影响,推导并给出了系统的稳定性约束条件和相应的参数设计步骤,据此,完成对电容电流反馈系数和调节器参数的设计。最后,使用Matlab/Simulink构建系统模型进行仿真验证,并在实验室条件下搭建实验平台进行实物验证,对本文所作研究与设计的正确性和有效性进一步验证。

关键词： PWM整流器 LCL滤波器简化调制策略数字控制延时无源阻尼有源阻尼

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两级式非隔离型逆变器离网运行控制策略研究

两级式非隔离型逆变器离网运行控制策略研究

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作者：陆超中国矿业大学

学位级别：硕士

随着新能源以及储能技术的发展和应用,为了提高系统的功率密度与效率,对系统的电压等级提出了更高的要求。然而,单级式逆变器输出电压范围小,无法满足系统要求。因此,在单级式逆变器的基础上加入DC/DC变换器,构成两级式逆变器,既提高了... 详细信息

随着新能源以及储能技术的发展和应用,为了提高系统的功率密度与效率,对系统的电压等级提出了更高的要求。然而,单级式逆变器输出电压范围小,无法满足系统要求。因此,在单级式逆变器的基础上加入DC/DC变换器,构成两级式逆变器,既提高了系统的输出电压,同时又可以实现更为灵活的功率控制。本文以两级式逆变器作为研究对象,重点研究前级DC/DC变换器与后级DC/AC变换器的控制策略以及调制策略,以实现母线电压稳定、输出电压恒压恒频等目标。其中,选取Buck/Boost变换器作为前级DC/DC变换器,选用两电平逆变器作为后级DC/AC变换器。同时采用电解电容维持中间母线电压的稳定,实现了前后两级变换器的解耦,因此前后两级变换器的控制器参数可以分别设计。首先,运用小信号分析法建立了Buck/Boost变换器工作在Buck模式与Boost模式下的数学模型,采用等幅值坐标变换建立了两电平逆变器在静止坐标系与旋转坐标系下的数学模型,以所建立的模型为基础完成控制器的设计。其次,针对Buck/Boost变换器,通过双闭环控制维持输出电压稳定。为便于模式切换,Buck/Boost变换器中的开关管互补导通,电流内环被控对象相同,将Buck模式与Boost模式下的电流环合并,双闭环PI控制由两个电压外环与一个电流内环构成。为避免PI控制器中的积分饱和,采用积分限幅算法。针对两电平逆变器,重点研究其离网运行时控制策略。当逆变器带三相平衡负载时,采用前馈解耦控制策略实现了输出电压恒压恒频的控制目标。逆变器带不平衡负载时,为抑制输出电压中的负序分量,本文采用了重复控制器。介绍了重复控制器的基本原理以及结构,并从稳定性、抗干扰性能、误差收敛速度、稳态误差四个方面对重复控制器的性能进行分析。因延迟环节的存在导致重复控制器动态响应速度慢,为此将PI控制器、准PR控制器与重复控制器并联构成复合控制,提高系统的动态响应能力。同时,给出了重复控制器参数的详细设计过程。此外,针对传统SVPWM算法计算量大的问题,提出了两电平简化PWM调制算法。通过对传统七段式SVPWM伏秒平衡公式的推导,强化约束条件,简化计算过程,直接得到三相作用时间。通过注入零序分量对三相作用时间进行修正以实现调制度的扩展,理论证明其最大调制度为1.15,与传统SVPWM算法相同。仿真与实验验证了该简化调制策略的有效性。最后,使用Simulink构建仿真模型,并搭建了以DSP+FPGA为控制中心的两级式逆变器实验平台,详细介绍了硬件电路参数和软件设计流程。通过仿真和实验验证了本文所提出的调制策略以及所采用的控制策略的有效性。

关键词：逆变器 Buck/Boost变换器简化调制策略前馈解耦控制重复控制

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