畢業設計-高壓混合有源電力濾波器控制算法的研究-資料下載頁

【導讀】電力系統的諧波問題隨著電力電子裝置的廣泛應用變的越來越嚴重。諧波抑制和無功功率補償的問題己成為電力系統迫切需要解決的問題。本文主要研究并聯混合型有源電力濾波系統。電力濾波系統的結構、運行原理進行了分析。HSHIAPF的有源部分與基波。由于基波串聯諧振支路和注入支路的作用，有源。以承擔一定的無功補償任務。然后確定了基于瞬時無功功率理論的諧波檢。接著著重分析SVPWM空間電壓矢量控制的原理，推導其開關時間。最后對系統有源部分電壓型逆變器輸出波形進行仿真，給出

　　

【正文】 論文 20 第 4章 基于空間電壓矢量 SVPWM 控制 并聯型有源電力濾波器的主要功能是根據非線性負荷的諧波電流，產生相應的補償電流，防止諧波電流流入電力系統造成污染。當檢測出非線性負荷需要補償的電流之后，并聯型 有源電力濾波器的目的是控制逆變器使其輸出的電流跟蹤所需要補償的 線性負荷的諧波電流。主要有兩種控制方法，即電流跟蹤控制與電壓控制。 電流跟蹤控制方法主要有三種：周期采樣控制、滯環比較控制、三角載波控制。以上電流跟蹤控制 方法的優點是非常簡單，容易實現，對并聯型有源電力濾波器的參數及結構依賴性小。電流跟蹤控制方法可以針對逆變器的每個臂來實現，因而如果是三相三線制的結構，則對其三個橋臂分別采用電流跟蹤控制。但對于電壓源型逆變器構成的有源電力濾波器，其輸出電流變化可根據電壓調節來實現。電壓跟蹤控制方法有很多種，空間矢量 PWM、預估計電流 PWM、神經網絡 PWM 控制等。本章主要介紹空間矢量 PWM 調制技術。這種控制方法物理概念清晰，可以采用較低的開關頻率達到滯環比較控制同樣的控制效果。空間矢量控制在實際中得到越來越多的應用。 空間矢量 SVPWM 原理 空間電壓矢量法 (SVPWM)也叫磁通正弦 PWM 法。它以三相對稱正弦波電壓供電時交流電動機的理想磁通圓為基淮 ,用逆變器不同的開關模式所產生的實際磁通去逼近基淮圓磁通。逆變器輸出的三相對稱電壓和合成的空間電壓矢量關系如下所示： ? ?2 2 32 ,3 jou t a b cV V a V a V e ??? ? ? ?………………… ..（ 41） 通過控制磁通或電壓矢量導通時間 ,用盡可能多的多邊形磁通去逼近正弦磁通，若采樣時間足夠小 ,可合成任意電壓矢量 ,其輸出電壓正弦波調制時提高 15%,諧波電流有效值之和接近最小。 圖 41 為一典 型的三相逆變器結構。圖中， Ua、 Ub、 Uc 為逆變器 a、b、 c 三相的輸出相電壓， Uab、 Ubc、 Uca 為其相應的輸出線電壓，開關器件受開關變量 Sa、 Sb、 Sc 的控制。 Q1—— Q6 分別表示 6 個功率開關器件 ，逆變橋的功率管上下互補，不能同時導通。利用功率管的開關狀態和順序組合，以及開關時間的調整，就能使產生的電壓空間矢量以預定軌跡旋轉。 哈爾濱理工大學學士學位論文 21 圖 41 三相逆變器主電路結構 為了分析方便，現規定：上橋臂開關管導通時，開關狀態為 Sa=1，關閉時 Sa=0（其他開關狀態類似）， 由此可知，三個橋臂能形成八種開關模式組合 000， 001， 010， 011， 100， 101， 110， 111。其中 000， 111 開關狀態，逆變器輸出電壓為零，定義為零開關狀態。 根據三相電壓型逆變器電路可以得到三相逆變器輸出線電壓? ?Tab bc caU U U、 、 及 相電壓 ? ?Ta b cU U U、 、 與逆變器開關狀態量 ? ?Ta b cS S S、 、 之間的關系式為： 1 1 00 1 11 0 1abb c d ccaU aU U bcU??? ? ? ? ??? ? ? ? ????? ? ? ? ??? ? ? ? ??? ? ? ???……… … ……… ..(42) 2 1 111 2 131 1 2ab d ccU aU U bcU???? ? ? ? ??? ? ? ? ?? ? ??? ? ? ? ??? ? ? ? ?? ? ? ???……… … ……… (43) 將 a、 b、 c 三相轉換到 ??? 兩靜止坐標下，變換矩陣為： 1112 2203 3322abcUUUUU???? ???????? ????? ???? ??? ??????……… ..… …… (44) 1112 2203 3322ab d ccSUSUUS???? ???????? ????? ???? ??? ??????… … ...…… ..(45) 八種開關狀態在坐標 ??? 上對應了八個基本電壓空間矢量，其中兩種開哈爾濱理工大學學士學位論文 22 關狀態形成的電壓矢量為零矢量，其余六個有效矢量幅值均等于23dcU ，且相鄰兩個矢量間的夾角為 60? ，從而把坐標 ??? 平面分為六個扇區。各基本電壓矢量如圖 42 所示。 圖 42 電壓空間矢量扇區計算示意圖 空間矢量 SVPWM 的算法的實現 由 SVPWM 的基礎理論，即平均值等效原理，每個扇區內的參考電壓矢量均可按各相開關器件僅開、關動作各一次的原則，由所屬扇區內兩相鄰基本電壓空間矢量來合成，矢量合成的作用效果是和參考電壓矢量的作用效果等效的。矢量合成如圖 43 所示 哈爾濱理工大學學士學位論文 23 圖 43 電壓空間矢量合成圖 outU 為給定的輸出參考電壓矢量 ,其幅值為輸出線電壓有效值。 xU 和60xU? 為與 outU 相鄰的兩個有效的基本電壓矢量，其中 x 可以等于 0、 60、1 180、 240 和 300。 12TT、 分別為 xU 和 60xU? 的作用時間 。T 為 參考電壓矢量 outU 的作用時間，即載波 PWM 的周期。 基本矢量作用時間的計算 由于 outU 的幅值軌跡被限于基本空間矢量形成的六邊形之內，故其幅最大 為 2dcU 。按照平行四邊形法則，每個扇區內的 outU 均可由所屬扇區內相鄰兩個有矢量以及零矢量來合成，其中 零矢量起等待作用。由于每個矢量作用的時間都很短 outU 可以表示如下 ： 1 2 6 0 0 0 0 0o u t x xT U T U T U T U?? ? ?………………… (46) 其中， 是零矢量作用的時間， 0 2 1T T T T? ? ? 。 當 outU 以幅值和角度的極坐標形式給出時，由上圖可得 12TT、 ： 122 sin ( )32 sinoutdcoutdcUTTUUTTU? ??? ?????? ???…………………… .(47) 電壓矢量 outU 的角度遞增關系為： step???? …………… .……………… (48) 當 outU 、 xU 和 60xU? 直角坐標給出時， 由式（ 20）可得 12TT、 ： 1601602x x o u tx x o u tU U UT T U U UT ? ? ?? ? ??? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ??? ? ? ? ? ????? ? ? ? ?……………… (49) 扇區判斷 為了確定與參考電壓矢量 outU 相鄰的兩個基本電壓矢量，就必須知道參考電壓矢量所在的扇區。 6 個基本電壓矢量將 ??? 坐標平面分為 6 個扇哈爾濱理工大學學士學位論文 24 區，扇區號如圖 44 所示。 圖 44 電壓空間矢量扇區計算示意圖 設 1 0refU ? 時 1a? ，否則 0a? ； 設 2 0refU ? 時 1b? ，否則 0b? ； 設 3 0refU ? 時 1c? ，否則 0c? 。 則 outU 所在扇區號 sector 可由下式計算的出： sec 2 4tor a b c? ? ?…………………………………… (410) 空間矢量 SVPWM 仿真 針對不同的扇區， 12TT、 的值的計算可歸結為以下 3 個通用變量的計算： 2312 2312 2outdcou t ou tdcou t ou tdcUTXUU U TYUU U TZU?????????????????? ??????????? ??? ????? ??????…… ………… ..(411) 在 12T T T??允許范圍內， 的幅值 2out dcUU? ，扇區內 12TT、 值可由表 41 給出： 哈爾濱理工大學學士學位論文 25 表 41 基本電壓空間矢量作用時間 扇區號 1 2 3 4 5 6 T1 Z Y Z X X Y T2 Y X X Z Y Z 計算出 X、 Y、 Z 后可根據不同扇區得到 T T2 的值，進而可求得功率器件的 開關時間 taon、 tbon、 tcon。 作用時間 T T2和 T0與定時器 3 個比較值的關系表示如下： 1212( ) 422ta o n T T Ttb o n ta o n Ttc o n tb o n T? ? ??????????…………………………… (412) 表 42 各扇區內三個寄存器的賦值表 扇區 寄存器 1 2 3 4 5 6 CMPR1 tbon taon taon tcon tcon tbon CMPR2 taon tcon tbon tbon taon tcon CMPR3 tcon tbon tcon taon tbon taon 三個比較寄存器的賦值如表 42 所示。通過三個比較寄存器的值與定時器的值進行比較，就可以生成 SVPWM 波形。 根據上述 SVPWM 控制算法， SVPWM 模塊的建立可分為三個主要環節來建立： 判斷扇區、確定基本電壓空間矢量作用時間和確定基本電壓矢量作用次序。由各個模塊可建立 SVPWM 的仿真模型如圖 43 所示： 圖 43SVPWM 仿真模型 哈爾濱理工大學學士學位論文 26 圖 44 顯示的是空間矢量電壓 refU 在不同時刻所在扇區位置，從圖中可看出 refU 從扇區 623154 循環變化的規律。 圖 44 扇區仿真波形圖 圖 45 逆變器輸出三相電流波形 本章小結 本章詳細介紹了 空間 電壓 矢量 控制原理 ，以及用 MATLAB 實現仿真的方法。首先給出逆變器的原理構造圖，將三相輸出電壓轉換為 兩相。再對任意空間電壓分解判斷其所屬扇區 ，并對其各開關動作時間進行計算。進而用仿真軟件實現其仿真技術，將逆變器輸出波形仿真輸出。 ia ib ic 哈爾濱理工大學學士學位論文 27 結論 隨著電力電子裝置的廣泛應用，電網的諧波污染越來越嚴重，針對電網的諧波污染及考慮運行成本及性價比，采用混合式有源濾波器成為今后諧波治理的發展趨勢。本文介紹了電力系統的諧波危害及治理意義和采取的措施，國內外諧波治理的發展狀況，詳細的闡述了可用于三相三線制或三相四線制的基于瞬時無功理論的諧波 電流檢測算法，注入式混合有源濾波器的結構及特點，電壓空間矢量的 PWM 控制策略，并在理論分析和仿真上研究的基礎上驗證上述算法和控制策略的正確性。本文研究的主要內容有： 1. 注入式混合有源濾波器的結構及其特點。注入式混合有源濾波器利用基波串聯諧振電路在基波頻率處發生串聯諧振時阻抗很小的特點，將電網基波電壓加在注入電容器 上， 而逆變器只承受很小的諧波電壓，這樣可有效降低 有源濾波器 的容量，從而降低系統成本 。 2. 研究了有源濾波器的諧波檢測方法。本文提出的是基于瞬時無功理論的 pqii? 諧波電流檢測方法，此方法 可以有效地檢測出諧波、無功和負序等有害電流 并不受電網電壓畸變及不對稱影響。 3. 電壓空間矢量的 PWM 控制策略。本文對空間矢量控制技術進行了詳盡的分析， 并對其數字化實現方法進行了 仿真 。 本課題還有一點不足，就是由于時間有限和實驗條件的不足，課題的有些部分不夠完善，希望以后能花更多的時間、精力和財力投入到課題中，爭取把實驗做得更好，為理論研究提供更多、更寶貴的實驗結果。 哈爾濱理工大學學士學位論文 28 致謝 本論文是在我的導師劉驥 老師 的 耐心 指導 和幫助 下完成的，在這 一學期 的 畢業設計學習 中，導師以其淵博的知識，創新的思維，嚴 謹的治學態度和無微不至的關懷與指導令我受益 很多 。我學到了 新知識的同時 提高了自學 能力、分析問題和解決問題的能力 。在此，我深深地表達我的感激之心。 同時， 在課題研究和實驗的過程中，得到了實驗室 的師兄 的大力支持和幫助 ，在此表示 衷心的 感謝。 感謝各位答辯老師驗收和檢閱我這一學期的學習成果，您的指導與建議將是我今后學習工作中的寶貴經驗。 同時，向一直支持我的家人和朋友表示我最真摯的謝意， 感謝他們一直在我人生道路中一直關懷和支持我。 也感謝在大學四年中教過我的所有老師，和與我一起學習、成長的同學們。大學四年的學習生活是我人 生中最值得回憶的經歷，回顧我所取得的每一點進步，無不凝聚了各位老師和同學們的關懷和幫助。在與老師和同學的交流中，我也獲得了不少的知識和啟發，這些都將