注入式混合型有源電力濾波器關(guān)鍵技術(shù)研究及其工程實(shí)現(xiàn).pdf

1、近年來,隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,非線性及時(shí)變負(fù)荷在電網(wǎng)中的應(yīng)用日趨廣泛,這使得電網(wǎng)諧波污染日益嚴(yán)重,無功需求也日益增大。與此同時(shí),電力用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求卻日益增高,這就使得電能質(zhì)量的問題日顯突出。為降低電網(wǎng)中的諧波含量,改善電壓質(zhì)量,電力系統(tǒng)已迫切需要一種大容量的諧波治理和無功補(bǔ)償裝置,來對(duì)系統(tǒng)中的諧波、無功進(jìn)行有效的抑制和補(bǔ)償。無源濾波器是目前被廣泛采用的一種無功補(bǔ)償和諧波治理裝置,但其存在只能濾除指定次數(shù)諧波,有與電網(wǎng)發(fā)生串并聯(lián)諧

2、振可能的固有缺陷,存在被其它新型裝置取代的趨勢(shì)。其中典型的代表是混合型有源濾波器,它兼具有無源濾波器和有源濾波器的優(yōu)點(diǎn),已成為無功補(bǔ)償和諧波治理的熱點(diǎn)研究方向。
　　 本論文首先介紹了一種適用于不對(duì)稱系統(tǒng)的無功、負(fù)序以及諧波分量檢測(cè)的方法,隨后圍繞某變電站的諧波抑制和無功補(bǔ)償問題進(jìn)行了深入研究,提出了一種注入式混合型有源電力濾波器(ITHAPF),著重討論了其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理、電流控制、直流側(cè)電壓控制、工程應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)以及綜合

3、設(shè)計(jì)等方面的問題,并在理論研究的基礎(chǔ)上提出了基于ITHAPF的諧波分析與治理一體化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案,最終實(shí)現(xiàn)了ITHAPF的工程應(yīng)用。
　　 準(zhǔn)確、快速地檢測(cè)電力系統(tǒng)電流中的負(fù)序、無功和諧波成份是保證有源電力濾波器具備良好工作性能的關(guān)鍵。但是,在系統(tǒng)電壓三相不對(duì)稱或者存在畸變時(shí),傳統(tǒng)ip-iq電流檢測(cè)算法檢測(cè)到的無功、負(fù)序和諧波電流在幅值和相位上將存在一定的誤差,這會(huì)大大影響有源濾波器的補(bǔ)償性能。鑒于此,本文提出了一種基于改進(jìn)型ip

4、-iq算法的新型檢測(cè)方法,該方法不僅適用于負(fù)載不對(duì)稱系統(tǒng),而且適用于電源電壓不對(duì)稱系統(tǒng)。在檢測(cè)過程中,該方法不需要采用鎖相環(huán)(PLL)電路獲得同步旋轉(zhuǎn)角,即使在系統(tǒng)三相電壓不對(duì)稱或者畸變時(shí),也不需要對(duì)電壓進(jìn)行鎖相、濾波或者對(duì)稱分解,整個(gè)算法的基準(zhǔn)矢量相位是由數(shù)字檢測(cè)系統(tǒng)自身精確給定的,從而消除了PLL和濾波器延時(shí)帶來的影響,減小了檢測(cè)誤差,能準(zhǔn)確檢測(cè)出電流的無功、負(fù)序和諧波分量。
　　 針對(duì)某變電站不僅需要治理諧波,而且需要一定

5、容量的無功功率補(bǔ)償?shù)囊?通過對(duì)單獨(dú)注入式有源電力濾波器和無源濾波器各自優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)的分析,本文提出了一種諧振注入式混合型有源濾波器ITHAPF,由無源濾波器組、有源逆變器和注入支路等部分組成,其有源部分通過注入支路并聯(lián)入電網(wǎng)。注入支路中的基波諧振支路使得ITHAPF有源部分承受的基波電壓很小,這大大減小了有源部分的所需容量。因而,這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適合于高電壓系統(tǒng)中的應(yīng)用。ITHAPF的無源部分主要用來濾除電網(wǎng)中含量較大的特定次數(shù)諧波,而有源

6、部分則用來對(duì)無源部分濾波后電網(wǎng)中還存在的諧波進(jìn)行動(dòng)態(tài)治理。同時(shí),無源部分還可提供一定容量的無功補(bǔ)償。
　　 與常規(guī)APF相比,由于ITHAPF的電感電容數(shù)目大大增加,導(dǎo)致其系統(tǒng)的階數(shù)增高,提高了其控制的復(fù)雜性。并且由于注入支路中基波諧振支路的存在,如果控制系統(tǒng)的參考信號(hào)存在微小誤差,使得輸出指令中含有基波分量,那么將在ITHAPF的有源部分形成很大的基波電流,這將對(duì)裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成危害。本文對(duì)ITHAPF裝置進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模

7、,在此基礎(chǔ)上對(duì)ITHAPF有源部分基波環(huán)流的產(chǎn)生原理及危害進(jìn)行了分析,提出了一種電流雙閉環(huán)控制策略,在外環(huán)對(duì)注入電流進(jìn)行控制,在內(nèi)環(huán)對(duì)逆變器輸出電流進(jìn)行控制。外環(huán)控制主要用來保證系統(tǒng)的補(bǔ)償性能,使注入諧波電流能較好的跟蹤負(fù)載諧波電流;內(nèi)環(huán)控制主要用來保證裝置的安全可靠運(yùn)行,其在控制系統(tǒng)中增加了阻尼,可抑制系統(tǒng)的諧振,并對(duì)逆變器輸出電流進(jìn)行限制。電流外環(huán)控制器采用廣義積分算法后,控制系統(tǒng)增益在需要濾除的諧波頻率處將會(huì)大大增加,而在其它頻率

8、處則變化不大,這一特性使得ITHAPF對(duì)電網(wǎng)諧波電流具有良好的跟蹤性能。
　　 ITHAPF的注入支路中包含了基波諧振支路,理論上將使得ITHAPF有源部分承受的電網(wǎng)基波電壓幾乎為零。因此,很難通過對(duì)ITHAPF逆變器的基波有功電流的控制來維持其直流側(cè)電壓的平衡。這時(shí),多采用不可控整流電路來維持直流側(cè)電壓。但是在裝置的實(shí)際運(yùn)行工況下,如果裝置接入點(diǎn)電壓含有背景諧波或者存在電壓跌落等問題,往往會(huì)引起電網(wǎng)能量從逆變側(cè)交流側(cè)往直流側(cè)倒

9、灌,進(jìn)而引起ITHAPF直流側(cè)電壓的抬升,不但會(huì)影響到系統(tǒng)的補(bǔ)償性能,還將對(duì)系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅。本文對(duì)電網(wǎng)電壓跌落和電網(wǎng)背景諧波電壓抬升ITHAPF直流側(cè)電壓的原理進(jìn)行了深入分析,在此基礎(chǔ)上提出了四種穩(wěn)定直流側(cè)電壓的方法:采用多重化主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);合理優(yōu)化注入支路參數(shù);加裝直流側(cè)能量泄放回路;采用PWM可控整流電路維持直流側(cè)電壓。
　　 針對(duì)實(shí)際工程中出現(xiàn)的電磁干擾、PWM調(diào)制方法過程復(fù)雜且計(jì)算量大、死區(qū)效應(yīng)影響裝置工作

10、性能等問題,本文研究了ITHAPF工程應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)。首先,對(duì)PWM陡變脈沖信號(hào)產(chǎn)生電磁干擾的原因、電磁干擾的危害以及電磁干擾信號(hào)的傳導(dǎo)方式進(jìn)行了分析,并對(duì)電磁干擾抑制與電磁兼容設(shè)計(jì)等內(nèi)容進(jìn)行了研究,在此基礎(chǔ)上,提出了抑制ITHAPF裝置電磁干擾的措施,包括減小干擾源強(qiáng)度、切斷干擾傳播途徑、提高系統(tǒng)本身抗干擾能力等。隨后,介紹了一種改進(jìn)規(guī)則PWM調(diào)制方法,該方法較規(guī)則PWM調(diào)制方法調(diào)制精度有所提高,而計(jì)算量卻遠(yuǎn)小于自然采樣法。接著,分

11、析了逆變器的死區(qū)效應(yīng)對(duì)輸出精度的影響,提出了一種死區(qū)效應(yīng)補(bǔ)償方法-電流反饋死區(qū)補(bǔ)償法,并對(duì)該方法進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　 本文的理論和仿真分析表明,ITHAPF的濾波性能與其主電路參數(shù)密切相關(guān)。結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用,本文提出了一套ITHAPF參數(shù)設(shè)計(jì)的方法:對(duì)于無源濾波器的設(shè)計(jì),需根據(jù)實(shí)際工況,確定好調(diào)諧次數(shù),并從無源部分的制造成本、所需容量及品質(zhì)因素等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);對(duì)于注入支路的設(shè)計(jì),除考慮與無源濾波器設(shè)計(jì)相同的幾個(gè)因素之外

12、,還需對(duì)其對(duì)有效諧波電流的注入能力以及基波諧振支路的諧波分壓?jiǎn)栴}進(jìn)行綜合考慮;對(duì)于輸出濾波器的設(shè)計(jì),需要從對(duì)高頻開關(guān)毛刺的濾除能力、對(duì)有效諧波的輸出能力等方面進(jìn)行綜合考慮;對(duì)于耦合變壓器的設(shè)計(jì),在確定了容量之后,需重點(diǎn)考慮其對(duì)有源逆變器的電壓、電流進(jìn)行優(yōu)化匹配,使功率開關(guān)器件的容量得到最充分的利用;對(duì)于有源逆變器直流側(cè)電容的設(shè)計(jì),其電壓的取值既需保證逆變器的電流跟蹤能力,又要綜合考慮裝置的成本,而其電容容量的取值,主要由逆變器直流側(cè)電容

13、電壓波動(dòng)的允許值決定?；谇懊娴脑瓌t,本文設(shè)計(jì)了一套ITHAPF諧波分析與治理一體化系統(tǒng)。該系統(tǒng)兼有諧波檢測(cè)、分析、治理和相關(guān)信息發(fā)布等功能,不僅具有諧波動(dòng)態(tài)治理和一定容量無功靜態(tài)補(bǔ)償?shù)哪芰?還具備諧波分析、諧波信息集成及共享等功能。本文設(shè)計(jì)的一體化系統(tǒng)實(shí)地投運(yùn)后,諧波治理和無功補(bǔ)償效果均較好。
　　 總之,本文實(shí)現(xiàn)了一套基于分層分布式結(jié)構(gòu)的電網(wǎng)諧波監(jiān)測(cè)、分析與治理一體化系統(tǒng),為推進(jìn)大功率混合型有源電力濾波器在我國的實(shí)用化進(jìn)程提