新型注入式混合有源濾波器的理論及其應(yīng)用研究.pdf

1、隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求也越來越高，電壓質(zhì)量和諧波的問題變得越來越突出。電壓質(zhì)量和諧波問題日益嚴(yán)重的主要原因是因?yàn)檩斉潆娂夹g(shù)的落后，對(duì)無功、諧波不能實(shí)施有效、靈活的控制和補(bǔ)償，進(jìn)而不能改善電壓質(zhì)量、降低諧波含量，導(dǎo)致電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境日趨惡劣。因此，推進(jìn)輸配電諧波治理和大容量無功補(bǔ)償一體化裝備的研究并盡快產(chǎn)業(yè)化已勢(shì)在必行。 本文以江西某銅箔廠大容量無功補(bǔ)償和諧波抑制項(xiàng)目為依托，以一種新型注入式混合有

2、源濾波器的工程實(shí)現(xiàn)為主線，研究?jī)?nèi)容涵蓋了新型注入式混合有源濾波器的基本工作原理、系統(tǒng)穩(wěn)定性、檢測(cè)和控制算法、綜合補(bǔ)償技術(shù)、主電路參數(shù)設(shè)計(jì)和相關(guān)的工程實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用等方面，形成了一套較為完善的諧波治理和大容量無功補(bǔ)償一體化方案。本文所做研究的特色和創(chuàng)新之處以及獲得的有益結(jié)論主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1、根據(jù)江西某銅箔廠提出的“可以適用于高電壓、大容量諧波系統(tǒng)的治理，并且具有大容量無功靜補(bǔ)的能力，同時(shí)有源部分容量很小”的要求，本文提出了

3、一種新型的混合有源濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即新型注入式混合有源濾波器。其基本工作原理是：有源部分等效于在電網(wǎng)支路中串聯(lián)了一個(gè)諧波阻抗，該諧波阻抗對(duì)基波電流不起作用，而對(duì)諧波電流產(chǎn)生很大阻礙作用，迫使諧波電流流入無源濾波器，從而達(dá)到濾除諧波的目的；同時(shí)新型注入式混合有源濾波器還充分利用了無源濾波器的無功補(bǔ)償功能，在不增加有源部分容量的前提下，可以提供一定容量的無功功率；由于有源部分承受的電網(wǎng)基波電壓不大，也沒有基波電流流入，因此逆變器容量小，初期

4、投資較小。本文所提出的新型注入式混合有源濾波器具有抑制電網(wǎng)阻抗與無源濾波器之間的串聯(lián)、并聯(lián)諧振，改善無源濾波器的濾波效果以及提高系統(tǒng)魯棒性三個(gè)方面的穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償特性，完全滿足該銅箔廠所提出的諧波治理要求。隨著有源部分投入容量的增加，新型注入式混合有源濾波器的諧波抑制效果越來越好，但這并不意味著有源部分投入的容量越大越好，其實(shí)際取值必須考慮到系統(tǒng)穩(wěn)定性和工程造價(jià)等因素。按照安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的原則，本文選擇了檢測(cè)電網(wǎng)電流的控制策略，通過對(duì)有源部

5、分進(jìn)行適當(dāng)控制來等效增大電網(wǎng)支路的諧波阻抗，由于引入了電網(wǎng)電流反饋而形成了閉環(huán)控制，整個(gè)系統(tǒng)有發(fā)生不穩(wěn)定的可能。通過分析，本文得到了新型注入式混合有源濾波器用于穩(wěn)定性研究的數(shù)學(xué)模型，并據(jù)此運(yùn)用勞斯判據(jù)討論了延時(shí)、無源濾波器以及電網(wǎng)電感參數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的結(jié)論，本文提出了一種K值在線自調(diào)整技術(shù)，使得不論是在輕微畸變狀況下還是在嚴(yán)重畸變狀況下，新型注入式混合有源濾波器都能實(shí)現(xiàn)良好的諧波抑制效果，電網(wǎng)諧波畸變程度被控制

6、到很小。 2、眾所周知，有源濾波器工作的有效性依賴于是否能夠得到真實(shí)反映欲補(bǔ)償分量的參考信號(hào)。通過利用幅值積分信號(hào)的選頻特性，本文提出了正序、負(fù)序基波提取器，該正序、負(fù)序基波提取器具有對(duì)電網(wǎng)基頻偏差不敏感、適用于電壓(或電流)的正序和負(fù)序基波分量準(zhǔn)確提取的優(yōu)點(diǎn)。據(jù)此，本文提出了兩種檢測(cè)方法，即改進(jìn)同步參考坐標(biāo)法和基于正序、負(fù)序基波提取器的檢測(cè)方法，前者通過采用正序基波提取器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)正序基波電壓矢量的同步旋轉(zhuǎn)跟蹤，從而省去了鎖

7、相環(huán)及三角函數(shù)計(jì)算；后者則是利用正序基波提取器得出正序基波電流，再與被檢測(cè)電流相減得到欲補(bǔ)償分量，由于繞開了對(duì)電網(wǎng)正序基波電壓的檢測(cè)，因此既不需要鎖相環(huán)、低通濾波器，也不需要進(jìn)行αβ坐標(biāo)系變換到dq坐標(biāo)系及其反變換的計(jì)算。 3、通過改進(jìn)同步參考坐標(biāo)法獲得了新型注入式混合有源濾波器的參考信號(hào)后，為實(shí)現(xiàn)對(duì)參考信號(hào)的實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)跟蹤，本文對(duì)新型注入式混合有源濾波器的電流跟蹤控制算法進(jìn)行了研究。通過采用開關(guān)函數(shù)建模法，本文獲得了用于電流跟

8、蹤控制研究的數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合雙滯環(huán)電流控制方法響應(yīng)速度快、開關(guān)損耗低等優(yōu)點(diǎn)和遞推積分PI控制方法無穩(wěn)態(tài)誤差的特點(diǎn)，提出了一種新的復(fù)合型電流控制方法。該算法利用經(jīng)典的積分分離控制思想：當(dāng)誤差電流很大時(shí)，采用雙滯環(huán)電流控制方法中的外環(huán)控制策略以實(shí)現(xiàn)大幅度減小誤差電流的目的；當(dāng)誤差電流較大時(shí)，采用雙滯環(huán)電流控制方法中的內(nèi)環(huán)控制策略以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步減小誤差電流和減少開關(guān)次數(shù)、降低開關(guān)損耗的雙重目的；當(dāng)誤差電流較小時(shí)，采用遞推積分PI控制方法以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)

9、態(tài)時(shí)誤差電流為0的目的。 4、為保證新型注入式混合有源濾波器能按其工作原理實(shí)現(xiàn)預(yù)期的諧波抑制效果，必須對(duì)電壓源型逆變器所呈現(xiàn)的非線性予以補(bǔ)償、所產(chǎn)生的高頻開關(guān)諧波進(jìn)行抑制。針對(duì)實(shí)際工程項(xiàng)目中出現(xiàn)的問題，本文重點(diǎn)研究了直流側(cè)電壓波動(dòng)的原因、所造成的負(fù)面影響以及保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)方法；分析了死區(qū)對(duì)輸出電壓的影響，并提出了相關(guān)的解決方法；通過對(duì)輸出電流方向的判斷，提出了一種補(bǔ)償算法用以消除因開關(guān)器件電壓降所帶來的不對(duì)稱問題；從電

10、流跟蹤控制算法、采用基于隨機(jī)脈沖位置的近似無死區(qū)SVPWM調(diào)制策略、安裝優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的輸出濾波器等方面入手以有效抑制開關(guān)諧波；并提出采用一種綜合補(bǔ)償技術(shù)，用以改善整個(gè)濾波系統(tǒng)的輸入、輸出性能。 5、針對(duì)我國(guó)在有源濾波器的工程應(yīng)用研究方面較為薄弱，尤其是大容量有源濾波裝置的實(shí)際工程應(yīng)用目前國(guó)內(nèi)少有先例的現(xiàn)狀，根據(jù)諧波治理項(xiàng)目的工程背景，本文研究了新型注入式混合有源濾波器各個(gè)組成部分的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題：討論了無源濾波器優(yōu)化設(shè)計(jì)所應(yīng)遵循一

11、般性原則，以及注入支路設(shè)計(jì)時(shí)所應(yīng)遵循的安全性、可靠性原則，并提出應(yīng)當(dāng)運(yùn)用多目標(biāo)遺傳算法才能獲得綜合性能較優(yōu)的無源濾波器；考慮到耦合變壓器所起到的電壓隔離和均衡原副邊電壓、電流的作用，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮變壓器的容量大小、變比和聯(lián)接組間題；在采用輸出濾波器有效濾除因功率器件通斷所帶來的高頻開關(guān)諧波的同時(shí)，還需考慮輸出濾波器對(duì)有源濾波器補(bǔ)償性能的影響，并滿足電流跟蹤要求、確保由電網(wǎng)電壓閃變所造成的反相整流現(xiàn)象不會(huì)導(dǎo)致功率器件的損壞；為了節(jié)

12、省開發(fā)和調(diào)試周期，新型注入式混合有源濾波器中的大功率逆變器采用的是智能功率模塊，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)還應(yīng)注意光隔、控制電源、散熱器和驅(qū)動(dòng)接口電路的設(shè)計(jì)、使用問題，以及直流側(cè)電容的選??；新型注入式混合有源濾波器的系統(tǒng)構(gòu)成也予以了介紹。目前，新型注入式混合有源濾波器已在江西某銅箔廠成功投運(yùn)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用效果表明，該新型注入式混合有源濾波器能很好的抑制電網(wǎng)諧波，并補(bǔ)償一定的無功功率，完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，值得推廣應(yīng)用。 綜上所述，本文以一種新型

13、注入式混合有源濾波器為例，以該混合有源濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、諧波檢測(cè)算法和電流跟蹤算法等理論為依托，結(jié)合一種旨在穩(wěn)定直流側(cè)電壓、消除死區(qū)效應(yīng)的影響和開關(guān)器件電壓降所帶來的不對(duì)稱問題、有效抑制開關(guān)諧波的綜合補(bǔ)償技術(shù)，成功的研制出一套集諧波治理和大容量無功補(bǔ)償為一體的電能質(zhì)量改善裝備，并將其投入實(shí)際工程應(yīng)用，取得了較好的應(yīng)用效果。本文的研究工作可為加快其他類型的混合有源濾波器的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程提供借鑒，從而實(shí)現(xiàn)還電網(wǎng)一個(gè)潔凈的電氣環(huán)境、營(yíng)造“