注入式混合型有源電力濾波器關鍵技術研究及其工程實現(xiàn).pdf

1、近年來,隨著電力電子技術的發(fā)展,非線性及時變負荷在電網(wǎng)中的應用日趨廣泛,這使得電網(wǎng)諧波污染日益嚴重,無功需求也日益增大。與此同時,電力用戶對電能質量的要求卻日益增高,這就使得電能質量的問題日顯突出。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償裝置,來對系統(tǒng)中的諧波、無功進行有效的抑制和補償。無源濾波器是目前被廣泛采用的一種無功補償和諧波治理裝置,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。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,已成為無功補償和諧波治理的熱點研究方向。
　　 本論文首先介紹了一種適用于不對稱系統(tǒng)的無功、負序以及諧波分量檢測的方法,隨后圍繞某變電站的諧波抑制和無功補償問題進行了深入研究,提出了一種注入式混合型有源電力濾波器(ITHAPF),著重討論了其拓撲結構、工作原理、電流控制、直流側電壓控制、工程應用關鍵技術以及綜合

3、設計等方面的問題,并在理論研究的基礎上提出了基于ITHAPF的諧波分析與治理一體化系統(tǒng)實現(xiàn)方案,最終實現(xiàn)了ITHAPF的工程應用。
　　 準確、快速地檢測電力系統(tǒng)電流中的負序、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鍵。但是,在系統(tǒng)電壓三相不對稱或者存在畸變時,傳統(tǒng)ip-iq電流檢測算法檢測到的無功、負序和諧波電流在幅值和相位上將存在一定的誤差,這會大大影響有源濾波器的補償性能。鑒于此,本文提出了一種基于改進型ip

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

5、容量的無功功率補償?shù)囊?通過對單獨注入式有源電力濾波器和無源濾波器各自優(yōu)點和缺點的分析,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,這種拓撲結構適合于高電壓系統(tǒng)中的應用。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、部分則用來對無源部分濾波后電網(wǎng)中還存在的諧波進行動態(tài)治理。同時,無源部分還可提供一定容量的無功補償。
　　 與常規(guī)APF相比,由于ITHAPF的電感電容數(shù)目大大增加,導致其系統(tǒng)的階數(shù)增高,提高了其控制的復雜性。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,這將對裝置的安全穩(wěn)定運行造成危害。本文對ITHAPF裝置進行了數(shù)學建模

7、,在此基礎上對ITHAPF有源部分基波環(huán)流的產生原理及危害進行了分析,提出了一種電流雙閉環(huán)控制策略,在外環(huán)對注入電流進行控制,在內環(huán)對逆變器輸出電流進行控制。外環(huán)控制主要用來保證系統(tǒng)的補償性能,使注入諧波電流能較好的跟蹤負載諧波電流;內環(huán)控制主要用來保證裝置的安全可靠運行,其在控制系統(tǒng)中增加了阻尼,可抑制系統(tǒng)的諧振,并對逆變器輸出電流進行限制。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ITHAPF逆變器的基波有功電流的控制來維持其直流側電壓的平衡。這時,多采用不可控整流電路來維持直流側電壓。但是在裝置的實際運行工況下,如果裝置接入點電壓含有背景諧波或者存在電壓跌落等問題,往往會引起電網(wǎng)能量從逆變側交流側往直流側倒

9、灌,進而引起ITHAPF直流側電壓的抬升,不但會影響到系統(tǒng)的補償性能,還將對系統(tǒng)的安全運行造成嚴重威脅。本文對電網(wǎng)電壓跌落和電網(wǎng)背景諧波電壓抬升ITHAPF直流側電壓的原理進行了深入分析,在此基礎上提出了四種穩(wěn)定直流側電壓的方法:采用多重化主電路拓撲結構;合理優(yōu)化注入支路參數(shù);加裝直流側能量泄放回路;采用PWM可控整流電路維持直流側電壓。
　　 針對實際工程中出現(xiàn)的電磁干擾、PWM調制方法過程復雜且計算量大、死區(qū)效應影響裝置工作

10、性能等問題,本文研究了ITHAPF工程應用中的關鍵技術。首先,對PWM陡變脈沖信號產生電磁干擾的原因、電磁干擾的危害以及電磁干擾信號的傳導方式進行了分析,并對電磁干擾抑制與電磁兼容設計等內容進行了研究,在此基礎上,提出了抑制ITHAPF裝置電磁干擾的措施,包括減小干擾源強度、切斷干擾傳播途徑、提高系統(tǒng)本身抗干擾能力等。隨后,介紹了一種改進規(guī)則PWM調制方法,該方法較規(guī)則PWM調制方法調制精度有所提高,而計算量卻遠小于自然采樣法。接著,分

11、析了逆變器的死區(qū)效應對輸出精度的影響,提出了一種死區(qū)效應補償方法-電流反饋死區(qū)補償法,并對該方法進行了相關實驗驗證。
　　 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。結合工程實際應用,本文提出了一套ITHAPF參數(shù)設計的方法:對于無源濾波器的設計,需根據(jù)實際工況,確定好調諧次數(shù),并從無源部分的制造成本、所需容量及品質因素等方面進行優(yōu)化設計;對于注入支路的設計,除考慮與無源濾波器設計相同的幾個因素之外

12、,還需對其對有效諧波電流的注入能力以及基波諧振支路的諧波分壓問題進行綜合考慮;對于輸出濾波器的設計,需要從對高頻開關毛刺的濾除能力、對有效諧波的輸出能力等方面進行綜合考慮;對于耦合變壓器的設計,在確定了容量之后,需重點考慮其對有源逆變器的電壓、電流進行優(yōu)化匹配,使功率開關器件的容量得到最充分的利用;對于有源逆變器直流側電容的設計,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電容

13、電壓波動的允許值決定。基于前面的原則,本文設計了一套ITHAPF諧波分析與治理一體化系統(tǒng)。該系統(tǒng)兼有諧波檢測、分析、治理和相關信息發(fā)布等功能,不僅具有諧波動態(tài)治理和一定容量無功靜態(tài)補償?shù)哪芰?還具備諧波分析、諧波信息集成及共享等功能。本文設計的一體化系統(tǒng)實地投運后,諧波治理和無功補償效果均較好。
　　 總之,本文實現(xiàn)了一套基于分層分布式結構的電網(wǎng)諧波監(jiān)測、分析與治理一體化系統(tǒng),為推進大功率混合型有源電力濾波器在我國的實用化進程提