新型注入式混合有源濾波器的理論及其應用研究.pdf

1、隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，用戶對電能質量的要求也越來越高，電壓質量和諧波的問題變得越來越突出。電壓質量和諧波問題日益嚴重的主要原因是因為輸配電技術的落后，對無功、諧波不能實施有效、靈活的控制和補償，進而不能改善電壓質量、降低諧波含量，導致電網(wǎng)運行環(huán)境日趨惡劣。因此，推進輸配電諧波治理和大容量無功補償一體化裝備的研究并盡快產業(yè)化已勢在必行。 本文以江西某銅箔廠大容量無功補償和諧波抑制項目為依托，以一種新型注入式混合有

2、源濾波器的工程實現(xiàn)為主線，研究內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、檢測和控制算法、綜合補償技術、主電路參數(shù)設計和相關的工程實現(xiàn)及應用等方面，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論主要體現(xiàn)在以下幾個方面： 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的能力，同時有源部分容量很小”的要求，本文提出了

3、一種新型的混合有源濾波器拓撲結構，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)了一個諧波阻抗，該諧波阻抗對基波電流不起作用，而對諧波電流產生很大阻礙作用，迫使諧波電流流入無源濾波器，從而達到濾除諧波的目的；同時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)魯棒性三個方面的穩(wěn)態(tài)補償特性，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，其實際取值必須考慮到系統(tǒng)穩(wěn)定性和工程造價等因素。按照安全、可靠、經(jīng)濟的原則，本文選擇了檢測電網(wǎng)電流的控制策略，通過對有源部

5、分進行適當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)學模型，并據(jù)此運用勞斯判據(jù)討論了延時、無源濾波器以及電網(wǎng)電感參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的結論，本文提出了一種K值在線自調整技術，使得不論是在輕微畸變狀況下還是在嚴重畸變狀況下，新型注入式混合有源濾波器都能實現(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反映欲補償分量的參考信號。通過利用幅值積分信號的選頻特性，本文提出了正序、負序基波提取器，該正序、負序基波提取器具有對電網(wǎng)基頻偏差不敏感、適用于電壓(或電流)的正序和負序基波分量準確提取的優(yōu)點。據(jù)此，本文提出了兩種檢測方法，即改進同步參考坐標法和基于正序、負序基波提取器的檢測方法，前者通過采用正序基波提取器，實現(xiàn)對電網(wǎng)正序基波電壓矢量的同步旋轉跟蹤，從而省去了鎖

7、相環(huán)及三角函數(shù)計算；后者則是利用正序基波提取器得出正序基波電流，再與被檢測電流相減得到欲補償分量，由于繞開了對電網(wǎng)正序基波電壓的檢測，因此既不需要鎖相環(huán)、低通濾波器，也不需要進行αβ坐標系變換到dq坐標系及其反變換的計算。 3、通過改進同步參考坐標法獲得了新型注入式混合有源濾波器的參考信號后，為實現(xiàn)對參考信號的實時、精準跟蹤，本文對新型注入式混合有源濾波器的電流跟蹤控制算法進行了研究。通過采用開關函數(shù)建模法，本文獲得了用于電流跟

8、蹤控制研究的數(shù)學模型，并結合雙滯環(huán)電流控制方法響應速度快、開關損耗低等優(yōu)點和遞推積分PI控制方法無穩(wěn)態(tài)誤差的特點，提出了一種新的復合型電流控制方法。該算法利用經(jīng)典的積分分離控制思想：當誤差電流很大時，采用雙滯環(huán)電流控制方法中的外環(huán)控制策略以實現(xiàn)大幅度減小誤差電流的目的；當誤差電流較大時，采用雙滯環(huán)電流控制方法中的內環(huán)控制策略以實現(xiàn)進一步減小誤差電流和減少開關次數(shù)、降低開關損耗的雙重目的；當誤差電流較小時，采用遞推積分PI控制方法以實現(xiàn)穩(wěn)

9、態(tài)時誤差電流為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現(xiàn)預期的諧波抑制效果，必須對電壓源型逆變器所呈現(xiàn)的非線性予以補償、所產生的高頻開關諧波進行抑制。針對實際工程項目中出現(xiàn)的問題，本文重點研究了直流側電壓波動的原因、所造成的負面影響以及保持直流側電壓穩(wěn)定的實現(xiàn)方法；分析了死區(qū)對輸出電壓的影響，并提出了相關的解決方法；通過對輸出電流方向的判斷，提出了一種補償算法用以消除因開關器件電壓降所帶來的不對稱問題；從電

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

11、般性原則，以及注入支路設計時所應遵循的安全性、可靠性原則，并提出應當運用多目標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，因此在設計時應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諧波的同時，還需考慮輸出濾波器對有源濾波器補償性能的影響，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)象不會導致功率器件的損壞；為了節(jié)

12、省開發(fā)和調試周期，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，但在實際應用時還應注意光隔、控制電源、散熱器和驅動接口電路的設計、使用問題，以及直流側電容的選??；新型注入式混合有源濾波器的系統(tǒng)構成也予以了介紹。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，現(xiàn)場實際應用效果表明，該新型注入式混合有源濾波器能很好的抑制電網(wǎng)諧波，并補償一定的無功功率，完全達到設計要求，值得推廣應用。 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撲結構、穩(wěn)定性、諧波檢測算法和電流跟蹤算法等理論為依托，結合一種旨在穩(wěn)定直流側電壓、消除死區(qū)效應的影響和開關器件電壓降所帶來的不對稱問題、有效抑制開關諧波的綜合補償技術，成功的研制出一套集諧波治理和大容量無功補償為一體的電能質量改善裝備，并將其投入實際工程應用，取得了較好的應用效果。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業(yè)化進程提供借鑒，從而實現(xiàn)還電網(wǎng)一個潔凈的電氣環(huán)境、營造“