论文摘要
随着国民经济的发展和人们生活水平的提高,用户对电能质量的要求也越来越高,电压质量和谐波的问题变得越来越突出。电压质量和谐波问题日益严重的主要原因是因为输配电技术的落后,对无功、谐波不能实施有效、灵活的控制和补偿,进而不能改善电压质量、降低谐波含量,导致电网运行环境日趋恶劣。因此,推进输配电谐波治理和大容量无功补偿一体化装备的研究并尽快产业化已势在必行。本文以江西某铜箔厂大容量无功补偿和谐波抑制项目为依托,以一种新型注入式混合有源滤波器的工程实现为主线,研究内容涵盖了新型注入式混合有源滤波器的基本工作原理、系统稳定性、检测和控制算法、综合补偿技术、主电路参数设计和相关的工程实现及应用等方面,形成了一套较为完善的谐波治理和大容量无功补偿一体化方案。本文所做研究的特色和创新之处以及获得的有益结论主要体现在以下几个方面:1、根据江西某铜箔厂提出的“可以适用于高电压、大容量谐波系统的治理,并且具有大容量无功静补的能力,同时有源部分容量很小”的要求,本文提出了一种新型的混合有源滤波器拓扑结构,即新型注入式混合有源滤波器。其基本工作原理是:有源部分等效于在电网支路中串联了一个谐波阻抗,该谐波阻抗对基波电流不起作用,而对谐波电流产生很大阻碍作用,迫使谐波电流流入无源滤波器,从而达到滤除谐波的目的;同时新型注入式混合有源滤波器还充分利用了无源滤波器的无功补偿功能,在不增加有源部分容量的前提下,可以提供一定容量的无功功率;由于有源部分承受的电网基波电压不大,也没有基波电流流入,因此逆变器容量小,初期投资较小。本文所提出的新型注入式混合有源滤波器具有抑制电网阻抗与无源滤波器之间的串联、并联谐振,改善无源滤波器的滤波效果以及提高系统鲁棒性三个方面的稳态补偿特性,完全满足该铜箔厂所提出的谐波治理要求。随着有源部分投入容量的增加,新型注入式混合有源滤波器的谐波抑制效果越来越好,但这并不意味着有源部分投入的容量越大越好,其实际取值必须考虑到系统稳定性和工程造价等因素。按照安全、可靠、经济的原则,本文选择了检测电网电流的控制策略,通过对有源部分进行适当控制来等效增大电网支路的谐波阻抗,由于引入了电网电流反馈而形成了闭环控制,整个系统有发生不稳定的可能。通过分析,本文得到了新型注入式混合有源滤波器用于稳定性研究的数学模型,并据此运用劳斯判据讨论了延时、无源滤波器以及电网电感参数对系统稳定性的影响。根据系统稳定性分析的结论,本文提出了一种K值在线自调整技术,使得不论是在轻微畸变状况下还是在严重畸变状况下,新型注入式混合有源滤波器都能实现良好的谐波抑制效果,电网谐波畸变程度被控制到很小。2、众所周知,有源滤波器工作的有效性依赖于是否能够得到真实反映欲补偿分量的参考信号。通过利用幅值积分信号的选频特性,本文提出了正序、负序基波提取器,该正序、负序基波提取器具有对电网基频偏差不敏感、适用于电压(或电流)的正序和负序基波分量准确提取的优点。据此,本文提出了两种检测方法,即改进同步参考坐标法和基于正序、负序基波提取器的检测方法,前者通过采用正序基波提取器,实现对电网正序基波电压矢量的同步旋转跟踪,从而省去了锁相环及三角函数计算;后者则是利用正序基波提取器得出正序基波电流,再与被检测电流相减得到欲补偿分量,由于绕开了对电网正序基波电压的检测,因此既不需要锁相环、低通滤波器,也不需要进行αβ坐标系变换到dq坐标系及其反变换的计算。3、通过改进同步参考坐标法获得了新型注入式混合有源滤波器的参考信号后,为实现对参考信号的实时、精准跟踪,本文对新型注入式混合有源滤波器的电流跟踪控制算法进行了研究。通过采用开关函数建模法,本文获得了用于电流跟踪控制研究的数学模型,并结合双滞环电流控制方法响应速度快、开关损耗低等优点和递推积分PI控制方法无稳态误差的特点,提出了一种新的复合型电流控制方法。该算法利用经典的积分分离控制思想:当误差电流很大时,采用双滞环电流控制方法中的外环控制策略以实现大幅度减小误差电流的目的;当误差电流较大时,采用双滞环电流控制方法中的内环控制策略以实现进一步减小误差电流和减少开关次数、降低开关损耗的双重目的;当误差电流较小时,采用递推积分PI控制方法以实现稳态时误差电流为0的目的。4、为保证新型注入式混合有源滤波器能按其工作原理实现预期的谐波抑制效果,必须对电压源型逆变器所呈现的非线性予以补偿、所产生的高频开关谐波进行抑制。针对实际工程项目中出现的问题,本文重点研究了直流侧电压波动的原因、所造成的负面影响以及保持直流侧电压稳定的实现方法;分析了死区对输出电压的影响,并提出了相关的解决方法;通过对输出电流方向的判断,提出了一种补偿算法用以消除因开关器件电压降所带来的不对称问题;从电流跟踪控制算法、采用基于随机脉冲位置的近似无死区SVPWM调制策略、安装优化设计得到的输出滤波器等方面入手以有效抑制开关谐波;并提出采用一种综合补偿技术,用以改善整个滤波系统的输入、输出性能。5、针对我国在有源滤波器的工程应用研究方面较为薄弱,尤其是大容量有源滤波装置的实际工程应用目前国内少有先例的现状,根据谐波治理项目的工程背景,本文研究了新型注入式混合有源滤波器各个组成部分的优化设计问题:讨论了无源滤波器优化设计所应遵循一般性原则,以及注入支路设计时所应遵循的安全性、可靠性原则,并提出应当运用多目标遗传算法才能获得综合性能较优的无源滤波器;考虑到耦合变压器所起到的电压隔离和均衡原副边电压、电流的作用,因此在设计时应着重考虑变压器的容量大小、变比和联接组问题;在采用输出滤波器有效滤除因功率器件通断所带来的高频开关谐波的同时,还需考虑输出滤波器对有源滤波器补偿性能的影响,并满足电流跟踪要求、确保由电网电压闪变所造成的反相整流现象不会导致功率器件的损坏;为了节省开发和调试周期,新型注入式混合有源滤波器中的大功率逆变器采用的是智能功率模块,但在实际应用时还应注意光隔、控制电源、散热器和驱动接口电路的设计、使用问题,以及直流侧电容的选取;新型注入式混合有源滤波器的系统构成也予以了介绍。目前,新型注入式混合有源滤波器已在江西某铜箔厂成功投运,现场实际应用效果表明,该新型注入式混合有源滤波器能很好的抑制电网谐波,并补偿一定的无功功率,完全达到设计要求,值得推广应用。综上所述,本文以一种新型注入式混合有源滤波器为例,以该混合有源滤波器的拓扑结构、稳定性、谐波检测算法和电流跟踪算法等理论为依托,结合一种旨在稳定直流侧电压、消除死区效应的影响和开关器件电压降所带来的不对称问题、有效抑制开关谐波的综合补偿技术,成功的研制出一套集谐波治理和大容量无功补偿为一体的电能质量改善装备,并将其投入实际工程应用,取得了较好的应用效果。本文的研究工作可为加快其他类型的混合有源滤波器的产业化进程提供借鉴,从而实现还电网一个洁净的电气环境、营造“绿色电网”的目的。
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