高压大容量交流有源电力滤波器的研究

论文摘要

本文针对10kV～35kV高压交流配电系统中日益严重的谐波与无功危害,在全面总结国内外有关高压大容量交流有源电力滤波器方案并分析其存在不足的基础上,将传统变压器理论与现代电力电子技术有机地结合起来,提出了三种新型的适用于高压交流配电系统的有源电力滤波技术新方案,通过理论推导、仿真分析和实验结果论证了这三种新方案的正确性、有效性和实用性,为高压大容量交流有源电力滤波器的工程应用奠定了一定的基础。全文研究的内容主要涉及六个方面:1、为了解决有源电力滤波器的大容量问题,提出一种变压器二次侧多补偿绕组的结构。将此变压器应用于基于基波磁通补偿的串联混合型有源电力滤波器中,成功地研制了一套100kVA的实验样机。实时检测串联变压器一次侧的基波电流,根据基波磁通补偿条件,得到基波补偿电流的指令信号,通过电力电子变流器跟踪产生基波补偿电流注入到二次侧多个补偿绕组中,使得串联变压器对基波电流呈现很小的一次侧漏阻抗,对谐波电流呈现很大的一次侧自阻抗,从而迫使负载谐波电流流入无源滤波器支路。通过采用三个独立的单相变压器的结构,该有源电力滤波器在三相负载严重不平衡时,也能具有极好的谐波抑制能力。该有源电力滤波器中各变流器结构完全相同,通过模块化设计很容易实现。通过将此有源电力滤波器与TCR联合使用,可以实现谐波抑制与无功功率补偿相结合。2、提出一种基于线性并联变压器谐波阻抗控制的并联型有源电力滤波器新方案。实时检测并联变压器一次侧的谐波电流,根据谐波补偿条件,得到谐波补偿电流的指令信号,通过电力电子变流器跟踪产生谐波补偿电流注入到二次侧补偿绕组中,使得并联变压器对谐波电流呈现近似为零的低阻抗,对基波电流呈现很大的一次侧自阻抗,从而输导系统中的谐波电流流入并联变压器支路。并联变压器铁心开有气隙,工作在较低的磁密状态,该工作点位于B-H曲线的线性段,以确保滤波效果。通过并联变压器降压隔离,该有源电力滤波器中的功率半导体开关器件始终工作在安全范围之内,确保了装置的安全性、可靠性。通过采用并联变压器二次侧多补偿绕组的结构,可以大大提高有源电力滤波器的容量。3、提出一种基于线性并联变压器谐波阻抗控制与基波阻抗可调的并联混合型有源电力滤波器新方案。实时检测并联变压器一次侧的谐波电流与基波电流,根据恒定的谐波补偿系数与实时变化的基波补偿系数,计算出补偿电流的指令信号,通过电力电子变流器跟踪产生补偿电流注入到二次侧补偿绕组中,使得并联变压器对谐波电流呈现近似为零的低阻抗,对基波电流呈现连续无级可调的电抗。因而,该有源电力滤波器不仅能够有效地输导系统中的谐波电流流入并联变压器支路,与无源滤波器相结合,还能够实时补偿系统的无功功率。同样通过采用并联变压器二次侧多补偿绕组的结构来提高有源电力滤波器的容量。4、提出三种单相有源电力滤波器指令电流的提取方法,即基于LC并联谐振的基波电流检测方法、基于开关电容滤波器的基波电流检测方法、基于单相d-q变换的谐波电流检测方法及其改进电路。针对基于谐波阻抗控制的并联型有源电力滤波器和基于谐波阻抗控制与基波阻抗可调的并联混合型有源电力滤波器独特的工作原理,提出一种指令电流离线检测方法,此检测方法由于不存在延时而具有理想的快速性。通过采用三相各自独立检测的策略,这些检测方法同样可以用于三相有源电力滤波器。5、对本文提出的三种有源电力滤波器建立了精确的数学模型,推导出通用的传递函数,给出了系统稳定的充要条件。结合实验样机应用情况,对有源电力滤波器中应用最广泛的瞬时值比较电流非线性控制和三角波比较电流线性控制进行了研究。6、对本文三种实验样机中涉及到的辅助电路与系统进行了研究。主要涵盖五个方面的内容:IGBT栅极驱动原理及样机中使用的三种驱动电路、电压型桥式变换器中典型的IGBT缓冲电路、IGBT过流过压与过热保护方法、样机中变压器与电感设计原则、控制系统的设计思想。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 谐波与无功问题及其解决方案
• 1.2 有源滤波技术的发展
• 1.3 高压交流有源电力滤波器的研究现状
• 1.4 课题来源及主要内容概述
• 2 三相大容量串联混合型有源电力滤波器
• 2.1 引言
• 2.2 工作原理
• 2.3 主电路拓扑及实验结果
• 2.4 有源滤波与TCR 组合的方案及实验结果
• 2.5 小结
• 3 基于谐波阻抗控制的并联型有源电力滤波器
• 3.1 引言
• 3.2 工作原理
• 3.3 主电路拓扑及仿真研究
• 3.4 实验结果及分析
• 3.5 小结
• 4 并联型APF 与新型SVC 的统一实现
• 4.1 引言
• 4.2 工作原理
• 4.3 主电路拓扑及仿真研究
• 4.4 实验结果及分析
• 4.5 小结
• 5 有源电力滤波器中的指令电流提取方法
• 5.1 引言
• 5.2 指令电流离线检测方法
• 5.3 基于LC 并联谐振的检测方法
• 5.4 基于开关电容滤波器的检测方法
• 5.5 基于单相d-q 变换的检测原理及其改进电路
• 5.6 小结
• 6 有源电力滤波器中的电流跟踪控制方式
• 6.1 引言
• 6.2 控制系统的数学模型及稳定性分析
• 6.3 瞬时值比较电流控制方式
• 6.4 三角波比较电流控制方式
• 6.5 小结
• 7 有源电力滤波器中的辅助电路与系统
• 7.1 引言
• 7.2 驱动电路
• 7.3 缓冲电路
• 7.4 保护电路
• 7.5 变压器与电感
• 7.6 控制系统
• 7.7 小结
• 8 全文总结及后续工作的展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 串联型和并联型有源电力滤波器存在的问题及改善的途径
• 8.3 统一电能质量调节器UPQC 研究的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表的学术论文