模块化多机并联型低压大电流有源滤波关键技术研究

摘要

低压大电流谐波污染源，例如轧钢、电解铝、商场照明等，广泛存在于电网中，这些谐波污染源对电网及用电设备的用电可靠性会带来严重影响。相较于无源型滤波装置的诸多不足，有源型滤波装置具有高度可控性以及快速响应性能，可以实时、高精度动态补偿电网中的谐波，因而被公认为治理电能质量问题最有效的技术手段。随着近几年用电设备的不断增加，电网中的大电流谐波污染源逐渐成为威胁电网安全稳定运行的关键因素，因此低压大电流谐波治理技术成为近几年的发展方向和研究热点。单机扩容受限于器件容量、开关频率、散热处理、可靠性以及成本，而模块化多机并联技术扩展性强、可靠性高，并且可以使用冗余控制技术，是突破这一瓶颈的有效手段。本文针对模块化多机并联型有源滤波的关键技术进行深入研究，为实现高可靠性、高精度的低压大电流有源滤波提供有力技术支持。
　　首先，在并机系统单机谐波电流控制策略方面，创新地从谐波控制系统组成、结构和谐波独立控制三方面功能的角度，分类对比现有APF谐波控制策略，进一步分别提出了选择次补偿和全补偿两种运行模式下的改进谐波分次检测结合集中电流环结构，实现谐波独立控制三方面功能的同时，结构简单、运算量少且不易引起电流环稳定性问题;接着针对所提谐波独立控制结构，以多同步坐标系谐波分次检测结合采用单PI控制器集中电流环为例，定性和定量分析集中电流环静差，给出了校准的具体方法，并通过仿真和实验进行全面分析和验证了所提方法的有效性和可行性。
　　其次，在并机系统多机谐波补偿协调策略方面，对比研究APF三种传统型模块化并联运行方式，即分布式控制方式、集中控制+均流补偿方式、集中控制+分次补偿方式，进一步结合典型低压大电流谐波污染源的负载特性，提出了两种改进型多机协调控制策略，即多机全补偿与分次补偿组合方式、双补偿点多机分次且开闭环结合方式，所提方法充分利用了闭环谐波分次补偿在稳定性能方面的高精度和低频段可大电流特性，以及开环谐波全补偿在动态性能方面的高速性和补偿频次范围宽特性，同时实现了自动冗余运行的高可靠性。针对两种改进型协调策略进行了全面的仿真和实验，所得结果显示，在并机系统协调策略实现大容量谐波补偿的同时，实现了高补偿精度和高可靠性。
　　然后，在并机系统稳定性分析和控制方面，针对弱电网或并机数量较多时多机间存在复杂强耦合情况、以及所有源滤波器单元和谐波负载存在直接耦合情况，首次提出有源滤波谐波控制环导纳，与电流环导纳一起构成有源滤波单元的两端口等效电路，形成全导纳形式的有源滤波并机系统等效电路，从而通过简单的电路分析，即可得到并机系统所有响应表达式;进一步提出了全局耦合增益多项式，可以定性和定量描述出多机间耦合关系的同时，其传递函数稳定性决定了并机系统稳定性，而且表达式易于得到，不受并机单元数量影响;针对全局耦合增益传递函数稳定性的判断，通过分析全局导纳频域特性，创新地提出了并机系统的稳定性判定方法，由于全局导纳频域特性易于得到，所以该方法可以很容易判断出并机系统稳定性，进一步从全局导纳频域特性角度得出并机系统稳定性程度的定量解释，即全局导纳所有谐振点处的阻尼值;以改善所提并机系统全局导纳谐振频次处阻尼特性为目标，提出了多种基于导纳重塑的并机系统稳定性控制方法，通过仿真四种情况（电网阻抗变化，并机数量增加，增加稳定性间接控制和增加稳定性直接控制），得出了并机系统输出电流和对应的全局导纳波特，仿真结果验证了所提方法的有效性。
　　最后，在工业样机设计和现场投运实验方面，从功率电路、控制电路和控制程序三个角度，全面给出了三相四线四臂式APF样机设计，特别针对主电路并网接口，创新地提出了四支路四相独立滤波电路拓扑，并通过并网接口滤波性能参数反推得到最优的电路器件参数，非常有利于APF单元主电路的模块化设计;进一步将研制样机投运至多个工业现场，包括利用单机全补偿楼字节能灯负载，利用四单元并联补偿传统不控整流负载和利用六单元并机补偿大功率相控整流负载。全面的实验结果充分证明本文所设计的模块化多机并联型APF工业样机实现了高精度、高可靠性地低压大电流谐波治理，验证了全文所提的有效性和可行性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．1．1 电能质量问题的分类

1．1．2 电流质量问题的产生及危害

1．1．3 谐波问题的治理

1．1．4 有滤滤波器的发展和分类

1．1．5 并联型有源滤波器的扩容方案

1．1．6 模块化多机并联型低压大电流有源滤波的研究意义

1．2 课题研究的关键技术和现状

1．2．1 单机谐波电流控制策略

1．2．2 多机谐波补偿协调策略

1．2．3 并机系统稳定性分析和控制

1．3 课题研究的创新点和内容

第二章 并机系统单机谐波电流控制策略

2．1 本章概述

2．2 谐波独立控制系统

2．2．1 系统组成

2．2．2 系统功能

2．2．3 系统结构

2．3 改进结构的集中电流环静差分析和校准

2．3．1 集中电流环静差分析

2．3．2 谐波分次检测的幅值和相位校准

2．4 仿真分析

2．5 实验验证

2．5．1 指定次谐波补偿运行模式

2．5．2 全补偿运行模式

2．6 本章小节

第三章 并机系统多机谐波补偿协调策略

3．1 本章概述

3．2 传统型多机协调策略

3．2．1 多机级联方式

3．2．2 多机均流方式

3．3 改进型多机协调策略

3．3．1 两类谐波控制方式分析

3．3．2 改进方案1：多机均流与分次组合方式

3．3．2 改进方案2：多机分次且开闭环结合方式

3．4 仿真分析

3．5 实验验证

3．6 本章小节

第四章 并机系统稳定性分析与控制

4．1 本章概述

4．2 全导纳形式的并机系统等效电路

4．2．1 电流环导纳模型

4．2．2 谐波控制环导纳模型

4．2．3 并机系统等效电路分析

4．3 基于全局导纳的稳定性分析

4．3．1 稳定性分析方法

4．3．2 全局导纳频域特性分析

4．3．3 常见失稳情况汇总及原因分析

4．4 基于导纳重塑的稳定性控制

4．4．1 稳定性控制的目标和方式

4．4．2 稳定性控制的间接方式

4．4．3 稳定性控制的直接方式

4．4．4 稳定性控制方法的比较

4．5 仿真验证

4．5．1 情况1：电网阻抗变化

4．5．2 情况2：并机数量增加

4．5．3 情况3：增加稳定性间接控制

4．5．4 情况4：增加稳定性直接控制

4．6 本章小节

第五章 工业样机设计和现场投运实验

5．1 本章概述

5．2 工业样机设计

5．2．1 功率电路设计

5．2．2 控制电路设计

5．2．3 控制程序设计

5．3 现场投运实验

5．3．1 楼宇节能灯负载全补偿实验(三相四线谐波补偿)

5．3．2 传统不可控整流负载补偿实验(四单元并机补偿)

5．3．3 大功率相控整流负载补偿实验(六单元并机补偿)

5．4 本章小节

第六章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 研究展望

附图：实验装置和现场投运图片

参考文献

攻读博士期间学术成果

致谢