模塊化有源電力濾波器并聯(lián)技術(shù)研究電氣工程專業(yè)

1、第一章 緒論1.1 研究背景與意義電力技術(shù)的發(fā)展使人們的生活方式發(fā)生了巨大改變，電能也成為了人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡闹匾茉础ｋ娔苜|(zhì)量即為電力系統(tǒng)中電能的質(zhì)量，良好的電能質(zhì)量適合用電設(shè)備正常工作。理想的電能應(yīng)該是完美對稱的正弦波，一些因素包括頻率偏差、電壓波動、波形畸變偏離對稱正弦都會導(dǎo)致電能質(zhì)量出現(xiàn)問題。電能質(zhì)量的下降會對用電設(shè)備的安全運行造成重要影響，隨著用電設(shè)備的不斷普及，電能質(zhì)量問題也成為了人們?nèi)找骊P(guān)注的問題，如何改善、提高電能質(zhì)量的任務(wù)也日益緊迫 1。無源電力濾波器、有源電力濾波器和混合有源電力濾波器等成為了治理諧波問題、提高電能質(zhì)量的主要手段。無源電力濾波器(Passive Pow

2、er Filter，PPF)由各種無源器件組合構(gòu)成，包括電抗器、電阻器和電容器等。PPF因具有結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、投資較少、技術(shù)相對成熟、成本低廉等優(yōu)勢在工業(yè)中應(yīng)用比較廣泛，當(dāng)然PPF也存在著許多的不足，如存在占地面積大、損耗大、只能對特定次諧波進行補償、電感電容元件容易形成諧振問題、容量不可調(diào)節(jié)等缺陷，這些問題限制了無源電力濾波器的發(fā)展。有源電力濾波器 (Active Power Filter， APF)相比于無源濾波器具有運行更加穩(wěn)定、諧波補償效果更好、不易于電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振、體積小損耗小等優(yōu)勢，近些年來發(fā)展迅速并在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)然，相比于無源電力濾波器，有源電力濾波器中的元器

3、件種類更多、對元器件的穩(wěn)定可靠性要求更高、控制算法的實現(xiàn)也更為復(fù)雜。電力技術(shù)的不斷發(fā)展導(dǎo)致用電設(shè)備的不斷增加，因此大功率用電場合也不斷增多，有源電力濾波器的容量也要增加以實現(xiàn)大功率的諧波補償與諧波治理。單臺APF應(yīng)用于中低壓小功率場合有效解決了電力系統(tǒng)中的電能質(zhì)量問題并提升了電能質(zhì)量。然而當(dāng)APF應(yīng)用于大功率且可靠性要求的工業(yè)場合時，由于單臺APF存在器件容量、散熱、體積、可靠性等限制因素，這些缺陷將導(dǎo)致單臺在功率大且可靠性要求的場合難以滿足要求。多模塊APF并聯(lián)具有體積小、可靠性好、擴展性強等優(yōu)勢成為了擴大APF容量的有效手段，可廣泛應(yīng)用于大功率且可靠性要求的工業(yè)場合并具有廣闊的發(fā)展前景。因

4、此本文對模塊化有源電力濾波器其中的關(guān)鍵技術(shù)進行研究，為模塊化有源電力濾波器擴充容量且穩(wěn)定可靠運行提供了有力的技術(shù)支持。1.2 多模塊化有源電力濾波器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀有源電力濾波器的基本原理提出與上世紀(jì)的70年代，可由于當(dāng)時電力行業(yè)并未得到充分發(fā)展，且考慮到當(dāng)時的生產(chǎn)能力和成本等問題，因而在工業(yè)場合難以得到廣泛應(yīng)用。有源電力濾波器的原理及概念于1971年由H.Sasaki等人首次提出。80年代以來，電力電子技術(shù)得到了飛速發(fā)展，全控型電力電子元器件的出現(xiàn)、PWM技術(shù)的進步為有源電力濾波器的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。1983年，由日本H.Akagi等人提出的“瞬時無功功率理論”為諧波電流檢測提供了重要的理

5、論依據(jù)，使有源電力濾波器得到了飛速的發(fā)展。之后， IGBT、MOSFET等半導(dǎo)體器件由于高頻率且能夠應(yīng)用于大功率場合得到了廣泛的研制，進一步加快了有源電力濾波器的發(fā)展。目前，國際上許多的知名電氣公司都有相應(yīng)的有源電力濾波器產(chǎn)品，如瑞士的ABB公司、德國的西口子公司、日本三菱電機公司等。我國在有源電力濾波器理論研究方面相對于國外較晚，直到1998年王兆安等人出版的諧波抑制和無功功率補償才為我國諧波治理與電能質(zhì)量問題奠定基礎(chǔ)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、浙江大學(xué)等于90年代開始對有源電力濾波器進行理論研究。2000年以后，我國一些公司如深圳盛弘、上海思源電氣等才開始對有源電力濾波器產(chǎn)品進行開發(fā)與研制

6、。近些年來由于大功率用電場合的日益增多，傳統(tǒng)的有源電力濾波器由于容量、可靠性等因素限制了其在大功率場合的應(yīng)用，因此如何提升有源電力濾波器的容量和可靠性成為了有源電力濾波器的研究熱點，提升有源電力濾波器容量常用的方法包括:混合型濾波器、多模塊化并聯(lián)、多重化等方法。混合型有源濾波器可以應(yīng)用于高壓大功率的諧波治理場合，當(dāng)然它的主要缺點在于有源與無源的諧振問題難以解決且無源部分的參數(shù)難以設(shè)計。多重化技術(shù)由于共用一個直流側(cè)可以減小體積，但電路穩(wěn)定性可靠性較低，當(dāng)其中一臺APF出現(xiàn)故障時整個系統(tǒng)便難以運行，且控制電路的設(shè)計也較為復(fù)雜。多模塊化有源電力濾波器因其可以提升系統(tǒng)的功率與可靠性，并且擴展性好、可實

7、現(xiàn)冗余控制，近些年來得到了廣泛的研究，成為了有源電力濾波器應(yīng)用于大功率工業(yè)場合的發(fā)展方向3-5。模塊化有源電力濾波器實在模塊化電源系統(tǒng)概念的基礎(chǔ)上推廣和引申出來的。早期的集中式供電系統(tǒng)由于采用單臺大功率電源供電，因此供電可靠性較低。在八十年代，以分布式電源為基礎(chǔ)的模塊化電源系統(tǒng)由于可實現(xiàn)熱插拔，系統(tǒng)的安全性和可靠性得到了提升，于是替代了早期的集中式供電系統(tǒng)。模塊化有源電力濾波器、模塊化光伏逆變器組件等也由于模塊化電源系統(tǒng)的生產(chǎn)與應(yīng)用而得到了廣泛發(fā)展，多模塊化有源電力濾波器在大功率、可靠性要求高的工業(yè)場合也擁有很好的發(fā)展前景6。多模塊化有源電力濾波器的優(yōu)勢主要為以下幾點:(1)可進行容量擴展，可

8、進行冗余控制，可以根據(jù)功率等級調(diào)整有源電力濾波器的模塊控制，以滿足不同場合不同功率等級諧波治理，方便維修，系統(tǒng)拓展性強;(2)單個模塊所占體積較小，使用方便，功率密度大。系統(tǒng)的開關(guān)頻率降低，由此帶來的開關(guān)損耗也相應(yīng)減小;(3)可制造為統(tǒng)一尺寸，易于大規(guī)模、批量化生產(chǎn)，可以提高生產(chǎn)效率并節(jié)約成本; 圖1.1為模塊化并聯(lián)有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中所示的模塊化并聯(lián)有源電力濾波器是由N個相同的APF模塊并聯(lián)組成，模塊與模塊之間相互獨立，每個模塊的輸出電流可以相同也可完全不相同，一個模塊出現(xiàn)故障從而停止工作時其它模塊仍然可以正常運行，不會影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，從而保證了系統(tǒng)的高度可靠性與穩(wěn)定性。

9、采用小功率有源電力濾波器并聯(lián)形成模塊化有源電力濾波器實現(xiàn)大功率諧波補償已成為電能質(zhì)量問題的重要解決方法。圖 1.1模塊化并聯(lián)有源電力濾波器結(jié)構(gòu)圖Fig 1.1 Structure diagram of modular shunt active power filter1.3 多模塊并聯(lián)型有源電力濾波器關(guān)鍵技術(shù)1.3.1 多模塊并聯(lián)APF諧波檢測技術(shù)模塊化APF負(fù)載諧波電流檢測算法的準(zhǔn)確性是APF能否準(zhǔn)確發(fā)出補償電流的關(guān)鍵。APF常用的諧波檢測方法主要可分為時域內(nèi)和頻域內(nèi)的檢測方法，基于時域內(nèi)和頻域內(nèi)的具體諧波檢測方法如圖1.2所示。頻域檢測算法主要是基于傅里葉分析以實現(xiàn)數(shù)字信號處理，該方法在單

10、相系統(tǒng)和三相系統(tǒng)都適用，主要包括:傳統(tǒng)的傅里葉和FFT算法、離散傅里葉算法(DFT)等。頻域檢測算法在穩(wěn)態(tài)時諧波檢測效果較好，可當(dāng)系統(tǒng)處于動態(tài)時實時性較弱，故實際中應(yīng)用較少。時域檢測算法主要有:以瞬時無功功率理論為基礎(chǔ)的p-q法、ip-iq法，以同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)理論為基礎(chǔ)的d-q法和其它算法等。這一類方法一般通過坐標(biāo)變換得到瞬時有功功率和瞬時無功功率，通過低通濾波器得到直流分量，經(jīng)過反變換得到三相電流的基波分量，用三相負(fù)載電流與得到的基波分量作差得到諧波分量。無論采用何種方法，準(zhǔn)確、實時地提取出負(fù)載中的諧波電流是重中之重8。圖 2.2有源電力濾波器主要諧波檢測方法Fig 1.2 Main harm

11、onic detection method for active power filter1.3.2模塊化并聯(lián)APF諧波指令電流的分流與限流策略對于模塊化APF并聯(lián)系統(tǒng)來說，依據(jù)指令電流的分配方式不同諧波指令電流的分配主要有三種分配方式：多級補償、分頻補償和諧波指令電流統(tǒng)一分配。有源濾波器多機并聯(lián)運行系統(tǒng)采用多級分配方式時，該種方法存在各模塊輸出電流大小不等這一缺點，導(dǎo)致資源分配不均及資源利用不足，導(dǎo)致部分模塊長期工作，減小了部分模塊的使用壽命。分頻補償相比于諧波指令多級分配，可依據(jù)現(xiàn)場諧波電流的大小調(diào)整模塊化APF運行的臺數(shù)以實現(xiàn)優(yōu)化配置并提高補償資源利用率，但由于每臺APF實現(xiàn)特定次頻率諧

12、波補償，若其中一臺發(fā)生故障時則會造成特定頻次諧波電流無法實現(xiàn)補償，導(dǎo)致整體補償效果的急劇下滑，因此分頻補償分配方式可靠性不高。諧波指令統(tǒng)一分配方式結(jié)合上述兩者的優(yōu)點，可以保證多機并聯(lián)系統(tǒng)中所有模塊所得負(fù)載電流信號同步。對于模塊化APF并聯(lián)系統(tǒng)來說，不僅需要較高的補償精度及動態(tài)響應(yīng)特性，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)非致命故障時，還需要具備相應(yīng)故障容錯能力。指令電流超額是出現(xiàn)頻率最高的非致命故障，該故障若不能夠及時處理，整個模塊化APF并聯(lián)系統(tǒng)會處于過載狀態(tài)，超過了元器件的額定值從而造成元器件的過熱及損壞。常見的指令電流限幅值保護方式為：截斷限幅和比例限幅。截斷限幅是指當(dāng)諧波指令電流某一時刻的瞬時值超過補償閾值Im

13、ax時，需要將超出部分的指令電流限制于規(guī)定的補償閾值Imax。比例限幅方法是指當(dāng)前的諧波指令電流乘以一個比例系數(shù)，該系數(shù)可以是額定電流的有效值與當(dāng)前輸出電流有效值的比值，該方法可以有效地將諧波指令電流限制在有效值范圍之內(nèi)，從而達(dá)到限流補償?shù)男Ч?.3.3 補償電流控制技術(shù)補償電流控制技術(shù)是APF實時、準(zhǔn)確地跟蹤指令補償電流的關(guān)鍵技術(shù)，控制器的性能對APF諧波補償效果有重要影響。由于APF所設(shè)計的控制器要跟隨指令信號的變化而變化，因此控制器的設(shè)計不僅要考慮穩(wěn)態(tài)性能，還要考慮動態(tài)性能。滯環(huán)控制、PI控制、重復(fù)控制、無差拍控制是APF補償電流常用的控制策略。滯環(huán)控制將測得的補償電流與指令電流作差后

14、將得到的誤差信號輸入滯環(huán)比較器，通過誤差信號來產(chǎn)生PWM信號。滯環(huán)控制具有補償精度高、設(shè)計簡單、易于實現(xiàn)、魯棒性較強、動態(tài)性能較好等優(yōu)點。其主要的缺點是最終的補償性能受滯環(huán)環(huán)寬的影響，減小滯環(huán)環(huán)寬能夠提升補償性能，可相應(yīng)的需要增大器件開關(guān)頻率，對器件的要求較高，并且滯環(huán)控制易引起諧振。PI控制是最通用的一種控制方法，由比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)構(gòu)成，PI控制具有結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性高等優(yōu)點。PI控制的比例項決定系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，Kp越大，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)越快，PI控制的積分項主要用來消除穩(wěn)態(tài)誤差，其速度由積分時間常數(shù)Ki來決定。PI控制器對直流指令信號以實現(xiàn)無靜差控制，而APF的指令電流通常為各次諧波信號

15、，因此采用PI控制難以無法無靜差控制。增加采樣頻率、開關(guān)頻率等方法可以使PI控制精度提高，但這些方法的實現(xiàn)都較為困難。重復(fù)控制是一種高精度控制方法，該方法基于內(nèi)膜原理，通常用于問題高精度場合。內(nèi)膜原理是將外部動態(tài)模型植入內(nèi)膜控制器并構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)以實現(xiàn)高精度低誤差跟蹤控制，APF的指令信號為諧波信號，在穩(wěn)態(tài)時可以實現(xiàn)高精度無靜差跟蹤控制。重復(fù)控制的缺點也較為明顯，動態(tài)時至少要一個周期響應(yīng)時間，故重復(fù)控制存在動態(tài)響應(yīng)慢，暫態(tài)過程存在延遲的缺陷。無差拍控制是根據(jù)已經(jīng)建立APF數(shù)學(xué)模型預(yù)測下一個時刻的輸出量，消除輸出值與指令值之間存在的延時誤差，時輸出值與指令值完全一致。無差拍控制具有動態(tài)響應(yīng)速度快、

16、易于數(shù)字化實現(xiàn)、控制精度高無誤差等優(yōu)點，但其精度依賴于所建立的數(shù)學(xué)模型的精度，當(dāng)數(shù)學(xué)模型建立存在誤差時控制精度不高，且當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生變化時數(shù)學(xué)模型也需要發(fā)生變化，動態(tài)特性較弱。1.3.4 直流側(cè)電壓控制技術(shù)為了保證系統(tǒng)的諧波電流跟蹤能力、無功電流輸出能力，APF直流側(cè)電壓必須穩(wěn)定在一個高于電網(wǎng)線電壓峰值的電壓值，即控制直流側(cè)電壓值使其保持穩(wěn)定。目前最常用的方法是將有功分量疊加在指令電流上以實現(xiàn)直流側(cè)電容與電網(wǎng)之間有功分量的交換，以此來保持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。PI控制器、模糊控制器、下垂控制器是已有的直流側(cè)穩(wěn)壓控制方法。PI控制器是直流側(cè)穩(wěn)壓最常用的控制方法，由于PI控制器穩(wěn)態(tài)跟蹤性能好，直流側(cè)穩(wěn)壓效

17、果好，保證了APF諧波電流跟蹤能力，故該方法已得到了廣泛的應(yīng)用。1.3.5 多模塊并聯(lián)APF諧振抑制技術(shù)APF模塊在實現(xiàn)諧波指令電流跟蹤控制時需要降低開關(guān)紋波的含量。三階的LCL濾波器與單電感濾波器相比在高頻段有更高的衰減率，在保證帶寬的同時有效地減小了開關(guān)紋波電流，故近些年來得到了廣泛研究。雖然LCL濾波器能夠抑制諧波電流，但LCL濾波器存在電感、電容元件，易產(chǎn)生諧振，且采用LCL濾波器增加了控制器的設(shè)計難度，而且模塊之間的LCL濾波器也會與網(wǎng)側(cè)發(fā)生耦合，故并聯(lián)模塊的數(shù)量與并聯(lián)系統(tǒng)的性能有著密切的關(guān)系，這些因素都需要考慮。無源阻尼法和有源阻尼法為目前最常用的諧振抑制方法11-13。無源阻尼法

18、是一種較為簡單的諧振抑制方法，該方法在LCL電容支路串聯(lián)一個阻尼電阻來抑制電感電容元件產(chǎn)生的諧振，無源阻尼法的控制框圖如圖1.3(a)所示，其中LCL濾波器諧振頻率的關(guān)系式如式(1.1)所示。(1.1)無源阻尼法具有控制簡單、易于實現(xiàn)、諧振抑制效果好的優(yōu)勢。缺點是電容支路電流流過電阻會使阻尼電阻存在損耗和發(fā)熱現(xiàn)象。有源阻尼是通過對控制算法來抑制系統(tǒng)諧振，具有控制系統(tǒng)穩(wěn)定、與無源阻尼相比不存在損耗和發(fā)熱等優(yōu)勢。比較典型的有源阻尼法其等效控制框圖如1.3(b)所示，該方法是將系統(tǒng)電容電流反饋來增加系統(tǒng)阻尼以達(dá)到諧振抑制的效果，其中Kc表示反饋系數(shù)。該方法有效克服了無源阻尼存在的缺陷，可由于反饋量的

19、增多使得控制系統(tǒng)的設(shè)計相較于無源阻尼較為復(fù)雜，且該方法會受到系統(tǒng)參數(shù)變化的影響，故魯棒性較弱。 (a)無源阻尼控制框圖 (b)電容電流反饋有源阻尼控制框圖圖 3.3 LCL濾波器阻尼控制框圖Fig 1.3 Control block diagram of LCL filter damping 多模塊APF并聯(lián)系統(tǒng)由于模塊數(shù)量的增加，相比于單個APF模塊的諧振問題，多模塊APF并聯(lián)系統(tǒng)更加復(fù)雜。由于各模塊的LCL參數(shù)與線路阻抗相關(guān)聯(lián)，使得多模塊輸出回路相較于單模塊APF構(gòu)成了一個更大更復(fù)雜的高階網(wǎng)絡(luò)。這一高階網(wǎng)絡(luò)的存在可能會使得諧波電流放大，甚至存在APF并聯(lián)系統(tǒng)諧振的可能 14-15。故研究多模塊化APF諧振問題時必須考慮各LCL模塊網(wǎng)側(cè)阻抗耦合。1.4 本文主要內(nèi)容本文以模塊化有源電力濾波器并聯(lián)技術(shù)研究核心出發(fā)點，重點研究了三相四線制模塊化有源電力濾波器的具體實現(xiàn)，主要包括諧波指令電流檢