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《华中科技大学》 2010年
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新型串联混合型有源电力滤波器及相关问题研究

谢冰若  
【摘要】: 随着电力电子装置等非线性负载的广泛使用,谐波电流对电力系统的污染日趋严重。混合型有源电力滤波器(Hybrid Active Power Filter, HAPF)有效结合了无源滤波器成本低、可靠性高和有源滤波器补偿灵活的优点,在中高压大容量谐波治理项目中有着广阔的应用前景。本文围绕一种新型采用低自感串联变压器的串联混合型有源电力滤波器(Series Hybrid Active Power Filter, SHAPF)及三个相关问题展开研究,主要内容如下: (1)采用两种建模方法对现有基波磁通补偿式SHAPF进行了数学建模,并以此为基础对其滤波特性进行了分析,分别讨论了PI控制器参数、逆变器输出滤波电感、串联变压器激磁电感等参数对整个系统滤波特性的影响,最后给出两条改善滤波效果的措施:①采用谐波干扰电压前馈控制技术;②在通过逆变器向串联变压器二次绕组注入反相基波电流的同时,叠加注入一定倍数的同相谐波电流。实验结果验证了理论分析的正确性。 (2)在第(1)部分工作的基础上,提出一种新型采用低自感串联变压器的串联混合型有源电力滤波器。不同于基波磁通补偿式SHAPF,该混合滤波系统中串联变压器的自感更小,其标幺值仅为1~10%,串联有源滤波器不再控制为基波电流源,而是控制为谐波电流源。该方案的主要优点包括:有效降低了逆变器和串联变压器二次侧绕组的容量;有源部分保护简单,且系统供电可靠性高;可以限制系统短路电流水平等。仿真和试验结果均表明该新型SHAPF有着良好的滤波效果。 (3)目前,对HAPF的研究主要是针对三相三线中高压系统。本文详细分析了三相三线HAPF在有源部分缺相运行时,即有源部分两相或单相运行时,整个滤波系统的滤波效果。首先计算得出有源部分三相正常运行、三相均退出运行工况下的系统谐波电流大小,然后计算出有源部分两相、单相运行时的系统谐波电流大小,着重进行两方面比较:①有源部分缺相运行工况下三相系统谐波电流横向比较;②各相系统谐波电流在有源部分缺相运行工况与有源部分三相正常运行或均退出运行工况下的纵向比较。理论、仿真和实验研究均表明:有源部分只需两相运行,即只增大系统侧任意两相的等效谐波阻抗,就可迫使负载三相谐波电流均流入无源滤波器支路,达到较好的滤波效果。如果系统侧存在谐波电压,同样只需有源部分两相运行,就足以抑制超标谐波电流的产生。 (4)提出一种全新的统一定点坐标变换(Unified Fixed Point Coordinate Transfor-mation, UFP-CT)和基于该变换的有源电力滤波器零稳态误差电流控制方法。统一定点坐标变换可以将静止a-b-c坐标系下含多个频率正弦分量的三相电流指令一次变换为统一定点δ-ζ坐标系下的恒直流指令,处于静止a-b-c坐标系和统一定点δ-ζ《坐标系下的有源电力滤波器状态空间平均模型是不同的,后者比前者多了一个包含自干扰和耦合干扰的干扰项。为实现零稳态误差跟踪谐波电流指令,在统一定点δ-ζ坐标系下不仅需要采用PI控制器和系统电压前馈控制,还需进行自干扰和耦合干扰前馈以克服这两类干扰对输出的影响。仿真实验表明:提出的电流控制方法可实现零稳态误差跟踪谐波电流指令,且动态特性良好。 由于三相三线电流指令线性相关,前述的UFP-CT属于二维情况。实际的控制系统可分为单输入输出和多输入输出系统,而多输入输出系统问题可以分解为多个单输入输出系统,因此研究一维UFP坐标变换具有重要意义。本文探讨了一维UFP-CT的形式,针对其指令无法过零的问题,提出一种“虚拟二维UFP-CT",并以此为基础设计了适用于单输入输出系统的零稳态误差电流控制方法。最后以单相半桥式APF为例,构建其状态空间平均仿真模型,通过仿真实验验证了理论分析的正确性。 (5)高压大容量的APF或HAPF,很多都采用多绕组变压器实现电压、电流等级匹配和电气隔离。本文研究的两种SHAPF,均可以采用多绕组串联变压器实现高压等级和大容量化。因此,多绕组变压器建模和阻抗参数设计显得十分重要。本文以Ansys/APDL和Matlab/PSB为基础,给出了一种高效、通用的多绕组变压器建模和阻抗参数设计方法:首先采用磁场能量法,二次开发出基于Ansys/APDL的三维静态磁场专用分析程序,计算出多绕组电感矩阵,然后以此为依据构建同时考虑了励磁电抗、漏阻抗、各绕组耦合作用及变比的多绕组变压器Matlab/PSB模型,进行相关仿真研究,并通过仿真结果反馈的信息适当修改变压器结构以满足要求。这种方法可以方便得求出多绕组变压器各种工况下复合短路阻抗及并联支路电流分配。
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