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1、,大容量有源电力滤波器的关键技术 刘会金,大容量有源电力滤波器的关键技术,1 参考电流(补偿电流)的提取 2 大容量有源滤波器拓扑结构(主电路) 3 大容量有源滤波器控制策略 4 大容量有源滤波器实时数字仿真研究 5 有源滤波器电磁干扰特性的研究,1 参考电流(补偿电流)的提取,重点研究内容: 参考电流(补偿电流)的计算方法： 解决检测速度和实时性要求高的问题 ； 瞬时无功理论检测法(instantaneous reactive power) 优点:具有较好的实时性,在三相电路中得到了成功的应用. 缺陷:要求系统电压三相对称,不能用于单相电路. 滤波技术:陷波滤波器(notch filters
2、) 优点:电压波形畸变和频率偏移情况下具有较好的自适应能力，可以应用于三相或单相电路. 缺点:动态响应速度慢。,2 大容量有源滤波器拓扑结构(主电路),拓扑结构(主电路): 问题:由于单个开关器件(IGBT)额定电压低,额定电流小,采用几个开关器件直接串联和并联难于保证各开关器件工作中(特别是在开通和关断过程中)的电压和电流分配完全一致.扩大有源滤波器的容量主要有如下途径: 多重化技术-每相由几个低压PWM功率单元串接组成，各功率单元由一个多绕组的隔离变压器供电. 多电平技术-将多个电平合成阶梯波以逼近正弦输出电压,多电平逆变器可以使用低压器件实现高电压等级的输出，不需要开关器件的直接串联.,
3、通过变压器的串联的多重化结构,缺点:通过变压器的二次绕组，将逆变器输出的PWM波直接通过变压器叠加，因而使铁心损耗增大.,二极管钳位型（Diode-Clamp）多电平结构,特点：采用多个二极管对相应的开关元件进行钳位.开关元件所需额定电流不同，技术难题是电容均压问题复杂。,特点：采用钳位电容代替钳位二极管。在电压合成方面，开关状态的选择具有更大的灵活性；电容的引入，通过同一电平上不同开关的组合，可使电容电压保持平衡. 存在系统体积庞大、占地多、成本高、封装不易等问题。,飞跨电容型（Flying-Capacitor）多电平结构,具有独立直流电压源的级联型逆变（CISDCS）多电平桥式逆变器的单相
4、结构和工频控制原理图,具有独立直流电压源的级联型逆变（CISDCS）多电平桥式逆变器不需要大量钳位二极管和钳位电容，易于封装，具有较高的性能比，在实际工业应用中也较多采用这种结构。,3 大容量有源滤波器控制策略,大容量有源电力滤波器的控制存在的问题 大容量有源电力滤波器的控制研究内容,有源电力滤波器的控制存在的问题,存在的问题: 电力系统的负荷的随机性和非线性难以预知； 各种谐波源的模型和干扰难以确定； 电压源型逆变器（VSC)模型的不确定性和非线性. 因此寻找具有较强鲁棒性和较好的控制效果的控制策略一直是电能质量控制研究的重要课题.,有源电力滤波器的控制研究内容,研究内容: 单个补偿器的控制
5、 考虑开关损耗和热特性等问题的电力电子系统精确的数学模型； 非线性控制理论及智能控制理论在电能质量控制中的应用。 如最优控制理论、变结构控制、自适应控制、反馈线性化解耦、 鲁棒控制、无源性控制、重复学习控制、模糊控制、神经网络控制等。这些先进的控制方法为综合解决有源滤波器系统信号跟踪、干扰抑制以及参数摄动这三个主要问题提供了新的思路。,有源电力滤波器控制研究内容,多个补偿器的控制需要进行优化协调 (1)补偿器装设的个数,位置和补偿器的额定容量的协调配置(补偿器的规划问题). 考虑到系统的各种扰动的随机性,如何确定系统的典型的运行方式是个复杂的问题. (2)补偿器输出电流的确定. 在补偿器装设的
6、个数,位置和补偿器的额定容量已确定的情况下,根据给定的目标函数计算补偿器输出电流,协调控制以实现系统电能质量的最优补偿.,控制策略研究思路,目前先进控制理论在电力电子学中的应用还处于起步阶段，其理论框架还不完善，研究也不够深入。由于有源滤波器系统本身具有强非线性和参数的不确定性，同时也因有源滤波器的补偿对象复杂多变，具有不同的谐波特性,因此采用鲁棒性较强的控制算法，如 鲁棒控制和无源性控制方法等，将有更广阔的应用前景。另外，将传统的控制策略（如空间矢量控制、PI控制等）与先进控制理论的各种方法相结合或将不同的先进控制理论的方法相结合，充分发挥各种控制策略的优势，也是一种很好的研究思路。,4 大
7、容量有源滤波器实时数字仿真研究,主要特点和需要解决的问题 实时数字仿真研究的主要对象 技术难点 主要研究方向,大容量有源滤波器实时数字仿真研究主要特点和需要解决的问题,主要特点: 高频开关特性和离散连续混合的复杂变拓扑结构是大容量有源滤波器的主要特点. 需要解决的问题： 解决复杂的拓扑结构和高频开关特性和给实时仿真带来的计算复杂度高、交互计算精度不足等问题.,实时数字仿真研究的主要对象,实时数字仿真研究的主要对象: (1)逆变器底层的PWM控制 包括多电平脉冲宽度调制(PWM)策略的验证和性能优化控制策略,直流电压平衡控制策略等. (2)装置级的动态控制策略 主要指有源滤波器并入电网后对装置输
8、出的动态控制算法. (3)系统级的控制策略 在有源滤波器装设的个数,位置和补偿器的额定容量已确定的情况下,根据给定的目标函数计算补偿器输出电流,协调控制以实现系统电能质量的最优补偿的控制算法. (4)系统及装置异常或故障情况下的保护控制策略 包括电力系统故障(如短路,严重不对称)引起的扰动情况下有源滤波器的控制与保护方法,有源滤波器内部故障的控制和保护策略.,大容量有源滤波器实时数字仿真研究技术难点,技术难点: 实现更高的电压和功率等级以及更好的性能，多电平变流器技术的已经成为大容量有源滤波器必然选择。 (1)拓扑结构和系统模型十分复杂 在大型的多电平逆变器中，开关器件可能达到数百个，同时含有
9、大量的电抗、电容和变压器等连续性器件。系统模型为离散连续混合的变拓扑结构系统. (2)实时性和精确性要求高; (3)变流器的高频开关特性、拓扑结构和控制复杂. (4)尤其要求全数字的实时仿真具有较大的困难.,大容量有源滤波器实时数字仿真研究主要研究方向,主要研究方向: (1)建立复杂电力电子系统的离散连续分离建模和混合计算理论; (2)通过可信的仿真控制机制为实时交互准确度提供可靠保障; (3)通过优化的任务划分策略和并行计算最大程度地加速仿真计算进程.,5 有源滤波器电磁干扰特性的研究,研究内容 干扰源、传播通道和受扰体 理论基础 研究方法,有源滤波器电磁干扰特性的研究内容,研究内容：大容量
10、有源滤波器装置的电磁干扰特性要从电磁干扰源、传播通道和受扰体三个方面来进行。在大容量有源滤波器的电磁兼容,包括传导干扰机理及其抑制、器件杂散电磁场特性、电源近场耦合机理等方面.,干扰源、传播通道和受扰体,干扰源: (1) dv/dt :在电力电子器件通断瞬间，电压的跳变会在电容上产生很大的充电或放电电流，实际的驱动电路和主电路都会存在杂散分布电容，1nF的电容就可以产生几个安培的电流瞬态脉冲，会对有源滤波器控制和驱动电路以及电力系统产生严重的电磁干扰。 (2) di/dt :开关器件在通断瞬间的电流变化会在杂散电感上感应出电压，另外，有较大的dv/dt的电流环路也是一个辐射源，将对空间产生辐射
11、电磁场。在大功率驱动系统中，dv/dt可达2KA/us，30nH的杂散电感就可以激励60V的电压干扰。,干扰源、传播通道和受扰体,(3) PWM信号自身 逆变器中开关产生的PWM波形除了有用的基波外，还含有大量的高次谐波，目前逆变器的开关频率从几KHz到几百KHz，谐波频率从几百KHz到几MHz。由于高次谐波的存在,PWM信号也会对周围的设备产生辐射的影响。 (4) 非线性的元器件和电路也是干扰源之一 它们会使电路中的信号发生畸变，增加信号中的高频成分。 b.传播通道 有源滤波器装置产生的电磁干扰也是通过传导和辐射耦合到敏感设备的。 在有源滤波器装置中，传导是有源滤波器装置干扰传播的重要途径.
12、,干扰源、传播通道和受扰体,根据传导干扰方式的不同可以把电磁干扰源分为共模（CM）和差模（DM）两种形式:共模干扰是指通过相线、对地寄生电容，再由地形成的回路的干扰，它主要是由较高的dv/dt与寄生电容间的相互作用而产生的高频振荡；差模干扰是指相线之间的干扰，直接通过相线与电源形成回路，它主要是由有源滤波器装置产生的脉动电流引起的. C. 受扰体:控制器和开关元件的驱动电路,研究有源滤波器装置干扰的理论基础,研究有源滤波器装置干扰的理论基础: 电磁场理论是描述有源滤波器装置的干扰的理论基础，无论是辐射干扰还是传导干扰，原则上都可以用电磁场理论来加以分析和描述。但是，有源滤波器装置的各种元器件及其分布形成的复杂的边界条件和多种媒质，使电磁场问题的求解十分复杂。,有源滤波器电磁干扰特性的研究方法,有源滤波器电磁干扰特性的研究方法: 从系统的观点来看，有源滤波器装置的干扰传播通道、干扰源的与干扰构成了一个多输入多输出系统，因此可用系统函数来描述有源滤波器的干扰。这个系统是一变拓扑、非线性、元件间存在耦合，必须考虑其杂散参数的系统。 利用计算机辅助分析，在设计阶段对电力电子装置的电磁干扰实现预测，并对新研制的装置的调试提供有效的指导。,恳请各位老师和同学 批评指导！,
