电力电子课程设计.doc

辽宁工程技术大学电力电子技术课程设计综述随着电力电子器件在工业中的广泛应用，电网的谐波污染问题日趋严重。谐波不仅影响电气设备的正常工作，还给电网的安全经济运行带来隐患。目前，消除谐波的方法主要有无源滤波器(Passive Power Filter,PPF)、有源滤波器 (ActivePower Filter,APF)和混合型滤波器 (HybridActive Power Filter,HAPF)。PPF的滤波特性由电网阻抗与滤波支路阻抗的比值决定，并受电网系统参数的影响很大。APF虽能克服PPF存在的缺陷，但受其开关器件容量和成本等方面的限制，无法独立挂载在大功率高压电网运行。而HAPF兼顾了两者的长处，初期投资小，性价比高，能满足高压大容量系统实用化的要求，是目前工程应用中主要采用的形式。文章以高压大容量系统谐波治理为目的，提出了一种基于并联混合型注入式结构的有源电力滤波器的设计方法，经实际工程应用表明，该方法设计的HAPF参数合理，滤波效果满足设计要求。由于目前国内有源滤波器的工程应用实例极少，因此该套设计方法对其它HAPF的工程应用可起到一定的指导和借鉴作用。1 整体结构设计APF在工程应用中，首先需要考虑的是成本和技术上的可行性，根据某冶炼厂谐波治理工程大容量、高电压、低成本和兼顾无功补偿的要求，设计一种新型的并联混合型注入式有源滤波器，其拓扑结构如图1所示。这种结构以电压型逆变器作为主要的有源部分，采用基于IGBT模块的脉宽调制PWM逆变器直流端为一大电容，输出端接有输出滤波器，以此来滤除开关器件通断造成的高频毛刺。有源部分通过耦合变压器经基波串联谐振注入型电路后，与以多组单调谐滤波器组成的无源滤波器PPF一起并联接入电网。注入支路由C1、L1和CC构成。其中C和L1构成在基波频率谐振的电路，而整体作为一条无源滤波支路。由于L1C1网络在基波频率处发生串联谐振，阻抗很小，逆变器只承受很小的基波电压因此装置有效地克服了有源滤波器的容量限制，而对于高于基波频率的谐波分量，L1C1网络阻抗较大有源部分产生的谐波电流绝大部分将流入主电路，不会对有源部分的谐波输出产生严重影响。从图1可以看出，该HAPF是将串联谐振注入型APF进一步与PPF并联混合而成，只由无源部分补偿无功功率，有源部分和无源部分共同抑制谐波，这使得其兼具较大容量的无功补偿和谐波抑制能力以及较小的逆变器容量的特点。与其它结构的HAPF相比较，该HAPF中并联的PPF可以补偿较大容量的无功功率和滤除掉特定次数的谐波电流，谐振注入电路部分的电容也能进行较大容量的无功补偿。与此同时，基波无功电流和谐波电流都只有极少部分流入耦合变压器和逆变器，因此不会由于进行无功补偿而导致其有源部分容量的增大，而PPF滤除掉的部分特征谐波电流也不会流入有源部分，这使得有源逆变器的容量进一步减少，从而使逆变器主电路避免采用多重化的主电路结构或开关器件的串并联，大大减少了实际应用中的工程造价有效提高了性价比。2 主要结构参数设计2.1 混合滤波器组成结构如图1所示的混合型有源滤波器主要由无源滤波器PPF、基波串联谐振注入支路、耦合变压器、输出滤波器、电压型逆变器和直流电容6部分组成。其中电压型逆变器采用了智能功率模块（IPM），其缓冲电路和IPM接口电路的设计参考。2.2 无源部分设计2.2.1 单协调滤波器的设计主要针对谐波治理对象的谐波含量特点，设置专门的单调谐无源滤波器进行滤波兼无功补偿,其中一条单调谐滤波支路还可构成谐振注入支路，给有源滤波器提供谐波电流注入通道。单调谐滤波器由电感、电容和电阻组成，它的工作原理是利用电感和电容对某次谐波频率产生串联谐振使得滤波器的阻抗很小，从而把负载中的该次谐波电流引入滤波器。滤波器对n次谐波的阻抗为 Zfn=Rfn+J(nWsL-) （1）其中，为基波角频率。滤波器的谐振频率为fn= （2）从式(1)、(2)可以看出，单调谐无源滤波器对基波的阻抗是呈容性的，也就是说，单调谐无源滤波器能够提供一定的无功功率。为减少因电网频率偏差原因使滤波器与系统在特征频率上出现并联谐振的几率，在确定单调谐滤波器的调谐频率时应将其设置为稍低于相应的特征频率，即应使滤波器从感性域上接近串联谐振。在根据谐波治理对象的谐波含量特点确定单调谐无源滤波器的具体滤波次数后，电容C和电感L具体参数设计主要由以下几个方面进行考虑：（1）LC的容量单调谐滤波器中的电容和电抗器主要承受两种频率的激励作用，一个是电网基波频率电压，另一个是调谐频率电流。那么电容和电抗器的容量可表示为 QcU22Wsc+QL(U2Wsc)2WsL+In2nWsL （3） 式中U2为基波相电压；In为n次谐波电流，在实际应用中应增大10%来考虑背景谐波的影响。（2）LC的数值采用投资费用最小的方法设计单调谐滤波器。设电容和电感的单位容量的投资为P和H，则滤波器所需的资金为y PQc HQL联系式(2)、(3)，显然y可表达为c的函数，为求得y，取最小值时c的值，用y对c求导并令其等于0得电容值为c= （5）根据式(2)得电感值为L= （6）若此参数值还不能满足无功补偿容量的要求，则可考虑加装并联电容器13，这样不但经济合理而且对滤波效果不会产生较大影响。（3）品质因素Q 定义品质因素为谐振频率Wn下L或C的电抗与Rfn的比值Q= （7）滤波器对于调谐频率的谐波阻抗与其品质因数Q成正比，即Q越大，阻抗越小，其阻抗的频率响应曲线越尖锐，频率选择性越好。但是，滤波器对于参数的变化会越敏感，一旦失谐，其性能将会变化很大，而且一旦无源滤波器和电网发生串、并联谐振，谐波放大的程度也越大。因此，滤波器的品质因素不能取得太大，也不能取得太小。在工程上，可采用如下的方法确定最佳Q值Q= （8）式中e为电网系统的最大阻抗角；t为电网的最大频偏。Q值确定之后即可根据式(7)得到Rfn的大小。若电感器内存在的内阻还不够大，可考虑添加外接电阻器。2.2.2 注入支路滤波器的设计如图1所示的谐振注入支路滤波器结构，要求L1和C1调谐在基波频率，利用L1和C1对基波谐振的特性，使装置有源部分只承受很小的基波电压，从而极大地减小有源部分的容量。同时L1、C1和Cc还可组成另一条滤波支路，滤除特定次数的谐波。L1、C1和Cc参数的选择可能对装置的谐波注入能力以及有源部分承受的电压有较大的影响，考虑到成本因素和无功补偿的要求，在确定需要滤除的谐波次数之后，注入支路的参数设计相当于一个典型的多目标优化问题。优化目标1 总成本最小。即 C1（x）=min(yPF) （9）优化目标2 对有源部分发出的主要补偿谐波而言，通过L1、C1支路的分流尽可能少。即对主要次数谐波Cc与L1、C1支路的电抗比值最小。C2（x）=min(Zb) (10)约束条件1 补偿足够的无功功率，即Q1set-Q10 （11）其中Q1set为系统要求最小固定补偿的基波无功功率。约束条件2 装置有源部分承受的电压小于开关器件耐压的极值。U1-U1set0 （12）其中U1set为开关器件耐压的极值。以上约束条件可以简写为G(x)0，其中x=Cc,C1,L1T 为决策向量。2.3 有源部分设计有源部分的设计除电压型逆变器外，主要还包括逆变器直流侧电容电压和容值、输出滤波器电感和电容参数和耦合变压器变比的设计。如果这些参数的设计不当，将直接影响APF的滤波性能，严重时还将导致APF因过流、过压而不能正常工作，甚至毁坏。2.3.1 输出滤波器的设计有源逆变器输出电压中除了含有所需的补偿电压外，还含有因功率器件的开断所带来的高频毛刺。如果将有源逆变器的输出电压直接加于注入支路，显然会给电网带来新的高频谐波污染，因此必须用输出滤波器将逆变器工作引起的高频毛刺滤除。由于APF中逆变器输出电压频谱主要为低频有效谐波频率和高频开关毛刺频率，为了避免将这两种信号过度放大而导致电路元件过压、过流，一般确定输出滤波器中电感L和电容C的谐振频率fk位于中间频段，使之满足10ffkfs/10。其中f和fs分别表示逆变器输出补偿谐波的最大频率和PWM载波频率。装设输出滤波器的最初目的是为了滤除逆变器产生的开关谐波，但它对逆变器输出的补偿谐波的幅值同样有着很大的影响。如果设计不当，一方面会使高频开关谐波注入公用电网和用户受电端，影响到控制、通讯设备以及精密仪器等的正常工作，另一方面可能会降低逆变器在补偿谐波频率段的工作效率，从而影响APF的补偿能力。因此，在确定输出滤波器的谐振频率后，并不能简单的按照投资费用最小法设计电容和电感的值，而需要考虑整个系统的网络阻抗。忽略掉电网和负载等阻抗的影响，可以得到上述结构HAPF的单相等效电路图，如图3(a)所示。将耦合变压器原边的电感、电容、和电压按变压器原副边阻抗变换原理进行变换后，可得到进一步简化的等效电路，如图3(b)所示。其中，K为耦合变压器变比，VIn为逆变器输出电压，Lo=KLo，Co=Co/K，VIn=KVIn图3(b)所示的电路在基波频率以上只有一个谐振点，其幅频特性由谐振点向两边不断地减少。所以在设计输出滤波器和耦合变压器时，应该把这个谐振点尽可能地设计在需要发出的主要特征谐波的中间，以便在需要发出的特征次谐波点取得较高的幅值系数，从而降低逆变器所需的电压等级。即：-jWnL0,=1jWnC0,+1(jWnL1+1jWC1)+jWnCn (17)其中，n为理想谐振点的频率。因此，根据谐波治理对象的实际情况确定L0和C0的谐振频率后，由式(17)即可获得输出滤波器的设计参数。 2.3.2 耦合变压器的设计耦合变压器连接在输出滤波器和注入支路之间，不仅可用来匹配有源部分的电压和电流，而且可以起到电气隔离的作用，使得逆变器的维护和绝缘都比较容易。如图3，有源逆变器的电压Vin和电流ILo可用下式表示：所以有源逆变器的容量：S=Vin*ILo=(ILo,ZL,O+I11ZCc)*I,Lo （19）由于APF的有源部分被控制为一个谐波电流源，且流过耦合变压器的基波电流基本为0，因此流过耦合变压器副方的电流只有谐波电流，最大的时候等于无源滤波后的负载谐波电流。又上面设计各参数的原则是应确保有源逆变器发出的电流大部分都流入CC支路，于是可得I11ILo，参考式(19)可知：S（ZL,O +ZCc）* I112 （20）由式(20)可见，有源逆变器的容量与耦合变压器变比无关，只要知道无源滤波后负载谐波电流的最大值，所需的有源逆变器容量也就可以计算得到。但功率开关器件是分等级的，比如说IGBT，就分600V/20A、1200V/600A等。并不是任何电压和电流的都有，所以在有源逆变器容量为定额时，还需要通过耦合变压器按式(18)来进行匹配，使功率开关器件的容量得到充分的利用。2.3.3 逆变器直流侧电容的设计有源逆变电路中的电容的作用是稳定电压，理论上电容值越大越有利于电压的稳定，但大电容成本高，体积大，不利于现场应用。工程实践中确定电容量的主要依据是限制逆变器工作在最低输出频率和额定输出电流时直流电压的低频脉动率。所需滤波电容量可按工程经验公式计算C=K （21）式中I为逆变器的额定输出电流方均根值；Ud为直流电压平均值；f为逆变器的最低输出频率；a为允许的直流电压频率低峰值纹波因数；K是与负载位移因数角有关的系数。在有源电力滤波器的控制中，若需要调制的信号是指令电流信号ish*，则根据PWM调制原则有源电力滤波器的直流侧电容电压2UCD应满足下列关系式： 2UCD=2I*shmax （22）式中I*shmax为有源逆变器指令电流信号的最大幅值；为PWM调制的调制度。由前面关于有源逆变器容量的分析和相关参数设计的原则，参考图3，可知在有源电力滤波器取得理想滤波效果时，应有I*shmax（ZL,O +ZCc）* I11K (23)将式(23)代入式(22)可得2UCD=2（ZL,O +ZCc）* i11max(K*) （24）其中,i11max为逆变器设计发出谐波分量的最大幅值。又根据三角波调制法的定义知，01。通常为了取得最佳的PWM调制的效果，令=0.8。代入式(24)可得2UCD=2.5（ZL,O +ZCc）* i11maxK (25)至此，直流电容电压2UCD就可以根据式(25)计算得到，实际应用时，考虑到逆变器死区效应的影响，直流电容电压取值应比计算值略大一点。3 工程应用根据某冶炼厂的具体谐波状况，结合以上的分析方法，得到如下设计参数：无源部分采用2次和7次单调谐滤波器。电容和电感值分别为36.22 mH、70F、6.7 mH、30F、品质因素为50。注入支路兼有4次滤波的功能，L1、C1和Cc分别为28.95 mH、350F、25F。输出滤波器的电容和电感值为0.5mH、60F。采用耦合变压器容量为100kVA，YY/12连接,6kV绝缘，变比为2。逆变器开关器件IGBT的等级取为600A/1200V，选用三菱公司的智能功率模块PM600HSA120，直流电容取值为40000F/1000V，采用三相不可控整流桥供电。目前，采用该设计参数的混合型有源滤波装置已在冶炼厂成功投运。图4是投入混合有源滤波器前后的电网电流波形。通过图4(a)(c)比较可以看出，所设计的混合有源电力滤波器能够有效的抑制电网谐波，使得电网谐波电流大大降低。同时，由于混合有源电力滤波器补偿了一定的无功，还可以改善变压器的无功状况。 课程设计体会不论哪个专业，从事哪种专业技术工作，搞一项设计其设计思想是基本一致的。对于电气类专业技术，其程序基本相同。通过这次课程设计使我树立了正确的设计思想，掌握电气工程设计的一般程序，也培养了认真负责，一丝不苟和严谨的工作态度。这也将是我在以后学习和工作中要首先注意的。在设计中复习、巩固学过的有关课程理论知识。通过在设计实践中具体运用以致深化。培养了电子技术方面设计能力，掌握电子技术设计的一般设己方法及重要的基本计算方法。同时 熟悉了电子技术方面设计资料、了解有关标准和设计规范，培养查阅资料的能力，为今后设计储备一些资料知识。 通过总结也帮助我树立整体的、有条理的、正确的设计思想。同时能发现设计中更多的优点和不足。同时，我针对这一技术工作的实践，认识到从事技术工作应持有的工作态度和应具备的知识素质，也利于促进我今后的