高壓并聯(lián)式混合型電網(wǎng)高次諧波有源濾波裝置
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3.2功率開關(guān)器件
功率開關(guān)器件應(yīng)具有如下特點：①在阻斷狀態(tài)下能承受高壓。②在導(dǎo)通狀態(tài)下具有高的電流密度和低的導(dǎo)通壓降。③具有足夠短的導(dǎo)通時間和關(guān)斷時間，并能承受高的di/dt和dU/dt。IGBT既具有大功率場效應(yīng)管（MOSFET）的輸入阻抗高、開關(guān)速度快的優(yōu)點，又具有大功率晶體管（GTR）耐壓高、流過電流大的優(yōu)點；其柵極為電壓驅(qū)動，所需驅(qū)動功率小，開關(guān)損耗小，工作頻率高，是目前應(yīng)用于有源電力濾波器主回路的比較理想的大功率開關(guān)器件。目前的應(yīng)用水平已達到3.3kV/1.2kA。更重要的是，IGBT已經(jīng)實現(xiàn)了規(guī)模化工業(yè)大批量生產(chǎn)，其售價已與GTR差不多，這為大批量的應(yīng)用提供了充足的來源。IGBT的主要缺點是高壓內(nèi)阻大，通態(tài)壓降大，因而導(dǎo)通損耗較大。為此要選擇合適的工作電壓，以降低導(dǎo)通損耗。因此經(jīng)權(quán)衡，本課題選用IGBT為主回路的開關(guān)元件。
3.3IGBT的驅(qū)動電路設(shè)計
IGBT工作狀態(tài)的好壞很大程度上取決于驅(qū)動電路性能的優(yōu)劣。驅(qū)動電路往往也是大容量PWM技術(shù)的關(guān)鍵。本課題采用雙通道帶互鎖的驅(qū)動器的設(shè)計，非常適合于橋臂連接IGBT的驅(qū)動。電路中設(shè)置的軟關(guān)斷功能可以自動地增加IGBT的關(guān)斷時間，并同時可減少直流母線電壓的過沖量。驅(qū)動電路初級和次級之間采取鐵氧體變壓器進行隔離，因而對驅(qū)動電源的要求不用獨立隔離，而可與控制電路共同使用一個電源，簡化了電源的設(shè)置。驅(qū)動電路中設(shè)置了一互鎖電路，以防半橋的2個IGBT元件的同時導(dǎo)通，通過調(diào)節(jié)接入的附加電阻，可以方便地調(diào)節(jié)其死區(qū)時間。驅(qū)動電路中還設(shè)有錯誤信號存儲單元，如果有一個IGBT元件發(fā)生短路，或者驅(qū)動電源低于額定值，便可通過錯誤信號存儲單元把此信號送到外部控制電路，以實現(xiàn)系統(tǒng)的保護動作。
電路布線寄生的雜散電感是所有大電流開關(guān)電源中的關(guān)鍵問題。快速的關(guān)斷過程，會引起與所儲能量和開關(guān)速度成比例的過電壓沖擊。為了防止過電壓的損害，需要選擇冗余量較大的器件，但會增加整機成本；高的開關(guān)電壓也會增加系統(tǒng)損耗，降低整機效率。完全消除雜散電抗是不可能的，但可采取措施最大限度地減少線路的雜散電感，可以縮小整個電路的有效回路面積，如采用分層布線結(jié)構(gòu)?？稍黾?xùn)艠O串聯(lián)電阻Rg來抑制dU/dt；降低開關(guān)速度，可顯著降低過電壓尖峰，但增加了開關(guān)損耗。實現(xiàn)的方法是在斷開IGBT時以接近0Ω的門極阻抗釋放門極電荷，直到Uce達到主回路電壓值時，再將門極釋放路徑切換到另一路阻抗通路。
3.4注入變壓器
有源電力濾波器用的注入變壓器，承擔(dān)著把大功率的諧波電流低損耗和無相移地注入10kV線路，以達到在10kV級的公共連接點處補償非線性負(fù)荷所產(chǎn)生的諧波電流。為了使注入變壓器的損耗降低到最大限度，在鐵心材料選擇、繞組結(jié)構(gòu)及繞制工藝上都應(yīng)采用相應(yīng)的措施。
3.5諧波電流檢測及補償信號控制的數(shù)字模擬混合技術(shù)
能否快速精確地檢測出電力線路中需要補償?shù)闹C波分量以及良好的動態(tài)跟蹤性能，是有源電力濾波裝置的關(guān)鍵。這也直接決定了裝置的整機性能。
采用瞬時無功功率p－Q法及其演化改進的各種算法，只能用于生成補償基波無功與所有各次諧波電流的指令信號；同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換d－Q法及基于改進的帶通濾波器提取基波分量法與p－Q法的功能一樣；而采用陷波器消除基波分量的方法，同樣只能用于補償所有的各次諧波。在考慮到有源電力濾波器的容量有一定限制，采用無源濾波器的混合型結(jié)構(gòu)環(huán)境中，要求可以有選擇性地補償指定次數(shù)或指定若干次諧波需要補償?shù)闹C波電流，在這方面可以使有源電力濾波器發(fā)揮最優(yōu)的諧波補償能力，同時也使無源濾波器對某特定次數(shù)的諧波電流不會產(chǎn)生過負(fù)荷或諧波放大等［2］。
通過檢測非線性負(fù)荷端的諧波電流，經(jīng)過運算后得到諧波電流補償指令信號，控制有源濾波器主回路產(chǎn)生與負(fù)荷諧波電流大小相等、方向相反的電流，以補償線路中一部分或全部的諧波電流。由于高速的DSP的出現(xiàn)，近年來價格又不斷下降，因此采用全數(shù)字化的采樣、分析、運算來生成有源電力濾波器的補償指令信號，已不成問題。
采用高速DSP（TMS320F2407A）來完成快速多通道A/D轉(zhuǎn)換，通過FFT等數(shù)字式加模擬式計算，可得到與補償電流相對應(yīng)的PWM信號，用以驅(qū)動主回路的開關(guān)器件。測量控制器采用高速DSP和工業(yè)控制機相結(jié)合來實現(xiàn)，其中DSP用于數(shù)據(jù)采集、補償量計算分析和構(gòu)成；工業(yè)控制機（MIC－2000）用于調(diào)節(jié)、控制、通信和保護。這種數(shù)字―模擬式測量控制器與全數(shù)字式控制器相比具有測量準(zhǔn)確、調(diào)節(jié)靈敏、響應(yīng)速度快的優(yōu)點。負(fù)荷電流的檢測和分析采用數(shù)字方法來實現(xiàn)，可以保證系統(tǒng)的檢測分析精確度和穩(wěn)定性。補償電流指令生成采用模擬電路來實現(xiàn)，可以實現(xiàn)補償電流跟蹤的快速響應(yīng)，較好地消除各開關(guān)模塊之間的環(huán)流。
3.6數(shù)字化數(shù)據(jù)采樣測量和控制采用預(yù)整形同步采樣技術(shù)
預(yù)整形同步采樣技術(shù)可嚴(yán)格保證諧波測量檢測的高準(zhǔn)確度，保證輸出補償信號與系統(tǒng)電壓嚴(yán)格同步，從而保證了有源濾波器補償電流的快速響應(yīng)和準(zhǔn)確性。
采用鎖相環(huán)路來控制采樣脈沖的定時和速率，是一種比較實用的同步采樣方法。為了消除畸變波形對同步采樣電路工作的影響，可以在同步信號進入鎖相環(huán)路之前采用預(yù)整形的措施，以保證在鎖相環(huán)路中進行比較時有較高的定時精度。采用預(yù)整形同步采樣技術(shù)來減少同步采樣中的同步誤差，可以簡便地消除積分均值運算中的截斷誤差或FFT處理的泄漏效應(yīng)所造成的誤差。它尤其適合于對任何非正弦波形的周期信號的測量和實時處理。其特點是同步源信號的幅度變化允許范圍寬，高準(zhǔn)確度的定時和同步性能不受信號波形畸變的影響，多種同步信號源可方便地由程序選擇等。
3.7裝置軟件系統(tǒng)
裝置的軟件系統(tǒng)包括運行和調(diào)試程序2大部分。運行程序是軟件的主體部分，裝置的大部分功能是由運行程序來實現(xiàn)的。為便于程序的開發(fā)和管理，軟件采用模塊化方式設(shè)計。調(diào)試程序主要實現(xiàn)軟件及硬件主要功能模塊的性能調(diào)試和整定值的寫入與修改［4］。
3.8有源濾波器設(shè)計過程的電磁兼容性管理
高壓并聯(lián)式有源濾波器自身結(jié)構(gòu)由交流和直流電力系統(tǒng)、測量、運算和控制等弱電（電子）系統(tǒng)構(gòu)成。為避免電子系統(tǒng)受到各種干擾，在設(shè)計研制過程中，應(yīng)進行相應(yīng)的電磁測量和分析，以便對電力系統(tǒng)或電子系統(tǒng)采取措施。
電磁兼容性的管理主要是圍繞構(gòu)成電磁干擾的三要素(即電磁干擾源、干擾耦合途徑和敏感設(shè)備)來進行的。其管理的內(nèi)容包括：①電磁干擾產(chǎn)生的機理，如何抑制電磁騷擾源的發(fā)射。②電磁干擾以何種方式和途徑耦合（或傳導(dǎo)），如何切斷電磁干擾的傳輸途徑。③敏感設(shè)備對電磁騷擾產(chǎn)生何種影響，如何提高敏感設(shè)備的抗干擾能力。高壓并聯(lián)式有源濾波器在運行中，主回路交流接觸器的合閘，控制繼電器的吸合，IGBT元件的導(dǎo)通和截斷等，都會產(chǎn)生不同形式和不同途徑的電磁干擾，而測控電子電路回路對這類干擾的呈現(xiàn)最敏感。因此，應(yīng)根據(jù)有關(guān)電磁兼容性的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，合理有效地解決這三要素的問題。
本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/180786.htm
4濾波補償裝置的仿真運行
使用電磁暫態(tài)程序（ElectroMMagnetic Transients Program，EMTP）和PSpice進行數(shù)模信號混合仿真，可以評價有源電力濾波器的效率和控制系統(tǒng)的功能。在未進行物理試驗的情況下，采用軟件，可以對有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)進行評價［5］。采用CHP諧波潮流計算程序，可以進行10kV并聯(lián)式混合型有源濾波器裝置仿真運行和安全校核，優(yōu)化參數(shù)和結(jié)構(gòu)。
分別按照3種不同的安裝位置和控制方法來分析有源濾波器和無源濾波器混合結(jié)構(gòu)的補償效果。對于每一種結(jié)構(gòu)，僅在諧波濾波效果和串、并聯(lián)諧振抑制方面進行分析。仿真結(jié)果表明,使用有源和無源濾波器相結(jié)合的諧波補償裝置的優(yōu)點為：①能有效地補償負(fù)荷在運行過程中所產(chǎn)生的寬范圍的頻率變化的諧波電流。②能有效地抑制系統(tǒng)可能產(chǎn)生的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振。
通過分析3種有源和無源濾波器不同的組合結(jié)構(gòu)形式，其仿真結(jié)果表明，總諧波電流補償法和總電流反饋補償法都具有良好的諧波補償特性以及抑制系統(tǒng)并聯(lián)或串聯(lián)諧振的能力。仿真中還發(fā)現(xiàn)，電源電壓的諧波分量可能會引起在有源濾波器和無源濾波器之間的電流振蕩，這種現(xiàn)象在實際應(yīng)用中應(yīng)注意解決。
仿真結(jié)果還表明，有源濾波器使用的注入變壓器的接線方式，最好為D,d或者Y,y接線方式。這樣，對于負(fù)荷的配電變壓器的接線方式就不需要作規(guī)定，任意形式的接線方式都可取得預(yù)想的補償效果。否則會因為注入變壓器引起的補償電流的相移而損壞了補償效果，導(dǎo)致諧波電流的增加。
5裝置的特性和工業(yè)運行效果
該套補償裝置安裝在某工業(yè)區(qū)的一35kV變電站。由上級110kV變電站提供35kV線路主供電。該變電站裝有2臺分列運行的SZ9－8000/35主變壓器。根據(jù)當(dāng)?shù)毓╇娋值拈L期監(jiān)測，變電站10kV母線電壓總畸變率經(jīng)常超過國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T
14945―1993中規(guī)定的諧波電壓限值（4%），有時甚至達到5%～7%。該變電站的非線性負(fù)荷主要是一些鋼管廠的直流軋機和高頻感應(yīng)加熱爐。直流軋機和高頻感應(yīng)加熱爐的主要特征諧波為5、7、11和13次諧波，此外還有2、3、4、6等次諧波。
5.1諧波治理和無功補償方案
設(shè)計無源5次濾波器一組，安裝容量為1500kvar，用于濾去5次諧波電流和補償所需的基波無功。同時并聯(lián)高壓有源濾波器BHY480/10 1臺，用于濾除其他各次諧波電流，而且不輸出基波無功，以免無功過補。
5.2裝置性能的測量結(jié)果和工業(yè)投用效果
鑒定委員會專家測試組對該套裝置進行特性測量的結(jié)果如下：①有源濾波裝置三相輸出補償容量設(shè)計值為480kVA，實測的輸出補償容量達到508.1kVA以上。②有源濾波裝置空投時的空投損耗為563.8W，為額定補償容量的0.12%。③有源濾波裝置具有快速反應(yīng)跟蹤補償特性，動態(tài)響應(yīng)時間小于0.3ms。④變電站5號10kV母線電壓總畸變率在該套濾波補償裝置投運前的測量值為4.9%～5.9%；在該套裝置投入運行后的測量值為1.3%～1.5%。由此可見，10kV母線電壓波形得到顯著改善，電壓波形總畸變率下降為1.5%以下。⑤10kV負(fù)荷諧波電流的總補償率為76.4%。⑥裝置投運后系統(tǒng)的功率因數(shù)從0.75上升到0.93以上。
補償裝置投運前后10kV側(cè)線路電流的頻譜分析見圖3。補償裝置投運前后10kV側(cè)母線電壓的諧波總畸變率變化曲線見圖4。
圖3補償裝置投運前后10kV側(cè)線路電流的頻譜分析
圖4補償裝置投運前后10kV側(cè)母線電壓的諧波總畸變率變化
6結(jié)論
高壓并聯(lián)式混合型電網(wǎng)高次諧波有源濾波裝置是一種可直掛在10kV系統(tǒng)中使用的新型濾波補償裝置。無源濾波設(shè)備有濾除諧波的功能和兼顧系統(tǒng)所需的無功補償，有源濾波設(shè)備對系統(tǒng)的高次諧波進行有源補償，具有高度的自適應(yīng)性，同時可以抑制因系統(tǒng)參數(shù)改變而產(chǎn)生的并聯(lián)或串聯(lián)諧振，還可以防止無功過補償?shù)龋乾F(xiàn)代企業(yè)中對含有各種換流裝置的非線性負(fù)荷進行電力諧波治理和合理補償無功的設(shè)備。
國家電網(wǎng)公司于2004年12月在北京召開了該項目的科技成果鑒定會。鑒定意見認(rèn)為，該裝置是我國首次自主研制并投入工業(yè)運行的第一套10kV大容量電網(wǎng)高次諧波有源濾波裝置，填補了國內(nèi)10kV直掛電網(wǎng)的高次諧波有源濾波裝置（GAPF）的空白，其主要技術(shù)指標(biāo)達到了當(dāng)前國際先進水平，具有廣闊的應(yīng)用前景。可以方便地從三相10kV拓展到單相27.5kV的電壓等級，為電鐵牽引站的諧波治理工程提供高效的補償裝置。
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