高壓并聯(lián)式混合型10kV電網(wǎng)高次諧波有源濾波裝置的主要特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方案
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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(diǎn)：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(shí)間和關(guān)斷時(shí)間，并能承受高的di/dt和dU/dt。IGBT既具有大功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）的輸入阻抗高、開關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又具有大功率晶體管（GTR）耐壓高、流過電流大的優(yōu)點(diǎn)；其柵極為電壓驅(qū)動(dòng)，所需驅(qū)動(dòng)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(dá)到3.3kV/1.2kA。更重要的是，IGBT已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；I(yè)大批量生產(chǎn)，其售價(jià)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(diǎn)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(dòng)電路設(shè)計(jì)
IGBT工作狀態(tài)的好壞很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)電路性能的優(yōu)劣。驅(qū)動(dòng)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(dòng)器的設(shè)計(jì)，非常適合于橋臂連接IGBT的驅(qū)動(dòng)。電路中設(shè)置的軟關(guān)斷功能可以自動(dòng)地增加IGBT的關(guān)斷時(shí)間，并同時(shí)可減少直流母線電壓的過沖量。驅(qū)動(dòng)電路初級(jí)和次級(jí)之間采取鐵氧體變壓器進(jìn)行隔離，因而對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的要求不用獨(dú)立隔離，而可與控制電路共同使用一個(gè)電源，簡(jiǎn)化了電源的設(shè)置。驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)置了一互鎖電路，以防半橋的2個(gè)IGBT元件的同時(shí)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(shí)間。驅(qū)動(dòng)電路中還設(shè)有錯(cuò)誤信號(hào)存儲(chǔ)單元，如果有一個(gè)IGBT元件發(fā)生短路，或者驅(qū)動(dòng)電源低于額定值，便可通過錯(cuò)誤信號(hào)存儲(chǔ)單元把此信號(hào)送到外部控制電路，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的保護(hù)動(dòng)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?？焖俚年P(guān)斷過程，會(huì)引起與所儲(chǔ)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(huì)增加整機(jī)成本；高的開關(guān)電壓也會(huì)增加系統(tǒng)損耗，降低整機(jī)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(gè)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(shí)現(xiàn)的方法是在斷開IGBT時(shí)以接近0Ω的門極阻抗釋放門極電荷，直到Uce達(dá)到主回路電壓值時(shí)，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(dá)到在10kV級(jí)的公共連接點(diǎn)處補(bǔ)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(cè)及補(bǔ)償信號(hào)控制的數(shù)字模擬混合技術(shù)
能否快速精確地檢測(cè)出電力線路中需要補(bǔ)償?shù)闹C波分量以及良好的動(dòng)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(jī)性能。
采用瞬時(shí)無功功率p－Q法及其演化改進(jìn)的各種算法，只能用于生成補(bǔ)償基波無功與所有各次諧波電流的指令信號(hào)；同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換d－Q法及基于改進(jìn)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(bǔ)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(bǔ)償指定次數(shù)或指定若干次諧波需要補(bǔ)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(bǔ)償能力，同時(shí)也使無源濾波器對(duì)某特定次數(shù)的諧波電流不會(huì)產(chǎn)生過負(fù)荷或諧波放大等［2］。
通過檢測(cè)非線性負(fù)荷端的諧波電流，經(jīng)過運(yùn)算后得到諧波電流補(bǔ)償指令信號(hào)，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(bǔ)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(jià)格又不斷下降，因此采用全數(shù)字化的采樣、分析、運(yùn)算來生成有源電力濾波器的補(bǔ)償指令信號(hào)，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(jì)算，可得到與補(bǔ)償電流相對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)，用以驅(qū)動(dòng)主回路的開關(guān)器件。測(cè)量控制器采用高速DSP和工業(yè)控制機(jī)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)，其中DSP用于數(shù)據(jù)采集、補(bǔ)償量計(jì)算分析和構(gòu)成；工業(yè)控制機(jī)（MIC－2000）用于調(diào)節(jié)、控制、通信和保護(hù)。這種數(shù)字—模擬式測(cè)量控制器與全數(shù)字式控制器相比具有測(cè)量準(zhǔn)確、調(diào)節(jié)靈敏、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。負(fù)荷電流的檢測(cè)和分析采用數(shù)字方法來實(shí)現(xiàn)，可以保證系統(tǒng)的檢測(cè)分析精確度和穩(wěn)定性。補(bǔ)償電流指令生成采用模擬電路來實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)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(cè)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(cè)量檢測(cè)的高準(zhǔn)確度，保證輸出補(bǔ)償信號(hào)與系統(tǒng)電壓嚴(yán)格同步，從而保證了有源濾波器補(bǔ)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(shí)和速率，是一種比較實(shí)用的同步采樣方法。為了消除畸變波形對(duì)同步采樣電路工作的影響，可以在同步信號(hào)進(jìn)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(jìn)行比較時(shí)有較高的定時(shí)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(jiǎn)便地消除積分均值運(yùn)算中的截?cái)嗾`差或FFT處理的泄漏效應(yīng)所造成的誤差。它尤其適合于對(duì)任何非正弦波形的周期信號(hào)的測(cè)量和實(shí)時(shí)處理。其特點(diǎn)是同步源信號(hào)的幅度變化允許范圍寬，高準(zhǔn)確度的定時(shí)和同步性能不受信號(hào)波形畸變的影響，多種同步信號(hào)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(yùn)行和調(diào)試程序2大部分。運(yùn)行程序是軟件的主體部分，裝置的大部分功能是由運(yùn)行程序來實(shí)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(jì)。調(diào)試程序主要實(shí)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(jì)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(cè)量、運(yùn)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(jì)研制過程中，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的電磁測(cè)量和分析，以便對(duì)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(jìn)行的。其管理的內(nèi)容包括：①電磁干擾產(chǎn)生的機(jī)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(duì)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(yùn)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?cái)嗟?，都?huì)產(chǎn)生不同形式和不同途徑的電磁干擾，而測(cè)控電子電路回路對(duì)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://www.ex-cimer.com/article/177758.htm
4濾波補(bǔ)償裝置的仿真運(yùn)行
使用電磁暫態(tài)程序（ElectroMMagnetic Transients Program，EMTP）和PSpice進(jìn)行數(shù)模信號(hào)混合仿真，可以評(píng)價(jià)有源電力濾波器的效率和控制系統(tǒng)的功能。在未進(jìn)行物理試驗(yàn)的情況下，采用軟件，可以對(duì)有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)［5］。采用CHP諧波潮流計(jì)算程序，可以進(jìn)行10kV并聯(lián)式混合型有源濾波器裝置仿真運(yùn)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(bǔ)償效果。對(duì)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(jìn)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(bǔ)償裝置的優(yōu)點(diǎn)為：①能有效地補(bǔ)償負(fù)荷在運(yùn)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(bǔ)償法和總電流反饋補(bǔ)償法都具有良好的諧波補(bǔ)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(huì)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(shí)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(duì)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(bǔ)償效果。否則會(huì)因?yàn)樽⑷胱儔浩饕鸬难a(bǔ)償電流的相移而損壞了補(bǔ)償效果，導(dǎo)致諧波電流的增加。
5裝置的特性和工業(yè)運(yùn)行效果
該套補(bǔ)償裝置安裝在某工業(yè)區(qū)的一35kV變電站。由上級(jí)110kV變電站提供35kV線路主供電。該變電站裝有2臺(tái)分列運(yùn)行的SZ9－8000/35主變壓器。根據(jù)當(dāng)?shù)毓╇娋值拈L(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，變電站10kV母線電壓總畸變率經(jīng)常超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T
14945—1993中規(guī)定的諧波電壓限值（4%），有時(shí)甚至達(dá)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(jī)和高頻感應(yīng)加熱爐。直流軋機(jī)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(bǔ)償方案
設(shè)計(jì)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(bǔ)償所需的基波無功。同時(shí)并聯(lián)高壓有源濾波器BHY480/10 1臺(tái)，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(bǔ)。
5.2裝置性能的測(cè)量結(jié)果和工業(yè)投用效果
鑒定委員會(huì)專家測(cè)試組對(duì)該套裝置進(jìn)行特性測(cè)量的結(jié)果如下：①有源濾波裝置三相輸出補(bǔ)償容量設(shè)計(jì)值為480kVA，實(shí)測(cè)的輸出補(bǔ)償容量達(dá)到508.1kVA以上。②有源濾波裝置空投時(shí)的空投損耗為563.8W，為額定補(bǔ)償容量的0.12%。③有源濾波裝置具有快速反應(yīng)跟蹤補(bǔ)償特性，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于0.3ms。④變電站5號(hào)10kV母線電壓總畸變率在該套濾波補(bǔ)償裝置投運(yùn)前的測(cè)量值為4.9%～5.9%；在該套裝置投入運(yùn)行后的測(cè)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(bǔ)償率為76.4%。⑥裝置投運(yùn)后系統(tǒng)的功率因數(shù)從0.75上升到0.93以上。
補(bǔ)償裝置投運(yùn)前后10kV側(cè)線路電流的頻譜分析見圖3。補(bǔ)償裝置投運(yùn)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(bǔ)償裝置投運(yùn)前后10kV側(cè)線路電流的頻譜分析
圖4補(bǔ)償裝置投運(yùn)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(bǔ)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(bǔ)償，有源濾波設(shè)備對(duì)系統(tǒng)的高次諧波進(jìn)行有源補(bǔ)償，具有高度的自適應(yīng)性，同時(shí)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(bǔ)償?shù)?，是現(xiàn)代企業(yè)中對(duì)含有各種換流裝置的非線性負(fù)荷進(jìn)行電力諧波治理和合理補(bǔ)償無功的設(shè)備。
國(guó)家電網(wǎng)公司于2004年12月在北京召開了該項(xiàng)目的科技成果鑒定會(huì)。鑒定意見認(rèn)為，該裝置是我國(guó)首次自主研制并投入工業(yè)運(yùn)行的第一套10kV大容量電網(wǎng)高次諧波有源濾波裝置，填補(bǔ)了國(guó)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(dá)到了當(dāng)前國(guó)際先進(jìn)水平，具有廣闊的應(yīng)用前景?？梢苑奖愕貜娜?0kV拓展到單相27.5kV的電壓等級(jí)，為電鐵牽引站的諧波治理工程提供高效的補(bǔ)償裝置。
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評(píng)論