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模块化三电平有源滤波器的研制

2021-01-17

现代电力系统中用电负荷结构发生了较大变化,一方面,非线性不平衡负荷等影响电能质量问题的因素不断增加,对供电电能质量造成严重的干扰和污染;另一方面,大量基于计算机系统的控制设备和电子装置投入使用,这些装置对电能质量及供电可靠性的要求越来越高。电能质量问题对电网和配电系统造成的直接危害和对人类生产生活造成的损失也越来越大。谐波治理是电能质量的重要问题,谐波主要危害表现在以下方面[1-4]。(1)使公用电网中的元件产生附加的谐波损耗,降低了发电、输电及用电设备的效率,不利于节能降耗。(2)谐波使电气设备产生机械振动、噪声与过电压,使变压器局部严重过热,影响各种电气设备的正常工作,大大增加了维护费用,造成大量的重复投资。(3)谐波问题导致无功补偿装置无法正常投运,从而使功率因数降低,增加企业运营成本。(4)传统的谐波治理装置存在自身无法克服的缺陷,且易加剧谐波影响,增加电能损耗。有源滤波器(APF)在欧美国家已得到了广泛应用。在我国,电气化铁道及城市轨道交通、电力等行业,以及办公大楼、住宅小区、计算中心等市政工程都对APF有应用需求。采用APF是目前治理谐波的主要手段。与无源滤波器相比,APF响应快,能够做到对变化的谐波电流动态跟踪补偿,也可抑制闪变和补偿无功,补偿方式灵活。国内专家学者对APF的算法和控制策略已进行了较为深入研究[5-10]。笔者提出的三电平模块化APF具有设计成本低、装置体积小、运行可靠性高等特点。这一APF尝试采用电路板和铜螺柱相结合的方法取代功率电缆,使装置模块化设计成为现实,产业化前景广阔,社会与经济效益将十分可观。2拓扑结构笔者采用的中点钳位型三电平APF装置主电路如图1所示,采用三相四线制模式,主要包括连接电抗、滤波电抗、阻容滤波回路及电子变换部分。电子变换部分为三电平脉宽调制(PWM)逆变器结构,分别用T1_B、T2_B、T3_B、T4_B、D1_B、D2_B、D3_B、D4_B、D5_B、D6_B表示B相绝缘栅双极晶体管(IGBT)和二极管的位号。与普通二电平PWM逆变器相比,三电平PWM逆变器输出相电压电平数由2个增加到3个,电平幅值由整个直流母线电压降低为直流母线电压的1/2,输出电压变化率dv/dt也相应降低。在相同的开关频率下,采用三电平结构还可使输出波形有较大改善。图1三电平APF主电路3模块化三电平APF设计3.1模块化三电平APF样机模块化设计基于产品小型化、低成本、可靠性高等需求因素。模块的通用性好,便于生产和维护。图2为一台60A、380V模块化三电平APF样机,其特点主要表现在以下3点。图2模块化三电平APF样机(1)一体化设计,硬件、电气、结构等多方面密切配合,各方面相互完全依赖。(2)工业化水平高,内部接线简洁,只有两组扁平电缆和一组连接线。驱动板直接与直流连接板焊接在一起,省去板卡之间的大量连线,避免接线错误及接触不良的问题,装配效率高。(3)采用电路板完成主回路的电气连接,取代大电流电缆,使产品尺寸大幅缩减。回路中的电力电容、电流霍尔元件和继电器焊接在高压、大电流功率板上是新的突破。3.2功率板样机中除控制板、驱动板之外的三种板卡,按功能分为电抗板、直流板、交流板,其设计都需要满足大电流和高电压的要求,均称为功率板。三种板卡之间的连接通过若干铜螺柱和一根铜排实现。直流板是功率板卡中较为复杂的一种板卡,设计时需要考虑的问题较多。由于直流板涉及储能电容器、IGBT模块、泄放电阻、吸收电容、风机电源转接及IGBT驱动板等强弱电综合布局,布板难度较大,存在较大的设计风险。

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