基于重复控制的大容量并联型有源电力滤波器的几个关键技术.docx

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基于重复控制的大容量并联型有源电力滤波器的几个关键技术

浙江大学电气工程学院

硕士学位论文

基于重复控制的大容量并联型有源电力滤波器的几个关键技术

姓名：

王智强

申请学位级别：

硕士

专业：

电力电子与电力传动

指导教师：

陈国柱

20100101

浙江大学硕士学位论文摘要

摘要

工业应用的大容量并联型有源电力滤波器通常被控制成受控谐波电流源，非常适合补偿电力系统中大量的电流型谐波源，因此对其主电路设计和控制方法的研究具有重要的理论和工程实际意义。

本文针对基于重复控制的２６０ｋＶＡ三相三线并联型有源电力滤波器工业样机，对其几个关键技术问题进行了研究。

大功率变流器主回路的分布电感对于开关管的安全和高效工作至关重要。

本文在分析减小叠层平面母线等效分布电感的基础上，设计了一种用于大容量变流器的无感平面母线结构，大大降低功率器件开关过程中的电压尖峰和ＥＭＩ问题。

ＬＣＬ滤波器以其较好的滤波性能逐渐被应用于大容量并联型有源滤波装置，但由于其包含多个参数而不易设计。

本文在重点考虑滤波电感压降、滤波电容无功容量、高频分流效果、谐振频率因素的基础上提出了一种ＬｃＬ滤波器参数设计方法。

该方法简单易行，物理意义明确、具有一定的工程应用价值。

散热结构形式直接关系到大容量电力电子装置是否能长期可靠运行。

然而，在包含多个发热和热敏感元件的装置中，散热结构设计变得复杂。

本文提出了一种风道隔离型的散热结构，该结构通过独立且紧凑的风道保证了功率模块的散热效果，同时把主电路无源元件协调统一散热，大大减小了风机数量和装置体积。

大容量并联型有源电力滤波器的补偿精度取决于电流环的设计。

由于电流环参考和反馈电流由许多次谐波叠加而成，传统的ＰＩ调节器稳态跟踪性能不佳。

本文提出了一种ＰＩ内环，重复控制外环构成的双环复合控制策略用来改善输出电流波形，并给出了详细的设计方法。

该控制器对奇次、偶次谐波电流以及不平衡负载条件下的负序谐波电流均具有很高的稳态补偿精度，同时保证了系统的动态响应速度，且易于实现。

在启动、并网和负载切换等动态过程中，直流母线电压将产生大幅过冲或跌落，严重威胁开关器件的安全，因此动态过程中对直流母线电压的控制是十分必要的。

本文提出了一种软启动和并网冲击抑制技术以解决启动和并网过程中直流’电压大幅波动的问题。

然后根据交流侧和直流侧的功率平衡方程，推导了电压环的小信号模型。

最后基于该模型设计了一种高动态性能的直流电压调节器。

关键词：

并联型有源电力滤波器，平面母线，ＬｃＬ滤波器，重复控制，ＰＩ控制

浙江大学硕士学位论文Ａｂｓ仃ａｃｔ

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浙江大学研究生学位论文独创性声明

’本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝婆叁堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

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年月同

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年月目

浙江大学硕士学位论文第一章绪论

第一章绪论

１．１引言

在理想的电力系统中，电能质量通常用电压和频率来衡量。

但在实际的电力系统中，由于大量非线性负载的存在，仅用电压和频率来表征电能质量很不完善，波形畸变率也是影响电能质量的重要因素。

尤其是近２０多年来，随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通、家庭等众多领域中的应用日益广泛，由此带来的谐波和无功问题也日益严重。

电力系统中的谐波和无功功率对公用电网带来许多不利影响，如增加设备容量和线路损耗、使电机发生机械振动、引起电网局部谐振、导致继电保护装置误动作、干扰通讯系统等。

为了消除这些不利影响，提高供电质量，谐波抑制和无功补偿补偿技术竞相发展。

并联型有源电力滤波器通常被控制成受控谐波和无功电流源，非常适合补偿电力系统中大量的电流型谐波和无功源，因此受到了广泛关注并得到了迅速发展

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本章首先综述了并联型有源电力滤波器的系统构成以及基本工作原理，然后指出了大容量并联型有源滤波器的了几个关键技术及其研究现状，最后介绍了本文的主要研究内容。

１．２三相三线并联型有源滤波器基本结构和工作原理

三相三线并联型ＳＡＰＦ系统的结构图如图１．１所示。

其中带有串联电阻和电感的三相二极管整流桥作为非线性负载；一个电压源型的逆变器通过输出滤波器连接到电网，二者构成并联型有源滤波器。

图中：

甜ｇ为电源相电压，乓为电源侧内感，￡ｆ为负载侧进线电感，％为直流母线电容，吼为阻感负载，三Ｊ．厶和Ｃ构成ＬｃＬ输出滤波器，勘为阻尼电阻，屯、如分别为负载电流和补偿电流，％为电网电压，‰为直流电压。

交流侧滤波器的作用是平衡变流器与电网之间的电压差，使其产生所需的无功和谐波电流，同时抑制变流器产生的开关纹波电流注入电网。

直流母线电容则用来吸收变流器产生的纹波电流，同时还起到吸收交、直流侧瞬时不平衡能量并支撑直流母线电压的作用。

浙江大学硕七学位论文第一章绪论

图１．１并联型有源滤波器结构图

并联型有源电力滤波器主要由指令电流运算部分，电流跟踪控制部分，主电路及其相关的驱动、辅助、保护电路组成，其中电流跟踪控制部分，主电路及其相关的驱动、辅助、保护电路构成补偿电流发生电路。

指令电流运算部分通过电压和电流传感器获取非线性负载电路的电压和电流信号，经过数字控制器计算出所需要补偿的谐波和无功电流指令信号。

电流跟踪控制部分通过比较指令电流信号与实际输出电流间的关系，得出控制主电路各开关管的ＰｗＭ脉冲信号，以保证并联型有源滤波器的输出电流跟踪指令电流的变化。

该部分是整个系统的核心控制部分，对系统性能的好坏有着决定性的影响。

主电路及其相关的驱动、辅助、保护电路的主要作用是输出补偿电流，并保证系统的安全和可靠运行。

当需要补偿非线性负载中的谐波和无功电流时，指令电流运算部分检测出补偿对象中的谐波和无功分量，然后反极性作为补偿电流的指令信号，最后由补偿电流发生电路产生与负载电流中的谐波和无功分量相反的补偿电流，使得电网电流中只含有基波有功电流，从而达到了谐波抑制和无功补偿的目的。

１．３几个关键技术问题和研究现状

本文研究的应用于公用电网的大容量并联型有源电力滤波器关键技术包括：

大容量并联型有源滤波器主电路设计、电流环控制技术、动态直流母线电压控制技术。

浙江大学硕士学位论文第一章绪论１．３．１主电路设计

主电路对系统的安全、可靠运行十分重要，对于大容量变流器尤其如此。

本文研究的主电路设计包括无感平面母线设计、ＬｃＬ滤波器设计，散热结构设计。

１．３．１．１无感平面母线设计

在电力电子装置的实际应用中，大容量变流器主回路的分布电感对于开关管的安全和高效工作至关重要。

如果在设计初期没有仔细考虑，那么存在于直流侧电容和交流器开关管之间的分布电感将可能导致如下不良后果【４１。

（１）开关过程中将产生很大的电压尖峰，使得开关管承受电压应力升高、开关损耗大大增加、开关器件超出安全运行区域，最终导致器件失效；

（２）在实际应用中，由于电压应力升高，损耗增加等不利因素，迫使开关频率降低；

（３）在分布电感和直流电容、吸收电容之间可能存在寄生振荡，导致开关器件和电容耐受附加的电压和电流，降低使用寿命。

为了解决这些问题，复杂的吸收电路和软开关技术，如电容吸收、阻容吸收、阻容二极管吸收电路等被用于大容量变流器【５１。

然而，这些电路将增加许多的元器件，提高系统成本，且难于生产和制造。

因此如何获得较低分布电感，且采用尽量少的元器件并易于设计制造成为解决这些问题的关键所在。

抑制开关过程中的电压尖峰最简单的方法就是减小从变流器到直流电容间的分布电感。

而这些电感的大小和直流母线回路的连接形式有着直接的关系。

最常用的连接方式就是采用导线和铜排直接连接，由于正、负母线间距较大，主回路面积也较大，因而导致较大的分布电感（几十到几百纳亨）。

近年来，叠层平面母线技术（也被称为无感平面母线技术）被越来越多地应用于大容量电力电子装置。

它由紧密贴合的正、负极铜板和夹在两者之间的绝缘片在高温和高压环境下紧密叠压而成，能大大减小直流侧分布电感，降低功率器件关断时的电压尖峰。

１．３．１．２ＬｃＬ滤波器设计

交流侧滤波器是大容量并联型有源滤波器的一个重要环节，主要用来滤除开关频率纹波和匹配变流器与电网之间的电压差。

滤波器的性能通常需要同时考虑开关频率纹波滤除能力和电压损失程度。

在大容量并联型有源滤波装置中应用最多的交流侧滤波器为单电感型滤波器，如图１．２左边虚线框中所示。

浙江大学硕士学位论文第一章绪论

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变流器侧Ｌ滤波器网侧变流器侧ＬＣＬ滤波器网侧

图１．２两种交流侧滤波电路结构

单电感滤波器具有结构简单、容易稳定控制的优点【６，７，８，９１，但是其在所有频段内都以．２０ｄＢ／ｄｅｃ速率衰减，因此对开关纹波的滤除效果有限。

如果为了加强滤波效果，则只能减小滤波器的带宽，即加大电感量，但是在输出电流较大时将带来较大的电压损失，导致电压型变流器直流电压利用率下降。

为了克服单电感滤波器的上述缺陷，近几年来ＬＣＬ滤波器被广泛应用于并联型有源滤波器【Ｉｏ，¨】。

ＬｃＬ滤波器的基本结构如图１．２右边虚线框中所示。

ＬＣＬ滤波器的基本原理是利用加入的电容支路为高频开关纹波电流提供低阻通路，起到对高频分量的旁路作用，从而减少注入电网的纹波电流。

从变流器侧看进去，ＬＣＬ滤波器的总阻抗为三２和Ｃ的并联阻抗，再与三ｌ的感抗相加。

由于￡２和Ｃ的并联阻抗通常远小于三一的感抗，因此总开关频率纹波电流大小主要由￡ｌ决定。

总的开关纹波电流再经过三２和Ｃ的并联分流，由于电容Ｃ阻抗远小于三２阻抗，因此注入电网的纹波电流被大大衰减。

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图１．３单电感滤波器Ｌ滤波器频率特性比较

（１）ＬｃＬ滤波器（２）单电感滤波器

图１．３为具有相同滤波电感量的单电感Ｌ和ＬＣＬ滤波器的滤波特性比较。

由图可见，在转折频率以下，两者的频率特性完全相同；转折频率以上，ＬＣＬ

４

浙江大学硕士学位论文第一章绪论滤波器的衰减率为．６０ｄＢ／ｄｅｃ，远高于单电感的．２０ｄＢ／ｄｅｃ，滤波效果大大增强。

虽然ＬＣＬ滤波器的性能较单电感优越，但其设计也比单电感复杂。

由于需要确定三个自由参数：

两个电感、一个电容，并要综合考虑开关纹波电流衰减率、滤波电感电压损失、交流电容无功电流、变流器损耗等因素，完善的ＬｃＬ滤波器的设计方法是非常复杂的。

文献【１２］提出一套详细的ＬＣＬ滤波器设计步骤，但是实际应用中显得较为复杂。

文献【１３】提出一种ＬＣＬ滤波器的设计方法，该方法对于输出正弦波的并网变流器效果较好，而对于输出谐波的并联型有源滤波器来说则不太合适。

１．３．１．３散热结构设计

在工业领域中应用中的许多大功率电力电子装置中存在许多热源，主要分为有源和无源发热元件。

有源发热元件主要指电力电子器件，如可控硅、ＩＧＢＴ、ＧＴｏ、ＩＧｃＴ；无源发热元件则主要包括电抗器、电阻器、变压器等。

所有这些发热元件都会使装置的温度升高，从而导致装置内部的元件性能变差，寿命减低等问题。

随着电力电子装置向小型化、轻量化、可靠化的方向发展，更有效的散热技术成了研究的重点。

在大功率电力电子装置热设计过程中，通常对功率模块和其他发热元件分别进行散热。

相对于变压器、电抗器等无源元件而言，功率模块因为体积较小而使热容量受限制、温度易被快速拉升，使其散热问题尤为突出。

通常在大功率场合采取专门的散热器辅助散热，并对散热器进行强制冷却，如强迫风冷、水冷、油冷、热管散热等方式。

在众多散热方式中，强制风冷的散热效果远好于自然风冷，复杂性大大低于水冷和油冷，价格低于热管散热方式，且可靠性也较高，因此是功率为数百瓦到数百千瓦的电力电子装置的主要散热方式。

通常情况下，选用散热面积较大的型材散热器和风量较大的风机可以降低散热器到环境的热阻从而提高散热效果，但散热面积的增加和风机风量的提高均受散热器的加工工艺、装置体积、重量以及噪音指标等的限制。

因此，在散热器和风机参数一定的条件下，合理的风道设计是改善散热的又一有效途径。

在包含许多发热无源元件的大功率电力电子装置中，如何设计紧凑的风道提高散热效果，并且减小风机数量和装置体积显得至关重要。

现有的电力电子装置多采取侧向进风，侧向直接出风的散热结构形式，如中国专利［１４】所公开的技术内容。

这种结构实现简单，体积较小，但由于进风口和出风口散热不一致，温度梯度明显。

对于大功率变流器装置，仅仅依靠这种横流风扇冷却装置显然是不能满足要求的。

中国专利【１５】公开的一种新型的风冷散热器，能够加大风量的利用效率，改善散热效果，但并未从根本上解决单纯横向冷却存在温度梯度的问题。

中国专利［１６】公开的一种散热结构，在一定程度上减小了功率模块进风口与出风口的温度梯度，但并没有考虑功率模块散热风道与其他风道的配合关系。

另外，中国专利【１７】公开的一种电抗器散热与电力电子功率器件散热协调统一结构，但是并不适用于包含多个发热无源元件的装置。

因此，针对含有多个发热无源元件的大功率电力电子装置的散热结构形式，有必要进一步研究。

１．３．２电流环控制技术

自有源滤波器的概念提出以来，大量的控制理论和方法被用于有源滤波器的电流环控制，多年来电流环控制也成为有源滤波器研究的一个核心点，产生了多种控制方案，现将主要的几种控制方法综述如下：

（１）滞环控制【１８，１９’２啦ｌｌ

电流滞环控制是一种较早用于电流环的控制方法，其基本控制结构如图１．４所示。

图１．４滞环控制原理框图

滞环控制的基本思想是通过将指令电流与输出电流的差值输入到滞环比较器中，通过比较器的输出来控制开关器件的动作，从而保证了输出与指令的误差始终处于滞环环宽内。

滞环控制集ＰｗＭ脉冲产生与电流控制于一体，实现简单、补偿精度高且动态响应速度快、鲁棒性好。

它的缺点在于：

滞环宽度对开关频率、电流跟踪精度的影响十分明显。

减小环宽，电流跟踪效果增强，但是主功率器件开关频率提高，开关损耗加大；增大环宽，电流跟踪效果变差，开关频率会随指令电流的不同而变化不定。

这将引起很大的开关噪声和脉动电流，且输出电流频

谱范围宽，给交流侧滤波器的设计带来很大困难。

为了解决这些缺点，恒频滞环控制、自适应滞环控制等多种方案被提出来，但是所有这些方法实现起来较复杂，实际应用很少。

（２）ＰＩ控制【２２，２３，２４】

对于电压型有源电力滤波器，工业控制中最常用的方法是ＰＩ控制。

常规ＰＩ控制器只能实现参考信号为直流时的无静差跟踪。

而在有源电力滤波器中，其参考和反馈电流由许多次谐波叠加而成，ＰＩ调节器无法准确跟踪。

另外，在大容量ＳＡＰＦ应用中，由于器件开关频率受到限制，为了保证对开关频率纹波的衰减，系统带宽又不能取得过大。

因此，常规ＰＩ控制器在大容量ＳＡＰＦ应用中受到了极大地限制。

（３）比例谐振控制‘２５＇２６，２７，２８，２９，３０，３１】

为了实现多频率下的高补偿精度，比例谐振控制被用于有源滤波器。

比例谐振控制的基本思想是利用谐振环节在谐振频率点提供的高增益实现对该谐波指令信号的无静差跟踪。

但是谐振控制器在数字实现的过程中对程序计算精度要求很高，并且在电网频率的变化时需要实时调整控制器参数，这些都增加了实际应用的难度。

另外，文献［３２】提出了多旋转坐标系下的积分控制类似于比例谐振控制，实际上都是为某一谐振频率点提供无穷大增益。

显然，这些方法都是基于选择性谐波补偿的思想，因此需要在每个谐波频率下分别嵌入控制器进行补偿，在实际应用中程序实现较繁琐。

（４）重复控制【３３，３４，３５，３６，３７】

针对这种情况，重复控制器被引入到ｓＡＰＦ的电流环控制。

重复控制的基本思想是假定前一基波周期中出现的波形畸变将在下一基波周期的同一时间重复出现，然后控制器根据指令信号与反馈信号的误差确定所需要的校正信号，在下一基波周期同一时间将此校正信号叠加在原控制信号上，从而消除以后每个周期中将出现的重复性畸变。

重复控制是基于内模原理的一种控