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)和設計方案
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
3.2功率開(kāi)關(guān)器件
功率開(kāi)關(guān)器件應具有如下特點(diǎn)：①在阻斷狀態(tài)下能承受高壓。②在導通狀態(tài)下具有高的電流密度和低的導通壓降。③具有足夠短的導通時(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)效應管（MOSFET）的輸入阻抗高、開(kāi)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(guò)電流大的優(yōu)點(diǎn)；其柵極為電壓驅動(dòng)，所需驅動(dòng)功率小，開(kāi)關(guān)損耗小，工作頻率高，是目前應用于有源電力濾波器主回路的比較理想的大功率開(kāi)關(guān)器件。目前的應用水平已達到3.3kV/1.2kA。更重要的是，IGBT已經(jīng)實(shí)現了規?；I(yè)大批量生產(chǎn)，其售價(jià)已與GTR差不多，這為大批量的應用提供了充足的來(lái)源。IGBT的主要缺點(diǎn)是高壓內阻大，通態(tài)壓降大，因而導通損耗較大。為此要選擇合適的工作電壓，以降低導通損耗。因此經(jīng)權衡，本課題選用IGBT為主回路的開(kāi)關(guān)元件。
3.3IGBT的驅動(dòng)電路設計
IGBT工作狀態(tài)的好壞很大程度上取決于驅動(dòng)電路性能的優(yōu)劣。驅動(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動(dòng)器的設計，非常適合于橋臂連接IGBT的驅動(dòng)。電路中設置的軟關(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(xiàn)電壓的過(guò)沖量。驅動(dòng)電路初級和次級之間采取鐵氧體變壓器進(jìn)行隔離，因而對驅動(dòng)電源的要求不用獨立隔離，而可與控制電路共同使用一個(gè)電源，簡(jiǎn)化了電源的設置。驅動(dòng)電路中設置了一互鎖電路，以防半橋的2個(gè)IGBT元件的同時(shí)導通，通過(guò)調節接入的附加電阻，可以方便地調節其死區時(shí)間。驅動(dòng)電路中還設有錯誤信號存儲單元，如果有一個(gè)IGBT元件發(fā)生短路，或者驅動(dòng)電源低于額定值，便可通過(guò)錯誤信號存儲單元把此信號送到外部控制電路，以實(shí)現系統的保護動(dòng)作。
電路布線(xiàn)寄生的雜散電感是所有大電流開(kāi)關(guān)電源中的關(guān)鍵問(wèn)題?？焖俚年P(guān)斷過(guò)程，會(huì )引起與所儲能量和開(kāi)關(guān)速度成比例的過(guò)電壓沖擊。為了防止過(guò)電壓的損害，需要選擇冗余量較大的器件，但會(huì )增加整機成本；高的開(kāi)關(guān)電壓也會(huì )增加系統損耗，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(xiàn)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(xiàn)結構?？稍黾訓艠O串聯(lián)電阻Rg來(lái)抑制dU/dt；降低開(kāi)關(guān)速度，可顯著(zhù)降低過(guò)電壓尖峰，但增加了開(kāi)關(guān)損耗。實(shí)現的方法是在斷開(kāi)IGBT時(shí)以接近0Ω的門(mén)極阻抗釋放門(mén)極電荷，直到Uce達到主回路電壓值時(shí)，再將門(mén)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，承擔著(zhù)把大功率的諧波電流低損耗和無(wú)相移地注入10kV線(xiàn)路，以達到在10kV級的公共連接點(diǎn)處補償非線(xiàn)性負荷所產(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、繞組結構及繞制工藝上都應采用相應的措施。
3.5諧波電流檢測及補償信號控制的數字模擬混合技術(shù)
能否快速精確地檢測出電力線(xiàn)路中需要補償的諧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性能。
采用瞬時(shí)無(wú)功功率p－Q法及其演化改進(jìn)的各種算法，只能用于生成補償基波無(wú)功與所有各次諧波電流的指令信號；同步旋轉坐標變換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(wú)源濾波器的混合型結構環(huán)境中，要求可以有選擇性地補償指定次數或指定若干次諧波需要補償的諧波電流，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(shí)也使無(wú)源濾波器對某特定次數的諧波電流不會(huì )產(chǎn)生過(guò)負荷或諧波放大等［2］。
通過(guò)檢測非線(xiàn)性負荷端的諧波電流，經(jīng)過(guò)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)生與負荷諧波電流大小相等、方向相反的電流，以補償線(xiàn)路中一部分或全部的諧波電流。由于高速的DSP的出現，近年來(lái)價(jià)格又不斷下降，因此采用全數字化的采樣、分析、運算來(lái)生成有源電力濾波器的補償指令信號，已不成問(wèn)題。
采用高速DSP（TMS320F2407A）來(lái)完成快速多通道A/D轉換，通過(guò)FFT等數字式加模擬式計算，可得到與補償電流相對應的PWM信號，用以驅動(dòng)主回路的開(kāi)關(guān)器件。測量控制器采用高速DSP和工業(yè)控制機相結合來(lái)實(shí)現，其中DSP用于數據采集、補償量計算分析和構成；工業(yè)控制機（MIC－2000）用于調節、控制、通信和保護。這種數字—模擬式測量控制器與全數字式控制器相比具有測量準確、調節靈敏、響應速度快的優(yōu)點(diǎn)。負荷電流的檢測和分析采用數字方法來(lái)實(shí)現，可以保證系統的檢測分析精確度和穩定性。補償電流指令生成采用模擬電路來(lái)實(shí)現，可以實(shí)現補償電流跟蹤的快速響應，較好地消除各開(kāi)關(guān)模塊之間的環(huán)流。
3.6數字化數據采樣測量和控制采用預整形同步采樣技術(shù)
預整形同步采樣技術(shù)可嚴格保證諧波測量檢測的高準確度，保證輸出補償信號與系統電壓嚴格同步，從而保證了有源濾波器補償電流的快速響應和準確性。
采用鎖相環(huán)路來(lái)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同步采樣電路工作的影響，可以在同步信號進(jìn)入鎖相環(huán)路之前采用預整形的措施，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。采用預整形同步采樣技術(shù)來(lái)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算中的截斷誤差或FFT處理的泄漏效應所造成的誤差。它尤其適合于對任何非正弦波形的周期信號的測量和實(shí)時(shí)處理。其特點(diǎn)是同步源信號的幅度變化允許范圍寬，高準確度的定時(shí)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
裝置的軟件系統包括運行和調試程序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(lái)實(shí)現的。為便于程序的開(kāi)發(fā)和管理，軟件采用模塊化方式設計。調試程序主要實(shí)現軟件及硬件主要功能模塊的性能調試和整定值的寫(xiě)入與修改［4］。
3.8有源濾波器設計過(guò)程的電磁兼容性管理
高壓并聯(lián)式有源濾波器自身結構由交流和直流電力系統、測量、運算和控制等弱電（電子）系統構成。為避免電子系統受到各種干擾，在設計研制過(guò)程中，應進(jìn)行相應的電磁測量和分析，以便對電力系統或電子系統采取措施。
電磁兼容性的管理主要是圍繞構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備)來(lái)進(jìn)行的。其管理的內容包括：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），如何切斷電磁干擾的傳輸途徑。③敏感設備對電磁騷擾產(chǎn)生何種影響，如何提高敏感設備的抗干擾能力。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元件的導通和截斷等，都會(huì )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(lèi)干擾的呈現最敏感。因此，應根據有關(guān)電磁兼容性的標準和規定，合理有效地解決這三要素的問(wèn)題。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/177758.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(jìn)行數模信號混合仿真，可以評價(jià)有源電力濾波器的效率和控制系統的功能。在未進(jìn)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構進(jìn)行評價(jià)［5］。采用CHP諧波潮流計算程序，可以進(jìn)行10kV并聯(lián)式混合型有源濾波器裝置仿真運行和安全校核，優(yōu)化參數和結構。
分別按照3種不同的安裝位置和控制方法來(lái)分析有源濾波器和無(wú)源濾波器混合結構的補償效果。對于每一種結構，僅在諧波濾波效果和串、并聯(lián)諧振抑制方面進(jìn)行分析。仿真結果表明,使用有源和無(wú)源濾波器相結合的諧波補償裝置的優(yōu)點(diǎn)為：①能有效地補償負荷在運行過(guò)程中所產(chǎn)生的寬范圍的頻率變化的諧波電流。②能有效地抑制系統可能產(chǎn)生的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振。
通過(guò)分析3種有源和無(wú)源濾波器不同的組合結構形式，其仿真結果表明，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并聯(lián)或串聯(lián)諧振的能力。仿真中還發(fā)現，電源電壓的諧波分量可能會(huì )引起在有源濾波器和無(wú)源濾波器之間的電流振蕩，這種現象在實(shí)際應用中應注意解決。
仿真結果還表明，有源濾波器使用的注入變壓器的接線(xiàn)方式，最好為D,d或者Y,y接線(xiàn)方式。這樣，對于負荷的配電變壓器的接線(xiàn)方式就不需要作規定，任意形式的接線(xiàn)方式都可取得預想的補償效果。否則會(huì )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)區的一35kV變電站。由上級110kV變電站提供35kV線(xiàn)路主供電。該變電站裝有2臺分列運行的SZ9－8000/35主變壓器。根據當地供電局的長(cháng)期監測，變電站10kV母線(xiàn)電壓總畸變率經(jīng)常超過(guò)國家標準GB/T
14945—1993中規定的諧波電壓限值（4%），有時(shí)甚至達到5%～7%。該變電站的非線(xiàn)性負荷主要是一些鋼管廠(chǎng)的直流軋機和高頻感應加熱爐。直流軋機和高頻感應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(wú)功補償方案
設計無(wú)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(wú)功。同時(shí)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(wú)功，以免無(wú)功過(guò)補。
5.2裝置性能的測量結果和工業(yè)投用效果
鑒定委員會(huì )專(zhuān)家測試組對該套裝置進(jìn)行特性測量的結果如下：①有源濾波裝置三相輸出補償容量設計值為480kVA，實(shí)測的輸出補償容量達到508.1kVA以上。②有源濾波裝置空投時(shí)的空投損耗為563.8W，為額定補償容量的0.12%。③有源濾波裝置具有快速反應跟蹤補償特性，動(dòng)態(tài)響應時(shí)間小于0.3ms。④變電站5號10kV母線(xiàn)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(jiàn)，10kV母線(xiàn)電壓波形得到顯著(zhù)改善，電壓波形總畸變率下降為1.5%以下。⑤10kV負荷諧波電流的總補償率為76.4%。⑥裝置投運后系統的功率因數從0.75上升到0.93以上。
補償裝置投運前后10kV側線(xiàn)路電流的頻譜分析見(jiàn)圖3。補償裝置投運前后10kV側母線(xiàn)電壓的諧波總畸變率變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。
圖3補償裝置投運前后10kV側線(xiàn)路電流的頻譜分析
圖4補償裝置投運前后10kV側母線(xiàn)電壓的諧波總畸變率變化
6結論
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系統中使用的新型濾波補償裝置。無(wú)源濾波設備有濾除諧波的功能和兼顧系統所需的無(wú)功補償，有源濾波設備對系統的高次諧波進(jìn)行有源補償，具有高度的自適應性，同時(shí)可以抑制因系統參數改變而產(chǎn)生的并聯(lián)或串聯(lián)諧振，還可以防止無(wú)功過(guò)補償等，是現代企業(yè)中對含有各種換流裝置的非線(xiàn)性負荷進(jìn)行電力諧波治理和合理補償無(wú)功的設備。
國家電網(wǎng)公司于2004年12月在北京召開(kāi)了該項目的科技成果鑒定會(huì )。鑒定意見(jiàn)認為，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)指標達到了當前國際先進(jìn)水平，具有廣闊的應用前景?？梢苑奖愕貜娜?0kV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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