面向非线性冲击负荷谐波的全有源模块化并联治理技术研究

发布时间：2020-05-01 16:38

【摘要】：近年来,随着各行业用电需求的增加,大容量非线性冲击负荷广泛存在于电网中,例如电气化铁路的牵引设备、电解铝企业的整流设备以及冶金企业的电弧炉。该类负荷具有功率变化剧烈、负荷曲线呈锯齿状、间隔短等特性,接入电网后,将会对电网产生有功及无功冲击、谐波污染等危害,严重影响电网的安全稳定运行。得益于电力电子技术的不断进步,有源电力滤波器凭借高度可控性、良好的动态响应速度以及不易与电网发生谐振等优点,成为了解决电能质量问题的首要手段,但受开关频率、器件容量以及散热工艺等因素限制,单机补偿容量较小。本文正是基于这样的技术背景,旨在研究面向大型冲击性负荷谐波的全有源模块化并联治理技术,结合冲击性负荷谐波污染源的特性,解决模块化并联的关键技术问题,包括多机并联最优运行模式、高可靠输出限幅策略、并机系统复杂耦合机理及稳定性分析,最大程度上减少冲击性负荷给电网带来的谐波冲击,提高电力系统供电质量,保证电网安全稳定运行。首先,在有源滤波器多机并联运行模式方面,创新地从系统控制目标的角度,分类对比现有五种并联模式,得出传统并机模式属于开环架构,虽然补偿结构直观,动态响应性能优越,但稳态精度有所欠缺。针对上述问题,采用闭环补偿拓扑,电流采样单元直接采集网侧电流形成反馈闭环控制,改善稳态精度。结合冲击性谐波污染源的负载特性,进一步提出了多机分次和多机均流相结合的开闭环补偿模式,不仅保留了开环结构快速响应和闭环结构高补偿精度的优势,而且兼具分次补偿高容量利用率和均流补偿实现简单的优点。其次,在有源滤波器输出限幅策略方面,详细分析了有源电力滤波器在工业应用中可能出现的限幅需求(直流侧电压利用率、补偿电流有效值和瞬时值)及其相应的保护对象(半导体器件IGBT、并网电抗器、断路器和PWM-VSC的指令电压线性输出),并在此基础上推导出相应的约束条件。通过对比研究三种传统限幅控制策略(截断限幅、比例限幅和优先级限幅)的优缺点,进一步提出了补偿容量最优和网侧电流THD最优的两个优化目标及其实现方法,包括基于粒子群算法的最优限幅系数确定和电流控制策略。然后,在有源滤波器多机并联稳定性分析方面,针对弱电网条件下多机并联系统存在复杂耦合,从最基本的电流环出发推导出相应等效导纳模型。在此基础上,考虑到有源滤波器在电流环前级增加了电流采样单元,通过电路简化得到谐波控制环导纳模型和多机并联谐波补偿系统等效电路,进一步推导出并联系统各部分响应表达式,从而揭示了多机并联系统发生失稳现象的本质原因以及维持系统稳定的充分必要条件。最后,在实验平台设计与验证方面,采用三相四桥臂式主电路拓扑结构和基于DSP+FPGA双核心架构的控制系统对前文所提出的多模块并联谐波补偿策略以及限幅策略进行了验证,实验结果进一步说明了所提方法的有效性和合理性。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM761

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