多模块并联APF关键技术研究

发布时间：2017-05-20 14:11

  本文关键词：多模块并联APF关键技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：根据我国绿色、低碳发展的要求,电网谐波问题受到越来越多的关注。有源电力滤波器(Active Power Filter, APF)作为治理谐波的有效装置之一,逐渐趋于大规模工业应用。工业界对大容量、高可靠性的APF需求日益增多。多模块并联APF以其扩容灵活、可靠性高等优点成为一个重要发展方向和研究热点。本文对多模块并联APF的若干关键技术问题进行了深入研究。 为满足各模块对负载电流采样信号的一致性及采样系统可靠性要求,设计了模块化APF负载电流两级采样策略,可避免各模块共用一级传感器时存在的单点故障,以及各APF模块单独设置电流传感器引起的采样信号不同步问题；对适用于APF不对称谐波负载提取的数字带通滤波器法、ip、iq法、离散傅立叶变换法进行分析对比,在此基础上给出了改进离散傅立叶谐波检测方法,可检测指定次不对称谐波,并且计算效率和所需数据空间比传统DFT滑窗迭代算法有所改善。相关实验验证了设计方法和技术的有效性。 针对N+X冗余系统需要对每个单机APF模块设置一个固定物理地址,难以产业化的问题,在分析N+X并联冗余APF系统的可靠性的基础上,分别提出了一种基于模块编号的集中控制和主从控制策略,设计了系统均流策略、模块限流保护方法,最终实现了具有较大潜在应用价值、高可靠性的N+1多模块并联APF冗余控制策略。同时,提出了一种模块桥臂间故障冗余策略,较之故障时整机切除模块的方法,可以充分利用故障模块的完好桥臂,增加了模块工作的灵活性。通过样机实验验证了所提出的冗余控制策略的可行性与实用性。 针对采用LCL滤波器的APF谐振问题,采用了带LC开关纹波抑制支路的无源阻尼方法,可有效抑制谐振,并减少传统阻尼电阻引起的损耗和发热。建立了多模块APF并联结构的多变量系统数学模型,并在合理假设所有APF参数完全一致的情况下,推导出n模块并联APF的等效单机模型。并在考虑网侧阻抗耦合问题的基础上,分析了模块化APF的稳定性。 以三模块APF并联系统样机的设计与实现为例,进行了模块化APF并联系统试制。将APF模块设计为结构紧凑、易于实现热插拔的“抽屉式”结构。为保证“抽屉式”结构的散热裕量,提出强制风冷条件下流动-散热耦合的流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)数值模拟方法,可准确模拟APF模块在工作中的实际温升情况,缩减了研发成本和研发周期。同时,设计了多模块并联APF系统的控制、通讯及人机界面的实现方案。最后,在所研制的三模块APF并联系统中实验验证,包括三相平衡负载、以及各种不平衡负载工况下模块化APF系统的动态、稳态实验以及模块温升实验。补偿性能实验结果证明依照本文理论所设计的多模块APF系统具有良好性能,温升实验结果与仿真分析一致,证明所提出的CFD方法对APF模块的散热模拟是可行的。
【关键词】：电能质量 谐波抑制 模块化 可靠性 并联有源电力滤波器 冗余控制 LCL滤波器 谐振抑制
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN713.8;TM761
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-10
• 图索引10-13
• 表索引13-14
• 符号及术语14-16
• 目录16-19
• 1. 绪论19-33
• 1.1. 引言19
• 1.2. 谐波的产生及治理19-21
• 1.2.1. 谐波的产生及危害19-20
• 1.2.2. 谐波补偿标准20-21
• 1.2.3. 谐波补偿方法21
• 1.3. 有源电力滤波器的发展与国内外现状21-22
• 1.4. 多模块并联有源电力滤波器简介22-23
• 1.5. 多模块并联有源电力滤波器关键技术及应用23-31
• 1.5.1. 多模块并联APF负载电流采样及谐波分离技术24-26
• 1.5.2. 多模块并联APF冗余控制技术26-28
• 1.5.3. APF电流控制技术28-29
• 1.5.4. 多模块并联APF谐振抑制技术29-30
• 1.5.5. 其它相关技术30-31
• 1.6. 本文选题意义和主要研究内容31-33
• 1.6.1. 本文选题意义31
• 1.6.2. 本文主要研究内容31-33
• 2. 模块化APF负载电流检测及分离33-53
• 2.1. 引言33
• 2.2. 负载电流采样策略33-34
• 2.3. 不对称谐波的i_p-i_q检测算法34-37
• 2.4. 基于带通滤波任意次谐波检测方法37-40
• 2.5. 改进DFT的任意次不对称谐波电流检测方法40-44
• 2.5.1. 基于滑窗迭代傅里叶变换谐波检电流测法40-42
• 2.5.2. 改进DFT的选择性谐波电流检测算法42-44
• 2.6. 谐波检测算法对直流侧电压的影响44-46
• 2.7. 实验结果46-52
• 2.7.1. 谐波检测稳态实验46-47
• 2.7.2. 谐波检测动态实验47-48
• 2.7.3. 谐波负载切换时直流侧电压的波动48-49
• 2.7.4. 对称谐波负载补偿实验49
• 2.7.5. 不对称谐波负载补偿实验49-51
• 2.7.6. 指定次谐波电流补偿实验51-52
• 2.8. 本章小结52-53
• 3. 多模块并联APF系统冗余控制策略53-79
• 3.1. 引言53
• 3.2. APF并联冗余技术53-55
• 3.3. 模块化并联APF可靠性分析55-60
• 3.3.1. APF可靠性指标55-57
• 3.3.2. N+X并联APF冗余系统的可靠性分析57-60
• 3.4. 基于模块编号的APF并联冗余控制策略60-65
• 3.4.1. 基于模块编号的集中控制策略61-63
• 3.4.2. 基于模块编号的主从控制策略63-65
• 3.5. 均流策略65-67
• 3.6. 模块化并联APF限流保护策略67-70
• 3.7. 模块间桥臂故障冗余策略70-72
• 3.8. 实验结果72-78
• 3.8.1. 1+1冗余系统稳态补偿实验73-74
• 3.8.2. 1+1冗余系统动态补偿实验74-75
• 3.8.3. 限流补偿实验75-77
• 3.8.4. 桥臂间冗余控制实验77-78
• 3.9. 本章小结78-79
• 4. 多模块并联APF建模及稳定性分析79-101
• 4.1. 引言79
• 4.2. 单机APF模型79-85
• 4.2.1. 反馈网侧电流和反馈逆变侧电流控制79-82
• 4.2.2. 单机APF的谐振特性82-83
• 4.2.3. 新型无源阻尼83-85
• 4.3. n模块APF并联数学模型85-91
• 4.3.1. n模块并联APF系统结构85-86
• 4.3.2. n模块并联APF建模86-90
• 4.3.3. n模块并联APF谐振分析90-91
• 4.4. n模块并联APF反馈网侧电流传递函数分析91-94
• 4.5. n模块并联APF电流控制及稳定性分析94-100
• 4.5.1. n模块并联APF电流控制分析94-95
• 4.5.2. 电流控制器的设计95-98
• 4.5.3. 稳定性分析98-100
• 4.6. 本章小结100-101
• 5. 三模块并联APF系统的设计及实验101-129
• 5.1. 引言101
• 5.2. 模块化APF结构设计101-103
• 5.3. APF模块热设计及CFD数值模拟103-110
• 5.3.1. 功率模块的发热分析103-105
• 5.3.2. 逆变侧电感L_c和网侧电感L_s发热分析与计算105-106
• 5.3.3. 冷却设备设计106-107
• 5.3.4. 强制风冷条件下模块流、热耦合CFD分析107-110
• 5.4. 多模块并联APF的控制实现110-115
• 5.4.1. 控制系统整体结构111
• 5.4.2. 总监控单元的设计111-113
• 5.4.3. 控制系统的软件实现113-114
• 5.4.4. 控制系统硬件实现114-115
• 5.5. 集中控制的通讯实现和人机界面设计115-119
• 5.5.1. 集中控制的通讯实现115-117
• 5.5.2. 人机界面的设计117-119
• 5.6. 三模块并联APF实验结果119-127
• 5.6.1. 模块温升实验119-121
• 5.6.2. 平衡负载条件下三模块并联补偿实验121-122
• 5.6.3. 不平衡负载条件下三模块并联补偿实验122-126
• 5.6.4. 负载中线电流抑制实验126-127
• 5.7. 本章小结127-129
• 6. 总结与展望129-131
• 6.1. 本文工作总结129-130
• 6.2. 未来工作展望130-131
• 参考文献131-139
• 附录1： 实验装置图片139-142
• 附录2： 科研成果142-144
• 致谢144

【参考文献】

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本文编号：381866