并联有源电力滤波器工程应用关键技术的研究

分类号：TM46单位代码：10335密级：无学号：10210059博士学位论文中文论文题目：并联有源电力滤波器工程应用关键技术的研究英文论文题目：TheStudyonKeyTechniquesofShuntActivePowerFilterforEngineeringApplication申请人姓名：鞠建永指导教师：徐德鸿教授合作导师：专业名称：电力电子与电力传动研究方向：基于电力电子的电力品质控制所在学院：电气工程学院论文提交日期2009年1月并联有源电力滤波器工程应用关键技术的研究论文作者签名:指导教师签名:论文评阅人1：评阅人2：评阅人3：评阅人4：评阅人5：答辩委员会主席：委员1：委员2：委员3：委员4：委员5：答辩日期：TheStudyonKeyTechniquesofShuntActivePowerFilterforEngineeringApplicationAuthor’ssignature:JUJianyongSupervisor’ssignature:XUDehongExternalReviewers:ExaminingCommitteeChairperson:ExaminingCommitteeMembers:ZHAOGuangzhouXUZhengJIANGDaozhuoCHENGZhaojiXUDehongDateoforaldefence：Jan.fifth,2009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，也不包含为获得浙江大学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。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解浙江大学有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日本论文工作得到：浙江省科技计划重点项目(项目编号：2004C21001)和台达环境与教育基金会《电力电子科教发展计划》的资助谨致谢意！浙江大学博士学位论文致谢i致谢本论文工作是在尊敬的导师徐德鸿教授关心和指导下完成的。导师渊博的学识、敏锐的洞察力、深厚的理论素养、严谨求是的科研精神，令我耳濡目染、受益终身，在此向徐德鸿教授表示衷心的感谢！感谢杭州大有科技发展有限公司汪泉总经理、黄武浩副总经理、张帆总工程师、陈子泉总经理助理、张鹏飞经理，以及公司研发团队的支持，还有王荣华经理在生活上的照顾。感谢本文的评阅和答辩委员会各位老师在百忙中对本文进行评阅、指导。感谢实验室陈敏老师、谌平平老师、胡长生老师、陈怡老师、陈斌老师、沈国桥老师对作者的指导，感谢有源电力滤波器课题组各位师兄和师弟给作者的帮助，他们是：陈仲、徐君、方红兴、王磊、程永华、徐迎春、王华凤、何峰宇、周导等。感谢冯波博士、李君博士对作者的帮助和鼓励。感谢实验室的Boris、于玮、李睿、朱选才、刘昌金、苏娜、李奇南、伍晓峰、张龙龙、李霄、邓成、何国锋、张涛、杜成瑞、黄晓波、陈文杰、李钧、赵向源、贾辰东、马柯、温志伟、马奎安、施玉祥、陶钧炳、王山山、李敏、姜鑫、马智远、张俊、柳绪丹、张文平等同学在生活和学习上给予我的热心帮助。感谢曾雨竹博士、陈玮博士、李荣雨博士、李青等同学和朋友的关心和帮助。感谢应电楼试验大厅张师傅在实验方面给予的帮助。感谢作者的妻子陈雪梅女士和双方的父母，感激你们的默默支持与付出。感谢本文的读者，谢谢。鞠建永2009年1月6日于求是园浙江大学博士学位论文摘要ii摘要以谐波抑制、无功补偿为主要功能的有源电力滤波器的基本理论已经成熟，但是市场尚无成熟的谐波有源抑制产品，同时电网谐波问题日益突出，因此需要对有源电力滤波器进行产业化应用研究。并联有源电力滤波器以其安装、维护方便，成为商用化产品的主流。所以本文针对并联有源电力滤波器，展开产业化应用研究。本文研究工作首先由如下工程问题引出：并联有源电力滤波器在补偿办公楼电气负载产生的谐波电流时，会出现谐波放大现象。办公楼电气负载主要是计算机、开关电源、不间断电源、电压型变频器等，这些都是电压型谐波源。本文以电容滤波型整流电路(电压型谐波源)的分析作为切入点，基于“分段线性化”方法，对并联有源电力滤波器补偿电容滤波型整流负载进行了稳态分析，得到系统的电流和电压波形，进而获得其频谱特性。通过本文所述稳态分析方法，可以从理论上理解并联有源电力滤波器补偿电容滤波型整流负载的工作过程，对有源电力滤波器的应用研究具有重要的理论和实际意义。本文在分析办公楼负载电气特性的基础上，建立了有源电力滤波器补偿容性负载的简化模型，依据该模型分析了负载中容性元件的电容值与谐波电流放大之间的关系；为了克服谐波放大现象，本文首先通过负载电流采样环节后加装滤波器的方式，将电流谐振频率分量从采样值中滤除，虽然达到了抑制谐波放大的目的，但是由于延时的引入，使得补偿后网侧电流畸变率(THD)急剧升高；然后根据这一思路，采用基于快速傅立叶变换(FFT)的有选择谐波补偿方法将电流谐振频率分量从负载电流采样值中滤除，使得系统在谐振频率处变为开环控制，使系统稳定。经过对办公楼负载的实际并网谐波补偿实验证明基于FFT的有选择谐波补偿方法对于抑制谐波放大是有效的。本创新点的研究工作对于实际工程应用具有参考价值。为了满足大容量的谐波抑制要求，本文提出了模块化有源电力滤波器并联补偿方案，该方案的特点是模块化结构及N+1冗余并联控制策略、主从总线结构及主机产生、负载电流检测方案以及并联均流策略。主机产生及负载电流检测是这一并联方案的突出特点，体现了本文的创新性工作。本文还对多模块并联系统浙江大学博士学位论文摘要iii进行了建模和稳定性研究；依据模块化并联补偿方案，在省科技计划重点项目的支持下，对有源电力滤波器进行产业化研究，从项目方案、设计、器件选型、样机调试、满功率运行及性能检测、楼宇负载与工业负载的实际并网实验，直至工业样机定型，对有源电力滤波器的产业化应用研究起了较大的推进作用，支撑项目目前已经有定型的工业化产品推出。全文围绕上述三个方面展开，章节分排如下：(1)第一章从实际应用角度，总结阐述了有源电力滤波技术在谐波检测、电流跟踪控制、拓扑结构三个方面的研究进展；(2)第二章对并联有源电力滤波器补偿电容滤波型整流负载进行了稳态分析；(3)第三章分析了有源电力滤波器补偿容性负载时出现的谐波放大现象，并利用FFT方法使得系统在谐振频率处变为开环控制，达到抑制谐波放大的目的；(4)第四章、第五章提出有源电力滤波器模块化并联方案，并详细说明了模块化并联系统的设计和实验；(5)第六章对全文进行了总结，并对今后的研究工作进行了展望。关键词：有源电力滤波器、电容滤波型整流负载、建模、楼宇负载、谐波放大、多模块并联系统、N+1冗余浙江大学博士学位论文AbstractivAbstractTheActivePowerFilter(APF)withthegoalofharmonicinhibitionandreactivepowercompensationisalreadybasicallymature.Atthesametime,theproblemofpowerharmonicbecomesmoreandmoresevere.Therefore,itisurgenttocarryoutindustrializedandappliedresearchaboutAPF.ShuntAPFbecomesmainstreamduetoitsconvenienceininstallationandmaintenance.So,theindustrializationofshuntAPFisstudiedinthisdissertation.TheresearchdevelopedbythisdissertationisinducedbytheengineeringproblemthatharmonicamplificationoccurswhenaconventionalshuntAPFcompensatesharmoniccurrentgeneratedbyelectricapparatusinofficebuilding.Theelectricloadsinofficebuildingaremainlymadeupofpersonalcomputers,UPSs,switchingmodepowersuppliesandacdriveswhichareallvoltage-typeharmonicsources.Thedissertationstartswiththeanalysisofvoltage-sourcerectifier.Itisanalyzedthesteadystatecurrents,voltagesandtheirspectrumsofuncontrolledsingle-phasevoltage-sourcerectifiercompensatedbyshuntAPFbasedonpiecewiselinearizationmethod.Themethodofsteady-stateanalysisilluminatedbythisdissertationishelpfultounderstandtheoreticallytheworkingmechanismofAPFcompensatingvoltage-sourcerectifierandhasimportantsignificanceintheappliedresearchofAPF.AsimplifiedmodelofAPFcompensatingcapacitiveloadismodeledonthebaseofanalyzingthecharacteristicsofelectricloadsinsideofficebuilding.Bythissimplifiedmodel,itisanalyzedinthisdissertationthattherelationshipbetweenthevalueofcapacitorinofficeloadandtheharmonicamplification.Theharmonicamplificationcanbeovercomebyafilteraddedtotheloadcurrentsamplingtogetridofthecomponentonresonancefrequency.Althoughtheharmonicamplificationissuppressed,theTHDofpowergridcurrentincreasesrapidlyasaresultofdelaytimeintroduced.Accordingtothisway,theselectiveharmoniccompensationbasedonfastfouriertransformation(FFT)isadoptedtoeliminatetheresonantcomponentfromthesampledloadcurrent.So,thesystemwillworkunderopen-loopcontrolupon浙江大学博士学位论文Abstractvresonancefrequencyandkeepsresilient.TheselectiveharmoniccompensationbasedonFFTisprovedeffectivetosuppress