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                            模塊化三電平有源濾波器的研制

                            2021-01-17

                            現代電力系統中用電負荷結構發生了較大變化,一方面,非線性不平衡負荷等影響電能質量問題的因素不斷增加,對供電電能質量造成嚴重的干擾和污染;另一方面,大量基于計算機系統的控制設備和電子裝置投入使用,這些裝置對電能質量及供電可靠性的要求越來越高。電能質量問題對電網和配電系統造成的直接危害和對人類生產生活造成的損失也越來越大。諧波治理是電能質量的重要問題,諧波主要危害表現在以下方面[1-4]。(1)使公用電網中的元件產生附加的諧波損耗,降低了發電、輸電及用電設備的效率,不利于節能降耗。(2)諧波使電氣設備產生機械振動、噪聲與過電壓,使變壓器局部嚴重過熱,影響各種電氣設備的正常工作,大大增加了維護費用,造成大量的重復投資。(3)諧波問題導致無功補償裝置無法正常投運,從而使功率因數降低,增加企業運營成本。(4)傳統的諧波治理裝置存在自身無法克服的缺陷,且易加劇諧波影響,增加電能損耗。有源濾波器(APF)在歐美國家已得到了廣泛應用。在我國,電氣化鐵道及城市軌道交通、電力等行業,以及辦公大樓、住宅小區、計算中心等市政工程都對APF有應用需求。采用APF是目前治理諧波的主要手段。與無源濾波器相比,APF響應快,能夠做到對變化的諧波電流動態跟蹤補償,也可抑制閃變和補償無功,補償方式靈活。國內專家學者對APF的算法和控制策略已進行了較為深入研究[5-10]。筆者提出的三電平模塊化APF具有設計成本低、裝置體積小、運行可靠性高等特點。這一APF嘗試采用電路板和銅螺柱相結合的方法取代功率電纜,使裝置模塊化設計成為現實,產業化前景廣闊,社會與經濟效益將十分可觀。2拓撲結構筆者采用的中點鉗位型三電平APF裝置主電路如圖1所示,采用三相四線制模式,主要包括連接電抗、濾波電抗、阻容濾波回路及電子變換部分。電子變換部分為三電平脈寬調制(PWM)逆變器結構,分別用T1_B、T2_B、T3_B、T4_B、D1_B、D2_B、D3_B、D4_B、D5_B、D6_B表示B相絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和二極管的位號。與普通二電平PWM逆變器相比,三電平PWM逆變器輸出相電壓電平數由2個增加到3個,電平幅值由整個直流母線電壓降低為直流母線電壓的1/2,輸出電壓變化率dv/dt也相應降低。在相同的開關頻率下,采用三電平結構還可使輸出波形有較大改善。圖1三電平APF主電路3模塊化三電平APF設計3.1模塊化三電平APF樣機模塊化設計基于產品小型化、低成本、可靠性高等需求因素。模塊的通用性好,便于生產和維護。圖2為一臺60A、380V模塊化三電平APF樣機,其特點主要表現在以下3點。圖2模塊化三電平APF樣機(1)一體化設計,硬件、電氣、結構等多方面密切配合,各方面相互完全依賴。(2)工業化水平高,內部接線簡潔,只有兩組扁平電纜和一組連接線。驅動板直接與直流連接板焊接在一起,省去板卡之間的大量連線,避免接線錯誤及接觸不良的問題,裝配效率高。(3)采用電路板完成主回路的電氣連接,取代大電流電纜,使產品尺寸大幅縮減?;芈分械碾娏﹄娙?、電流霍爾元件和繼電器焊接在高壓、大電流功率板上是新的突破。3.2功率板樣機中除控制板、驅動板之外的三種板卡,按功能分為電抗板、直流板、交流板,其設計都需要滿足大電流和高電壓的要求,均稱為功率板。三種板卡之間的連接通過若干銅螺柱和一根銅排實現。直流板是功率板卡中較為復雜的一種板卡,設計時需要考慮的問題較多。由于直流板涉及儲能電容器、IGBT模塊、泄放電阻、吸收電容、風機電源轉接及IGBT驅動板等強弱電綜合布局,布板難度較大,存在較大的設計風險。

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