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> 有源电力滤波器的保护系统设计
本论文是电气自动化论文,笔者Matlab/Simulink 仿真平台搭建三相三线制有源电力滤波器模型，验证有源电力滤波器的截断限流与比例限幅补偿效果，证明所提方法的正确性。
第 1 章 绪 论
1.1 选题背景
近年来，工业、铁路等行业的迅速发展以及电力电子设备的广泛使用使得电力系统的负荷也越来越多样化。而电力系统中的谐波[2]一般是由非线性负荷和固态开关负荷引起的，铁路、冶金等行业中的负荷一般是大功率非线性、冲击性及波动性特殊负荷，电力电子设备则含有大量固态开关，这些都会导致电网产生谐波、波形畸变、电压波动等电能质量[1-5]问题。理想公共电网应该是一个提供固定频率和幅值的正弦波的恒定电压源。而在实际电网中，由于发、输电及负载的非线性因素导致了电网中谐波电流和谐波电压的出现。电压谐波和电流谐波严重影响电力系统的正常运行，引发各种系统故障。谐波[6-11]一般有以下几个方面的危害：降低电力系统的发、输及配电的效率，增大系统的损耗；谐波尤其是高频谐波会在发电机和变压器中产生大量的热，容易引起附加损耗，也有烧坏设备的危险；谐波还可能是系统发生串联或并联谐振，引起设备故障；可能会引起自动装置和继电保护误动作，仪表指示不准；谐波还会对通信设备造成干扰影响其正常使用。由于谐波有恶劣的危害，因此研究抑制谐波的方法是非常有意义的。
不管是国内还是国际上，抑制谐波的共同原则[12-20]都可表述为：通过限制谐波源注入电网的谐波电流及在电网接入点产生的谐波电压，将电网中的谐波电压控制在允许的范围内，从而保证电网的电能质量。传统的谐波抑制主要有两种方法：其一是从谐波源入手，对电力电子装置进行技术方面的改进，尽量减少其产生的谐波。一般可通过改进设备的结构、加入滤波装置以及采用先进的控制技术等方法，但由于一些电力电子装置的工作机理本身是非线性的，因此方法有局限性；另一种是使用无源滤波器（PPF：Passive Power Filter），将其与谐波源串联或并联，可以起到滤波和无功补偿的效果。无源滤波器是由电阻器、电抗器以及电容器通过组合形成的结构简单的设备，它具有价格便宜、技术成熟等优势，但是他只能抑制设计要求规定的谐波，容易与系统发生串、并联谐振，且对系统的频率和阻抗变化过于敏感，不能保证其滤波效果。因而现代电力电子技术中采用了一种新型的有源电力滤波器来进行电网的谐波补偿[21-27]。
1.2 有源与无源的比较
有源滤波器相对于无源滤波器在技术上有巨大的优势，但是目前仍旧无法完全取代无源滤波器。其中的主要原因是有源滤波器相比于无源滤波器来说，成本较高，性价比较低，这一点严重限制了有源电力滤波器的推广使用。但是随着电力电子技术的不断发展，有源滤波器的器件的性价比将不断提高，在将来有有良好的应用前景。图 1-1 展示了无源滤波器和有源滤波器的工程造价与谐波要求之间的关系。
从图 1-1 中 PPF 与 APF 的工程造价与谐波要求的关系可以看出，无源滤波器的硬件造价与滤波支路之间有密切的关系，当滤波支路增加时，造价是呈指数规律增长的；相对的，增加有源滤波器的滤波支路数对硬件造价基本不造成影响。综上所述，有源滤波器对于谐波抑制的能力非常高，而且能满足对电能质量的严格要求，今后必将是谐波补偿装置的发展方向。
电网作为一个庞大而复杂的系统，各种扰动和故障较多，这些情况下，有源电力滤波器将受到电网运行情况的巨大影响。比如电网中的电涌会造成电力电子设备过流，频率偏移会影响有源电力滤波器检测电流精度等等，严重时将危及有源电力滤波器装置自身的安全，而电力系统中的短路故障会使有源电力滤波器装置产生很大的电流,会严重影响有源电力滤波器装置的正常运行, 此时就需要对有源电力滤波器装置采取保护措施。
电力系统谐波补偿要求大于有源电力滤波器额定状态下补偿容量时，如当非线性负荷突增时，有源电力滤波器装置补偿容量可能无法满足系统的补偿需求，此时如果装置不采取有效保护措施，有源电力滤波器装置可能会由于电流过大而损坏。理想情况则是希望有源电力滤波器在过负荷情况下，在保护装置安全运行的同时仍然能继续对电力系统进行补偿。
对要投入电力系统的装置和元件而言，对它们的保护是至关重要的环节，因为它对系统和装置的运行的安全性和稳定性有至关重要的影响。近年来，投身到电力电子装置的保护研究工作中来的电气运行人员也在不断增加。由于有源电力滤波器安全保护体系的设计是有源电力滤波器实用化的关键技术之一，目前也得到人们越来越多的关注和研究[35-37]，今后也必将得到越来越广泛的应用。有源电力滤波器虽然应用广泛具有众多功能，但是作为一个复杂的电力电子装置，有源电力滤波器包括多个子系统，整机的功能要求各个子系统不但自身运转正常还要完美配合才能实现。无论哪一个部分出现故障都有可能导致整台设备无法运行，甚至损坏报废，造成经济损失并影响配电网的供电质量。文献[38]对大功率 GTO晶闸管的静止无功发生器发生的故障进行了仿真研究，指出了在对称调制方式下,正序电流和直流侧电容的直流电压分量可经由控制器改变，为电网对称故障下静止无功发生器的保护提供了思路。
第 2 章 有源电力滤波器工作原理介绍
2.1 有源电力滤波器的工作原理与分类
有源电力滤波器（APF）作为一种新型的电力电子装置，表现为一个电流可变的恒流源，其保护对象一般为供电系统，谐波源一般是整流器等的非线性负载。APF的基本思想是从被保护对象中检测出谐波电流hI 等分量，继而产生一个和谐波电流大小相等且方向相反的补偿电流h &I，来抵消谐波电流分量hI 达到消除谐波的目的，最终使流入电网的电流中只含基波分量。图 2-1 展示了并联型有源电力滤波器的基本原理。
串联型有源滤波器可等效为一个受控电压源，它与电力系统的连接需经过耦合变压器，主要作用是消除电压型谐波以及电压波动对敏感负载的影响。串联型有源电力滤波器的使用范围比较局限，一般只用于交流电路中，主要原因是当其在直流系统中使用时，耦合变压器的接入侧极易出现直流磁饱和问题。此外，串联型有源滤波器使用时损耗较大，故障后的退出及各种保护也相对复杂。并联型 APF 通过电抗器接入电力系统，这是与串联型 APF 的不同之处，因而对系统运行造成影响微乎其微。它的主要优点是投切方便，保护设置也相对简单，而它的缺点是对结构较为复杂，容量要求大，造价相对高，而且容易引发电磁干扰和较高的功率损耗等问题，电流型有源滤波器相当于非正弦电流源，可提供反向谐波电流给电力系统，它将大容量电感作为储能元件。它最大缺点是不能制作为大容量器件，且不能用于多电平场合。电压型有源电力滤波器则采用了大容量电容作为直流侧的电压支撑。由于电压型有源滤波器具有非常多的优点，目前已经成为国内主要使用的滤波器件。图 2-2 和图 2-3 分别显示了电流型和电压型有源滤波器的结构。
由图 2-4 可见，主电路、谐波检测环节和控制系统组成了有源滤波器，通过电抗器接入电网。在进行工作时，谐波检测环节首先检测出负载中的谐波，同时对补偿的谐波提供参考值，继而控制系统依据给出的参考值产生脉冲，由主电路产生相应的补偿电流，从而达到补偿系统中的谐波电流的目的。下面对有源滤波器的三个主要组成部分进行分别详细的介绍。
2.2 主电路
由于中性线的存在就会使中性线上的零序电流不等于零。而零序电流存在大量零序谐波分量，这将引起中性线的发热严重。为了避免上述情况的发生，办公室等负荷往往合理分配三相中的负荷以尽量保持三相电流的平衡，但计算机等单相负荷的又是不可避免的，因此实际很难做到三相负荷分配平均。并联型三相四线制有源滤波器对于由三相电流严重不平衡引发的中性线电流增加的问题有有效的解决措施，并且能够抑制系统中的谐波电流。图 2-6 为常见的用于小容量系统的并联型三相四线制 APF 的结构图。
如图 2-10 所示，有源滤波器的控制系统由控制算法处理部分、触发脉冲发生部分、开关器件驱动板组成。谐波检测环节送来的信号通过控制算法部分进行处理，采用上节所述的谐波检测算法，根据检测出的所需谐波与 APF 产生的谐波的差值作为触发脉冲信号，它将脉冲信号送给触发脉冲发生部分。触发脉冲发生部分则根据此信号产生相应的驱动脉冲来驱动变流器，使变流器出与所需谐波电流或电压相同的电流或电压，进而实现谐波补偿。模拟控制、数字控制以及数模混合控制为目前有源电力滤波器主要的三种控制系统。目前模拟数字混合控制系统和单纯的数字控制系统正逐步取代模拟控制系统，应用越来越广泛。
由图 2-11 中的模拟控制部分的工作流程可见，数字电子产生的谐波参考电流信号通过微处理器的 D/A 转换，将数字信号变为模拟信号输入模拟控制部分。将该参考电流与 APF 的补偿电流进行比较，经 PI 控制环节转化为调整信号，在滞环比较器中与三角波发生电路产生的三角波进行比较，最终得到 PWM 驱动信号。数模混合型控制系统中的滞环比较器可以将上一环节检测到的补偿电流 icr与实际补偿电流 ic比较，输入二者的差值作为比较器的输入电到比较器，产生控制主电路开断的 PWM 驱动信号，以此控制补偿电流 ic的变化。滞环比较器的优点是可根据谐波电流变化快速的产生补偿电流参考信号，时效性和准确性好。图 2-12 为比较器的控制系统。
第 3 章 故障分析以及保护控制策略...........................18&
3.1 装置自身的故障......................................... 18&
3.1.1 直流电流短路故障................................... 18&
3.1.2 桥臂直通故障......................................... 19&
第 4 章 三相三线制有源电力滤波器仿真研究.......................32&
4.1 MATLAB/SIMULINK 仿真技术概况............................ 32&
4.2 有源电力滤波器仿真模型的建立 ........................... 32&
4.3 仿真结果分析.............................................. 35&
第 5 章 结论与展望 .............................................38&
第 4 章 三相三线制有源电力滤波器仿真研究
4.1 Matlab/Simulink 仿真技术概况
为了验证本文所提出的有源电力滤波器 非正常状态限流保护策略是否能够实现设计目标，需要对所设计的电路进行计算机模拟与仿真来进行参数与配置优化，以验证电路是否达到设计目标的要求。Matlab 软件中的 Simulink 工具就是为数不多的能完全满足这些要求和条件的软件工具。Matlab 是目前科学及工程领域应用最普遍的基础工具之一，可以应对数学、图像、工程仿真等一系列问题，已经被各国高校实验室和公司科研部门广泛应用。Matlab 中的 Simulink 功能非常强大，只需要按照系统设计搭建仿真模型，选择合适的仿真参数就能得到仿真结果，还可以利用各种图形观测工具分析动态的仿真过程，Simulink 还为电力系统设定了专门的 SimPowerSystems 等子模块，更利于我们对电力系统进行仿真分析，节约了大量时间和人力资源[42]。
利用 Matlab/Simulink 搭建三相四桥臂有源电力滤波器的装置模型，可以在制作样机之前考察有源电力滤波器非正常状态下限流保护是否可行，效果如何，同时可以优化装置的参数，提高制作样机的准确性和实用性，下面将对三相四桥臂有源电力滤波器装置的仿真模型详细介绍。
4.2 有源电力滤波器仿真模型的建立
根据配电网的实际情况可知，本文研究的有源电力滤波器实时同比例限流适用于额定电压为 220V，额定容量为 10Kvar 的有源电力滤波器装置上。根据第二章的介绍可知，有源电力滤波器由三个部分组成：主电路，控制电路和指令电流检测电路。鉴于 Matlab/Simulink 软件的优越性和先进性，为了更好地模拟实际情况，本文采用了 Simulink 软件固有元件库来构建模型。采用数字信号处理箱、Simulink 仿真模块和 SimPowerSystems 工具箱来搭建三相三桥臂有源电力滤波器的 Simulink仿真模型。该模型由配电网部分与有源电力滤波器部分共同构成，其仿真系统模型如图4-1 所示。其中，配电网部分由配电变压器模块、输电线路模块和非线性不对称负荷模块共同构成；有源电力滤波器模块由主电路模块。制电路模块和指令电流检测电路模块共同构成。
第 5 章 结论与展望
本文以电网的有源电力滤波器为对象，研究有源电力滤波器在装置自身故障，装置外部短路故障以及装置在过负荷下的运行策略，制定合理的方案和措施保护有源电力滤波器装置在电网中安全运行。本文论述了有源电力滤波器三相三线制并联型装置和三相四线制并联型装置的原理与系统构成，电流的检测方法---基于瞬时谐波理论对ip-iq法，该法解释了装置如何补偿谐波以及如何同时补偿谐波和谐波功率。针对装置自身故障本文对直流电容短路故障提出了加装快速熔断器与缓冲电路的解决办法，并论证了该方法的可靠性与正确性；对桥臂直通故障提出了设置死区区间与环流保护电路法，也经论证得出了其正确可靠的结论。
针对装置的外部短路故障本文提出了装置解列和脉冲闭锁两种方法，阐述这两种方法分别在何种情况下使用，二者相互配合保证装置安全。针对装置在过负荷下，本文对三相三桥臂有源电力滤波器装置分别提出了截断限流和比例限幅的方法，利用原理图分析得出截断限流法补偿效果较差，比例限幅法补偿效果更好。使用MATLAB/Simulink搭建了三相四桥臂有源电力滤波器进行了仿真实验。分析比较截断限流，比例限幅仿真模型，通过观察波形图和FFT分析得出比例限幅在过负载状态下对系统的补偿效果强于截断限流保护，证明比例限幅更适合作为三相三线制有源电力滤波器过载保护措施。
本文对有源电力滤波器保护系统的设计做了大量研究，但是由于个人科研水平有限与研究时间的限制，仍有一些研究工作还没有完成，对于实际运用中不同容量有源电力滤波器装置运行要求的保护设计有待于进一步统一总结。
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