模块化有源电力滤波器并联技术研究

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1、第一章绪论1.1研究背景与意义电力技术的发展使人们的生活方式发生了巨大改变，电能也成为了人们日常生活中不可或缺的重要能源。电能质量即为电力系统中电能的质量，良好的电能质量适合用电设备正常工作。理想的电能应该是完美对称的正弦波，一些因素包括频率偏差、电压波动、波形畸变偏离对称正弦都会导致电能质量出现问题。电能质量的下降会对用电设备的安全运行造成重要影响，随着用电设备的不断普及，电能质量问题也成为了人们日益关注的问题，如何改善、提高电能质量的任务也日益紧迫[1]。无源电力滤波器、有源电力滤波器和混合有源电力滤波器等成为了治理谐波问题、提高电能质量的主要手段。无源电力滤波器(Passi

2、vePowerFilter，PPF)由各种无源器件组合构成，包括电抗器、电阻器和电容器等。PPF因具有结构简单、维护方便、投资较少、技术相对成熟、成本低廉等优势在工业中应用比较广泛，当然PPF也存在着许多的不足，如存在占地面积大、损耗大、只能对特定次谐波进行补偿、电感电容元件容易形成谐振问题、容量不可调节等缺陷，这些问题限制了无源电力滤波器的发展。有源电力滤波器(ActivePowerFilter，APF)相比于无源滤波器具有运行更加稳定、谐波补偿效果更好、不易于电网阻抗发生谐振、体积小损耗小等优势，近些年来发展迅速并在工业中得到了广泛的应用。当然，相比于无源电力滤波器，有源电力

3、滤波器中的元器件种类更多、对元器件的稳定可靠性要求更高、控制算法的实现也更为复杂。电力技术的不断发展导致用电设备的不断增加，因此大功率用电场合也不断增多，有源电力滤波器的容量也要增加以实现大功率的谐波补偿与谐波治理。单台APF应用于中低压小功率场合有效解决了电力系统中的电能质量问题并提升了电能质量。然而当APF应用于大功率且可靠性要求的工业场合时，由于单台APF存在器件容量、散热、体积、可靠性等限制因素，这些缺陷将导致单台在功率大且可靠性要求的场合难以满足要求。多模块APF并联具有体积小、可靠性好、扩展性强等优势成为了扩大APF容量的有效手段，可广泛应用于大功率且可靠性要求的工业

4、场合并具有广阔的发展前景。因此本文对模块化有源电力滤波器其中的关键技术进行研究，为模块化有源电力滤波器扩充容量且稳定可靠运行提供了有力的技术支持。1.2多模块化有源电力滤波器国内外研究现状有源电力滤波器的基本原理提出与上世纪的70年代，可由于当时电力行业并未得到充分发展，且考虑到当时的生产能力和成本等问题，因而在工业场合难以得到广泛应用。有源电力滤波器的原理及概念于1971年由H.Sasaki等人首次提出。80年代以来，电力电子技术得到了飞速发展，全控型电力电子元器件的出现、PWM技术的进步为有源电力滤波器的发展奠定了坚实的基础。1983年，由日本H.Akagi等人提出的“瞬

5、时无功功率理论”为谐波电流检测提供了重要的理论依据，使有源电力滤波器得到了飞速的发展。之后，IGBT、MOSFET等半导体器件由于高频率且能够应用于大功率场合得到了广泛的研制，进一步加快了有源电力滤波器的发展。目前，国际上许多的知名电气公司都有相应的有源电力滤波器产品，如瑞士的ABB公司、德国的西口子公司、日本三菱电机公司等。我国在有源电力滤波器理论研究方面相对于国外较晚，直到1998年王兆安等人出版的《谐波抑制和无功功率补偿》才为我国谐波治理与电能质量问题奠定基础。哈尔滨工业大学、清华大学、浙江大学等于90年代开始对有源电力滤波器进行理论研究。2000年以后，我国一些公司如深圳

6、盛弘、上海思源电气等才开始对有源电力滤波器产品进行开发与研制。近些年来由于大功率用电场合的日益增多，传统的有源电力滤波器由于容量、可靠性等因素限制了其在大功率场合的应用，因此如何提升有源电力滤波器的容量和可靠性成为了有源电力滤波器的研究热点，提升有源电力滤波器容量常用的方法包括:混合型滤波器、多模块化并联、多重化等方法。混合型有源滤波器可以应用于高压大功率的谐波治理场合，当然它的主要缺点在于有源与无源的谐振问题难以解决且无源部分的参数难以设计。多重化技术由于共用一个直流侧可以减小体积，但电路稳定性可靠性较低，当其中一台APF出现故障时整个系统便难以运行，且控制电路的设计也较为复杂

7、。多模块化有源电力滤波器因其可以提升系统的功率与可靠性，并且扩展性好、可实现冗余控制，近些年来得到了广泛的研究，成为了有源电力滤波器应用于大功率工业场合的发展方向[3-5]。模块化有源电力滤波器实在模块化电源系统概念的基础上推广和引申出来的。早期的集中式供电系统由于采用单台大功率电源供电，因此供电可靠性较低。在八十年代，以分布式电源为基础的模块化电源系统由于可实现热插拔，系统的安全性和可靠性得到了提升，于是替代了早期的集中式供电系统。模块化有源电力滤波器、模块化光伏逆变器组件等也