本文是一篇电气工程论文,本文首先对APF各领域的研究现状进行了深入分析,并以三相六开关型APF作为研究对象,展开了深入的分析。
第一章 绪论
1.1 课题的研究背景与意义
现如今,全球工业水平在科技的不断革新下高速提升,加速了整个人类社会的工业化进程。能源是工业的血液,而作为其最终表现形式的电能更是在第二次工业革命后成为了人们正常生活的必需品。科技的进步亦催生出了品类繁多的电力电子产品,这些电力电子产品的应用极大地提高了人们对电能的利用水平。但凡事都有了两面性,品类丰富的电力电子器件在给人们带来好处的同时,也因其本身的非线性特点,使得电网中出现了大量的谐波污染,严重地影响了电网中的电能质量,对电网的正常运行构成了极大的危害[1-2]。
谐波的危害表现在很多方面:
(1)增大线路损耗,使电力设备容易出现过热现象,加速设备的绝缘老化,增加电力传输和设备维护的成本。
(2)对继电保护装置造成干扰,严重时可能造成其误动作,引起大规模停电事故,使国民经济遭受重大损失。
(3)引起电机的机械振动,形成噪声污染,同时提高电机的故障率,缩短电机寿命。
(4)使电网发生谐振的概率提升,而引发电网中过电压和过电流的主要因素就是谐振,这将间接地增加重大事故的发生概率。
(5)对通讯设备和精密电子器件的正常稳定工作造成干扰。
综上,谐波污染不仅危害电力系统本身的正常运行,而且对用电设备的正常应用和使用寿命都会造成不利影响。因此,谐波治理刻不容缓[3-4]。
1.2 有源电力滤波器研究综述
面对谐波对电网的严重危害,如何对其进行有效治理成为了电力领域一个急需解决的问题。在这样的大环境背景下,有源电力滤波器应运而生。有源滤波技术从被提出至今,经历了多次技术革新,仍在不断发展完善中[9]。自J.C.Read于1945年发表了关于变流器谐波的经典论述后,E.W.Kimbark将谐波治理的相关理论总结后进行了发表,其中的一种方案就是通过向电网中注入补偿电流来削弱减少其中的谐波分量,这就是APF的基本思想。1976年,J.Gyugyi等一些物理学家在有源滤波领域引入了脉宽调制技术,确立了APF电路的拓扑结构,但是由于电子技术的不完善,控制器件的功率和频率均未能满足APF的需求,导致APF的研究进展缓慢。直到上世纪八十年代,新型电力半导体器件的横空出世,解决了APF研究在硬件上的重大问题。在此之后,H.Akagi等人提出的三相瞬时无功理论更是让APF的研究取得了里程碑式的进步[10-11]。
自90年代起,诸如日本、美国等发达国家的科技水平大幅提高,制造和设计APF的技术也已经趋近成熟,并且为了使APF的性能得到进一步的改善,国外的相关学者还在不断地研究和改进涉及APF的关键技术,使得APF的工业化生产得以成为现实。另一方面,由于我国的工业起步较晚,相对于国外来说,APF的相关理论研究还很稚嫩,直到上世纪80年代末,国内才陆续发表相关文献。90年代以后,随着APF在电力行业地位的不断提高,其相关技术也成为了一个科研热点[12-14]。目前清华大学、西安交通大学、湖南大学等重点高校对APF的研究程度在国内同行中名列前茅。2000年以后,随着国内对电能质量问题的不断重视,一大批诸如西安赛博、深圳盛宏、上海追日等公司嗅到了APF的巨大商机后,纷纷加大了对APF的研究投资,推动了APF从实验室阶段走向实际应用的进程[15-16]。但是,国产APF在质量上与国外相比还存在着巨大差距,且在实际应用中还有很多有待解决的问题,需要科研工作者不断研究探索。
第二章 谐波电流检测法及直流侧稳压控制
2.1 谐波电流检测法
谐波电流检测是APF工作流程的第一步,其效能对APF的补偿效果起着决定性的作用,因此在选择谐波电流检测算法时需要对其精度、鲁棒性、实用性等多方面进行综合考虑。
2.1.1 谐波电流检测法分类
如图2.1所示为APF谐波电流检测的分类示意图,由该图可知APF的谐波电流检测方法主要分为时域法、频域法、智能法和功率平衡法。在时域分析法中,最具代表性是基于瞬时无功理论的谐波检测法,该理论于1983年被日本学者提出,其在APF谐波检测中的成功应用为APF的发展起到了强力的助推作用,直到目前,仍被广泛应用[48]。
2.4 仿真分析
仿真中的部分参数如表2.4所示:
2.4.1 谐波检测法仿真分析
下面以A相为例对谐波电流检测部分进行分析,图2.9所示为A相负载电流及其谐波分析,图2.10为ip-iq法检测到的基波电流及其谐波分析,通过对两图进行对比分析可知ip-iq检测法能在投入一个周期之后,精准地检测出负载电流中的基波分量,且基波电流的畸变率仅为0.17%。
第三章 电流跟踪控制策略 ....................29
3.1 滞环电流控制 .................................. 29
3.1.1 滞环电流控制工作原理分析 ...................... 29
3.1.2 滞环电流控制开关频率分析 ........................ 31
第四章 故障诊断与容错控制 ............................... 47
4.1 IGBT的故障机理分析 .............................. 47
4.2 三相六开关型APF的故障诊断方法研究 ................... 49
第五章 总结与展望 ............................. 81
5.1 总结 .............................. 81
5.2 展望 .................................. 82
第四章 故障诊断与容错控制
4.1 IGBT的故障机理分
IGBT在工作过程中所承受的机械应力和电应力,是造成其发生老化和故障的两大主要因素,下面分别对这两大因素进行分析[61-62]。
(1) 机械应力的影响
如图4.1所示为IGBT各组成部件的材料及热膨胀系数,由该图可知,构成IGBT的各部件的构成材料的热膨胀系数相差较大。这也就导致了IGBT内部诸如焊料层、接点等两种不同材料相互结合的区域,在其工作产热时,将产生机械应力。长此以往将使这些区域之间的相互结合出现问题,将造成接点松动、焊料层开裂等状况,而这些状况又将加重IGBT的产热现象,在这样的恶性循环下,将进一步加速其老化速度,最终以开路或短路故障的形式表现出来[63-64]。
(2) 电应力的影响
当IGBT的工作电压或电流超出额定值时,其自身的产热将增加,其内部某些散热条件不佳的区域将产生局部过热现象,当温度超出材料熔点时,可能会使元件中某些本该彼此绝缘的邻近部件相融或造成某些细小部件的熔断,进而造成开路故障或者短路故障,这一过程被称为电应力失效。造成这一现象的原因有很多,例如雪崩击穿、门极过电压和擎住效应等[65]。
通过对上述两种因素的分析可以看出,二者的故障机理存在差异,但是都会引起IGBT的开路和短路故障[66]。其中短路故障时,电流的迅速升高,不仅会影响APF对网侧谐波的补偿效果,严重时甚至会直接损坏设备,使APF丧失工作能力。网侧谐波失去抑制,将使电能质量迅速降低,对电网运行和用电设备的安全造成严重危害。
第五章 总结与展望
5.1 总结
由于电力系统中谐波污染的日益严重,谐波治理成为了电力领域一个十分重要的课题,APF作为电力系统谐波治理的主力,因此也收到了国内外学者的广泛关注。本文首先对APF各领域的研究现状进行了深入分析,并以三相六开关型APF作为研究对象,展开了深入的分析,本分的研究内容主要包括:
对现有的APF谐波电流检测方法进行了分析介绍,指出了各自的特点,最终选取了ip-iq谐波检测方法,并对其数学原理进行了介绍;在分析了APF直流侧电压波动的原因后,提出了一种模糊自适应PI与PI分段控制的APF直流侧稳压方法,Matlab/Simulink的仿真结果表明,该APF直流侧稳压方法有效地提高了APF直流侧电压的稳定速度,并且显著降低了负载变动时的电压波动。
指出了现有SVPWM双滞环电流跟踪控制方案中,参考电压矢量位置判定精确性不足的问题,并给出了改进方案,并通过Matlab/Simulink的仿真结果,证明了改进后的电流跟踪控制方法在保证补偿精度的同时,显著地降低了APF的开关损耗,降低了APF的故障率。
考虑到APF故障后对电网的正常运行将造成巨大影响,因此在分析对比了现有的逆变器故障诊断方案并对APF故障前后运行状态的变化进行深入分析后,提出了一种以APF各相上桥臂中IGBT集电极与发射极间电压为故障特征量,通过混合逻辑模型进行故障诊断的方法,并通过Matlab/Simulink的仿真结果,验证了该故障诊断方法的快速性及精确性。
参考文献(略)