【正文】 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué)13 級(jí)碩士研究生選題報(bào)告選題 名稱： 學(xué) 院： 信息與電氣工程學(xué)院 學(xué)科 專業(yè)： 電氣工程 研究生姓名： 導(dǎo)師 姓名： 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)位管理辦公室制2014年 11月 16日 1 研究背景及意義越來(lái)越多的電力電子器件被應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，電力系統(tǒng)的諧波污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，人們對(duì)此問(wèn)題重視程度越來(lái)越高[1]。諧波來(lái)自于諧波源，現(xiàn)在主要的諧波源分為兩種：電力電子裝置和鐵磁性的非線性設(shè)備，現(xiàn)在最大的諧波源就是電力電子裝置。諧波的存在導(dǎo)致電網(wǎng)中的元器件產(chǎn)生附加損耗，影響電氣設(shè)備正常運(yùn)行；諧波還有可能導(dǎo)致電網(wǎng)的串并聯(lián)諧振是電網(wǎng)中的諧波電流放大，造成更加嚴(yán)重的后果；諧波還會(huì)影響相鄰的通信設(shè)備，輕者產(chǎn)生噪聲干擾，重者直接導(dǎo)致信息丟失等等諸多方面[2]?？傊?，可見(jiàn)諧波危害之嚴(yán)重。目前，電力電子器件廣泛應(yīng)用于電壓源型PWM整流器、并網(wǎng)逆變器、有源電力濾波器等設(shè)備中。電壓源型PWM整流器有許多優(yōu)點(diǎn)，如能量可以雙向流動(dòng)，功率因數(shù)可控，網(wǎng)側(cè)輸入電流接近正弦[3]。但是整流器的開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān)頻率約為215KHz，不可能達(dá)到理想狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)頻率或開(kāi)關(guān)頻率整數(shù)倍的諧波，該諧波進(jìn)入電網(wǎng)后會(huì)影響電網(wǎng)上對(duì)電磁干擾敏感的負(fù)載，會(huì)產(chǎn)生損耗[4, 5]。作為電力系統(tǒng)能源的一種補(bǔ)充，新能源并網(wǎng)發(fā)電將會(huì)成為未來(lái)主要的發(fā)展趨勢(shì)。然而并網(wǎng)逆變器一般采用高頻的PWM調(diào)制，導(dǎo)致大量的高次諧波電流進(jìn)入電網(wǎng)，同樣會(huì)對(duì)電網(wǎng)中其他EMI敏感設(shè)備產(chǎn)生干擾。有源電力濾波器主要用于濾除整流器等負(fù)載設(shè)備中產(chǎn)生的諧波，同時(shí)有源電力濾波器自身也會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)頻率或開(kāi)關(guān)頻率整數(shù)倍的諧波，這些高頻開(kāi)關(guān)次諧波會(huì)影響有源電力濾波系統(tǒng)的穩(wěn)定，導(dǎo)致其不能正常工作，同時(shí)高次諧波進(jìn)入電網(wǎng)，影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行。因此，在電壓源型PWM整流器、并網(wǎng)逆變器等設(shè)備中選擇和設(shè)計(jì)合適的輸出濾波器是尤為重要的[69]。輸出濾波器是位于交流器交流側(cè)和電網(wǎng)電源之間的部分，其主要作用是濾除開(kāi)關(guān)紋波、降低諧波電流波紋、緩沖各項(xiàng)諧波的無(wú)功功率、能量存儲(chǔ)和調(diào)整補(bǔ)償電流的相位等。由此可見(jiàn)，輸出濾波器的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，其設(shè)計(jì)的成功與否不僅影響這系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)性能，而且制約著直流側(cè)電壓、系統(tǒng)損耗、進(jìn)網(wǎng)諧波電流等方面[1013]。目前，主要的輸出濾波器主要有兩種：L型和LCL型。L型濾波器也稱之為一階輸出濾波器或者單電感輸出濾波器，結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，控制方便。相較于傳統(tǒng)的L型濾波器，在相同的電感值的情況下，LCL濾波器對(duì)高頻諧波抑制效果更為理想，并逐漸應(yīng)用于大功率、低開(kāi)關(guān)頻率的并網(wǎng)變換器設(shè)備中。但是，LCL型濾波器是三階系統(tǒng)，很容易產(chǎn)生諧振。為了抑制諧振必須采用適當(dāng)?shù)淖枘嵋种撇呗浴，F(xiàn)在主要的阻尼策略有兩種：無(wú)源阻尼方式和有源阻尼方式[1416]。 LCL濾波器圖11 帶輸出濾波器的變流器裝置圖11為三相三線制并聯(lián)型有源電力濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。從中可以看出，輸出濾波器是PWM變流器系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，主要作用為濾除功率器件高頻開(kāi)關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的電壓和電流紋波。目前輸出濾波器常用的主要有L型和LCL型兩種結(jié)構(gòu)，二者電路結(jié)構(gòu)如圖12所示。圖12 L型和LCL型濾波器L型濾波器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制性能好的優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。其缺點(diǎn)是對(duì)所有頻段紋波的衰減率均為20dB/十倍頻，對(duì)開(kāi)關(guān)紋波的濾除效果有限，若為了得到較好的濾波效果或者在開(kāi)關(guān)頻率較低的場(chǎng)合(如大功率應(yīng)用)，需要采用較大的電感值，由此會(huì)帶來(lái)以下問(wèn)題[1719]：(1)大電感降低整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，變流器輸出電流變化率下降，但在APF這種需要高電流變化率的場(chǎng)合，這是不允許的；(2)大電感值帶來(lái)更大的壓降，若要求變流器輸出能力不變，則需要更高的直流側(cè)電壓，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)器件的耐壓等級(jí)提高，增加成本；(3)大電感值電抗器體積過(guò)大。為了克服單電感型濾波器的缺點(diǎn)，近年來(lái)LCL濾波器被廣泛應(yīng)用于并網(wǎng)變流器中。LCL的基本思想是利用加入的電容支路為高頻開(kāi)關(guān)紋波電流提供低阻通路，起到對(duì)高頻分量的旁路作用，減少注入電網(wǎng)的紋波電流。網(wǎng)側(cè)電感L2和電容C分別對(duì)開(kāi)關(guān)紋波電流呈現(xiàn)高阻和低阻，二者相互配合實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻紋波的并聯(lián)分流，保證濾波效果。在某些應(yīng)用場(chǎng)合，網(wǎng)側(cè)濾波電感L2會(huì)被省略，這實(shí)際上是利用電網(wǎng)電感Ls承擔(dān)了L2的作用，其實(shí)質(zhì)還是LCL濾波器[20]。因此，在短路容量較大的電網(wǎng)中省略L2是不合適的，因?yàn)榇藭r(shí)Ls較小，不能保證對(duì)高頻量的分流效果，濾波效果得不到保證。LCL濾波器除了可以較好地抑制開(kāi)關(guān)紋波電流，還可以減輕開(kāi)關(guān)紋波電壓對(duì)電網(wǎng)的污染。因?yàn)槟孀儤騻?cè)電感L1和濾波電容C對(duì)高頻紋波電壓進(jìn)行串聯(lián)分壓，由于電感和電容分別對(duì)高頻分量呈現(xiàn)低阻抗和高阻抗，紋波電壓主要由L1承擔(dān)，電網(wǎng)承擔(dān)的紋波電壓就大為減少。這也是LCL濾波器優(yōu)于單電感濾波器的一個(gè)方面。L型輸出濾波器逆變器側(cè)輸出電壓uinv到網(wǎng)側(cè)電流i2的傳遞函數(shù)Ginv（s）： ()： ()式()中，Lf為電網(wǎng)感抗Ls與電網(wǎng)側(cè)電感阻抗L2之和。圖13 Ginv（s）的幅頻特性圖圖13為具有相同電感量的L型濾波器和LCL濾波器的的幅頻特性比較?？梢钥闯觯涸谥C振頻率以下，二者的頻率特性相同；諧振頻率以上，LCL濾波器的衰減率為60dB/十倍頻，遠(yuǎn)高于單電感的20dB/十倍頻。通過(guò)圖12可知，LCL型濾波器具有明顯的諧振特性，為了實(shí)現(xiàn)良好的諧振抑制，一般采用無(wú)源阻尼方式或者有源阻尼方式。LCL濾波器衰減高次諧波電流很有效，但在某些高次諧波下，阻抗幾乎為零，會(huì)引起諧振問(wèn)題，使得系統(tǒng)不穩(wěn)定。解決這個(gè)問(wèn)題有兩種方法[21]：一種方法叫做“無(wú)源阻尼法”（Passive Damping），它是通過(guò)在電容上串聯(lián)或并聯(lián)電阻來(lái)改變電路結(jié)構(gòu)，從而衰減諧振作用；另一種方法叫做“有源阻尼法”（Active Damping），它是通過(guò)修正控制算法來(lái)使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，消除諧振作用。電容串電阻[2224]為最常用的無(wú)源阻尼方法，該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠，在工業(yè)中被廣泛應(yīng)用，電阻越大，諧振抑制效果越好。但此時(shí)電容支路的阻抗會(huì)變大，影響了濾波器的高頻衰減特性，選擇一個(gè)大小合適的阻尼電阻很重要，一般選為諧振頻率處電容阻抗的三分之一。此外，由于存在物理電阻，系統(tǒng)會(huì)增加損耗。有源阻尼方法[25]避免了無(wú)源阻尼的損耗問(wèn)題，一直是研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，主要有網(wǎng)絡(luò)修正法、虛擬電阻法、基于雙帶阻濾波器、單狀態(tài)變量反饋至電壓指令處和全狀態(tài)變量反饋法。已經(jīng)有很多基于有源阻尼技術(shù)的電流控制方案。其中，文獻(xiàn)[2628]饋控制實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制；文獻(xiàn)[2933]電流內(nèi)環(huán)的有源阻尼方案實(shí)現(xiàn)了諧振峰值的抑制；文獻(xiàn)[3436]波電容電壓的有源阻尼反饋實(shí)現(xiàn)進(jìn)網(wǎng)電流中諧振頻率處諧波的抑制；文獻(xiàn)[3739]反饋法進(jìn)行閉環(huán)設(shè)計(jì)，通過(guò)選取3個(gè)狀態(tài)變量的反饋實(shí)現(xiàn)了特征方程的完全配置，同樣是通過(guò)對(duì)逆變器側(cè)電感電流及電容電壓等的反饋實(shí)現(xiàn)了諧振頻率處峰值的抑制。2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀輸出濾波器是位于交流器交流側(cè)和電網(wǎng)電源之間的部分，其主要作用是濾除開(kāi)關(guān)紋波、降低諧波電流波紋、緩沖各項(xiàng)諧波的無(wú)功功率、能量存儲(chǔ)和調(diào)整補(bǔ)償電流的相位等。目前常用的濾波器有L型和LCL型。LCL型濾波器自身存在諧振問(wèn)題，需要采用適當(dāng)?shù)淖枘岱椒ㄟM(jìn)行抑制?，F(xiàn)在主要的阻尼策略有兩種：無(wú)源阻尼方式和有源阻尼方式。目前，已經(jīng)有很多文獻(xiàn)對(duì)無(wú)源阻尼法和有源阻尼法進(jìn)行了研究。趙仁德等對(duì)LCL濾波器的并網(wǎng)逆變器中阻尼電阻對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性、濾波效果及功率損耗的影響其進(jìn)行了詳細(xì)分析。虛擬電阻法是在2002由澳大利亞的DAHONO P基于LC濾波器首次提出的，伍小杰等提出了一種新的電容并聯(lián)電阻的虛擬電阻法[40]。劉計(jì)龍等通過(guò)電容支路電流反饋有源阻尼控制策略和無(wú)源阻尼（電容支路串聯(lián)電阻）策略的性能對(duì)比研究，提出了電容支路電流反饋有源阻尼控制策略的參數(shù)設(shè)計(jì)原則。劉偉增等提出了一種采用超前滯后網(wǎng)絡(luò)的控制方法[41]，這種方法在參數(shù)選擇過(guò)程中需要準(zhǔn)確的電網(wǎng)等效阻抗等參數(shù)，因此并不適合于實(shí)際應(yīng)用。上述有源阻尼方案都需要增加額外的電流或者電壓傳感器，增加了系統(tǒng)成本。肖華等提出了一種增加傳感器的基于帶通濾波器的并網(wǎng)逆變器LCL型濾波器的有源阻尼控制方法。目前提出的多種有源阻尼方法很少有給出有源阻尼法機(jī)理研究的，也未給出各方案提出的依據(jù)，楊明等分析研究了電網(wǎng)阻抗對(duì)光伏逆變系統(tǒng)的影響[42]，電網(wǎng)阻抗在大型光伏電站并網(wǎng)逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中存在耦合效應(yīng)，該耦合效應(yīng)降低了并網(wǎng)逆變器控制回路的帶寬和穩(wěn)定裕度。導(dǎo)致并網(wǎng)電流諧波含量超標(biāo)等不穩(wěn)定問(wèn)題。PenaAlzola, [83]，并且為了應(yīng)對(duì)電網(wǎng)電感變化提出了估計(jì)共振頻率的傅里葉分析的方法。下面對(duì)六種無(wú)源阻尼方法進(jìn)行分析。，Cf取15μF。將式()分別與各元件串并聯(lián)電阻時(shí)傳函進(jìn)行比較，做出波特圖。如圖22所示為無(wú)阻尼時(shí)、濾波電容串、并聯(lián)電阻三種情況下的波特圖，圖24為無(wú)阻尼時(shí)、逆變器側(cè)電感串、并聯(lián)電阻三種情況下的波特圖，圖26為無(wú)阻尼時(shí)、電網(wǎng)側(cè)電感串、并聯(lián)電阻三種情況下的波特圖。如圖21所示為濾波電容串并電阻的無(wú)源阻尼結(jié)構(gòu)，其中a圖為串聯(lián)電阻，b圖為并聯(lián)電阻，其相應(yīng)的傳函G1(s)和G2(s)分別是式