高压并联式混合型电网高次谐波有源滤波装置

文章摘要：www.88dzw.com3.2 功率开关器件功率开关器件应具有如下特点：①在阻断状态下能承受高压。②在导通状态下具有高的电流密度和低的导通压降。③具有足够短的导通时间和关断时间，并能承受高的di/dt和dU/dt。IGBT既具有大功率场效应管（MOSFET）的输入阻抗高、开关速度快的优点，又具有大功率晶体管（GTR）耐压高、流过电流大的优点；其栅极为电压驱动，所需驱动功率小，开关损耗小，工作频率高，是目前应用于有源电力滤波器主回路的比较理想的大功率开关器件。目前的应用水平已达到3.3kV/1.2kA。更重要的是，IGBT已经实现了规模化工业大批量生产，其售价已与GTR差不多，这为大批量的应用

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3.2 功率开关器件

　　功率开关器件应具有如下特点：①在阻断状态下能承受高压。②在导通状态下具有高的电流密度和低的导通压降。③具有足够短的导通时间和关断时间，并能承受高的di/dt和dU/dt。IGBT既具有大功率场效应管（MOSFET）的输入阻抗高、开关速度快的优点，又具有大功率晶体管（GTR）耐压高、流过电流大的优点；其栅极为电压驱动，所需驱动功率小，开关损耗小，工作频率高，是目前应用于有源电力滤波器主回路的比较理想的大功率开关器件。目前的应用水平已达到3.3kV/1.2kA。更重要的是，IGBT已经实现了规模化工业大批量生产，其售价已与GTR差不多，这为大批量的应用提供了充足的来源。IGBT的主要缺点是高压内阻大，通态压降大，因而导通损耗较大。为此要选择合适的工作电压，以降低导通损耗。因此经权衡，本课题选用IGBT为主回路的开关元件。

3.3 IGBT的驱动电路设计

　　IGBT工作状态的好坏很大程度上取决于驱动电路性能的优劣。驱动电路往往也是大容量PWM技术的关键。本课题采用双通道带互锁的驱动器的设计，非常适合于桥臂连接IGBT的驱动。电路中设置的软关断功能可以自动地增加IGBT的关断时间，并同时可减少直流母线电压的过冲量。驱动电路初级和次级之间采取铁氧体变压器进行隔离，因而对驱动电源的要求不用独立隔离，而可与控制电路共同使用一个电源，简化了电源的设置。驱动电路中设置了一互锁电路，以防半桥的2个IGBT元件的同时导通，通过调节接入的附加电阻，可以方便地调节其死区时间。驱动电路中还设有错误信号存储单元，如果有一个IGBT元件发生短路，或者驱动电源低于额定值，便可通过错误信号存储单元把此信号送到外部控制电路，以实现系统的保护动作。

　　电路布线寄生的杂散电感是所有大电流开关电源中的关键问题。快速的关断过程，会引起与所储能量和开关速度成比例的过电压冲击。为了防止过电压的损害，需要选择冗余量较大的器件，但会增加整机成本；高的开关电压也会增加系统损耗，降低整机效率。完全消除杂散电抗是不可能的，但可采取措施最大限度地减少线路的杂散电感，可以缩小整个电路的有效回路面积，如采用分层布线结构。可增加栅极串联电阻Rg来抑制dU/dt；降低开关速度，可显著降低过电压尖峰，但增加了开关损耗。实现的方法是在断开IGBT时以接近0Ω的门极阻抗释放门极电荷，直到Uce达到主回路电压值时，再将门极释放路径切换到另一路阻抗通路。

3.4 注入变压器

　　有源电力滤波器用的注入变压器，承担着把大功率的谐波电流低损耗和无相移地注入10kV线路，以达到在10kV级的公共连接点处补偿非线性负荷所产生的谐波电流。为了使注入变压器的损耗降低到最大限度，在铁心材料选择、绕组结构及绕制工艺上都应采用相应的措施。

3.5 谐波电流检测及补偿信号控制的数字模拟混合技术

　　能否快速精确地检测出电力线路中需要补偿的谐波分量以及良好的动态跟踪性能，是有源电力滤波装置的关键。这也直接决定了装置的整机性能。

　　采用瞬时无功功率p－Q法及其演化改进的各种算法，只能用于生成补偿基波无功与所有各次谐波电流的指令信号；同步旋转坐标变换d－Q法及基于改进的带通滤波器提取基波分量法与p－Q法的功能一样；而采用陷波器消除基波分量的方法，同样只能用于补偿所有的各次谐波。在考虑到有源电力滤波器的容量有一定限制，采用无源滤波器的混合型结构环境中，要求可以有选择性地补偿指定次数或指定若干次谐波需要补偿的谐波电流，在这方面可以使有源电力滤波器发挥最优的谐波补偿能力，同时也使无源滤波器对某特定次数的谐波电流不会产生过负荷或谐波放大等［2］。

　　通过检测非线性负荷端的谐波电流，经过运算后得到谐波电流补偿指令信号，控制有源滤波器主回路产生与负荷谐波电流大小相等、方向相反的电流，以补偿线路中一部分或全部的谐波电流。由于高速的DSP的出现，近年来价格又不断下降，因此采用全数字化的采样、分析、运算来生成有源电力滤波器的补偿指令信号，已不成问题。

　　采用高速DSP（TMS320F2407A）来完成快速多通道A/D转换，通过FFT等数字式加模拟式计算，可得到与补偿电流相对应的PWM信号，用以驱动主回路的开关器件。测量控制器采用高速DSP和工业控制机相结合来实现，其中DSP用于数据采集、补偿量计算分析和构成；工业控制机（MIC－2000）用于调节、控制、通信和保护。这种数字—模拟式测量控制器与全数字式控制器相比具有测量准确、调节灵敏、响应速度快的优点。负荷电流的检测和分析采用数字方法来实现，可以保证系统的检测分析精确度和稳定性。补偿电流指令生成采用模拟电路来实现，可以实现补偿电流跟踪的快速响应，较好地消除各开关模块之间的环流。

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