基于重复控制的大容量并联型有源电力滤波器的几个关键技术

1、浙江大学电气工程学院硕士学位论文基于重复控制的大容量并联型有源电力滤波器的几个关键技术姓名：王智强申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：陈国柱20100101浙江大学硕士学位论文摘要摘要工业应用的大容量并联型有源电力滤波器通常被控制成受控谐波电流源，非常适合补偿电力系统中大量的电流型谐波源，因此对其主电路设计和控制方法的研究具有重要的理论和工程实际意义。本文针对基于重复控制的三相三线并联型有源电力滤波器工业样机，对其几个关键技术问题进行了研究。大功率变流器主回路的分布电感对于开关管的安全和高效工作至关重要。本文在分析减小叠层平面母线等效分布电感的基础上，设计了一种用于大容量变流器

2、的无感平面母线结构，大大降低功率器件开关过程中的电压尖峰和问题。滤波器以其较好的滤波性能逐渐被应用于大容量并联型有源滤波装置，但由于其包含多个参数而不易设计。本文在重点考虑滤波电感压降、滤波电容无功容量、高频分流效果、谐振频率因素的基础上提出了一种滤波器参数设计方法。该方法简单易行，物理意义明确、具有一定的工程应用价值。散热结构形式直接关系到大容量电力电子装置是否能长期可靠运行。然而，在包含多个发热和热敏感元件的装置中，散热结构设计变得复杂。本文提出了一种风道隔离型的散热结构，该结构通过独立且紧凑的风道保证了功率模块的散热效果，同时把主电路无源元件协调统一散热，大大减小了风机数量和装置体积。大

3、容量并联型有源电力滤波器的补偿精度取决于电流环的设计。由于电流环参考和反馈电流由许多次谐波叠加而成，传统的调节器稳态跟踪性能不佳。本文提出了一种内环，重复控制外环构成的双环复合控制策略用来改善输出电流波形，并给出了详细的设计方法。该控制器对奇次、偶次谐波电流以及不平衡负载条件下的负序谐波电流均具有很高的稳态补偿精度，同时保证了系统的动态响应速度，且易于实现。在启动、并网和负载切换等动态过程中，直流母线电压将产生大幅过冲或跌落，严重威胁开关器件的安全，因此动态过程中对直流母线电压的控制是十分必要的。本文提出了一种软启动和并网冲击抑制技术以解决启动和并网过程中直流电压大幅波动的问题。然后根据交流侧

4、和直流侧的功率平衡方程，推导了电压环的小信号模型。最后基于该模型设计了一种高动态性能的直流电压调节器。关键词：并联型有源电力滤波器，平面母线，滤波器，重复控制，控制浙江大学硕士学位论文仃曲、（），彻，、，略。曲五甄、，矗衢撕锄（，印，论，印鹏印鲥衄、，曲诵如，啪孤疏浙江大学硕上学位论文（），曲肌，咐，均，鲥，锄，：（），（）浙江大学研究生学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝婆叁堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本

5、研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月同学位论文版权使用授权书逝望盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂本学位论文作者完全了解可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月目浙江大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论引言在理想的电力系统中，电能质量通常用电压和频率来衡量。但在实际的电力系统中，由于大量非线性负载的存在，仅用电压

6、和频率来表征电能质量很不完善，波形畸变率也是影响电能质量的重要因素。尤其是近多年来，随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通、家庭等众多领域中的应用日益广泛，由此带来的谐波和无功问题也日益严重。电力系统中的谐波和无功功率对公用电网带来许多不利影响，如增加设备容量和线路损耗、使电机发生机械振动、引起电网局部谐振、导致继电保护装置误动作、干扰通讯系统等。为了消除这些不利影响，提高供电质量，谐波抑制和无功补偿补偿技术竞相发展。并联型有源电力滤波器通常被控制成受控谐波和无功电流源，非常适合补偿电力系统中大量的电流型谐波和无功源，因此受到了广泛关注并得到了迅速发展【，】口本章首

7、先综述了并联型有源电力滤波器的系统构成以及基本工作原理，然后指出了大容量并联型有源滤波器的了几个关键技术及其研究现状，最后介绍了本文的主要研究内容。三相三线并联型有源滤波器基本结构和工作原理三相三线并联型系统的结构图如图所示。其中带有串联电阻和电感的三相二极管整流桥作为非线性负载；一个电压源型的逆变器通过输出滤波器连接到电网，二者构成并联型有源滤波器。图中：甜为电源相电压，乓为电源侧内感，为负载侧进线电感，为直流母线电容，吼为阻感负载，三厶和构成输出滤波器，勘为阻尼电阻，屯、如分别为负载电流和补偿电流，为电网电压，为直流电压。交流侧滤波器的作用是平衡变流器与电网之间的电压差，使其产生所需的无功

8、和谐波电流，同时抑制变流器产生的开关纹波电流注入电网。直流母线电容则用来吸收变流器产生的纹波电流，同时还起到吸收交、直流侧瞬时不平衡能量并支撑直流母线电压的作用。浙江大学硕七学位论文第一章绪论图并联型有源滤波器结构图并联型有源电力滤波器主要由指令电流运算部分，电流跟踪控制部分，主电路及其相关的驱动、辅助、保护电路组成，其中电流跟踪控制部分，主电路及其相关的驱动、辅助、保护电路构成补偿电流发生电路。指令电流运算部分通过电压和电流传感器获取非线性负载电路的电压和电流信号，经过数字控制器计算出所需要补偿的谐波和无功电流指令信号。电流跟踪控制部分通过比较指令电流信号与实际输出电流间的关系，得出控制主电

9、路各开关管的脉冲信号，以保证并联型有源滤波器的输出电流跟踪指令电流的变化。该部分是整个系统的核心控制部分，对系统性能的好坏有着决定性的影响。主电路及其相关的驱动、辅助、保护电路的主要作用是输出补偿电流，并保证系统的安全和可靠运行。当需要补偿非线性负载中的谐波和无功电流时，指令电流运算部分检测出补偿对象中的谐波和无功分量，然后反极性作为补偿电流的指令信号，最后由补偿电流发生电路产生与负载电流中的谐波和无功分量相反的补偿电流，使得电网电流中只含有基波有功电流，从而达到了谐波抑制和无功补偿的目的。几个关键技术问题和研究现状本文研究的应用于公用电网的大容量并联型有源电力滤波器关键技术包括：大容量并联型

10、有源滤波器主电路设计、电流环控制技术、动态直流母线电压控制技术。浙江大学硕士学位论文第一章绪论主电路设计主电路对系统的安全、可靠运行十分重要，对于大容量变流器尤其如此。本文研究的主电路设计包括无感平面母线设计、滤波器设计，散热结构设计。无感平面母线设计在电力电子装置的实际应用中，大容量变流器主回路的分布电感对于开关管的安全和高效工作至关重要。如果在设计初期没有仔细考虑，那么存在于直流侧电容和交流器开关管之间的分布电感将可能导致如下不良后果【。（）开关过程中将产生很大的电压尖峰，使得开关管承受电压应力升高、开关损耗大大增加、开关器件超出安全运行区域，最终导致器件失效；（）在实际应用中，由于电压应

11、力升高，损耗增加等不利因素，迫使开关频率降低；（）在分布电感和直流电容、吸收电容之间可能存在寄生振荡，导致开关器件和电容耐受附加的电压和电流，降低使用寿命。为了解决这些问题，复杂的吸收电路和软开关技术，如电容吸收、阻容吸收、阻容二极管吸收电路等被用于大容量变流器【。然而，这些电路将增加许多的元器件，提高系统成本，且难于生产和制造。因此如何获得较低分布电感，且采用尽量少的元器件并易于设计制造成为解决这些问题的关键所在。抑制开关过程中的电压尖峰最简单的方法就是减小从变流器到直流电容间的分布电感。而这些电感的大小和直流母线回路的连接形式有着直接的关系。最常用的连接方式就是采用导线和铜排直接连接，由于

12、正、负母线间距较大，主回路面积也较大，因而导致较大的分布电感（几十到几百纳亨）。近年来，叠层平面母线技术（也被称为无感平面母线技术）被越来越多地应用于大容量电力电子装置。它由紧密贴合的正、负极铜板和夹在两者之间的绝缘片在高温和高压环境下紧密叠压而成，能大大减小直流侧分布电感，降低功率器件关断时的电压尖峰。滤波器设计交流侧滤波器是大容量并联型有源滤波器的一个重要环节，主要用来滤除开关频率纹波和匹配变流器与电网之间的电压差。滤波器的性能通常需要同时考虑开关频率纹波滤除能力和电压损失程度。在大容量并联型有源滤波装置中应用最多的交流侧滤波器为单电感型滤波器，如图左边虚线框中所示。浙江大学硕士学位论文第

13、一章绪论一厶厶弋厶气鳓疆气变流器侧滤波器网侧变流器侧滤波器网侧图两种交流侧滤波电路结构单电感滤波器具有结构简单、容易稳定控制的优点【，但是其在所有频段内都以速率衰减，因此对开关纹波的滤除效果有限。如果为了加强滤波效果，则只能减小滤波器的带宽，即加大电感量，但是在输出电流较大时将带来较大的电压损失，导致电压型变流器直流电压利用率下降。为了克服单电感滤波器的上述缺陷，近几年来滤波器被广泛应用于并联型有源滤波器【，¨】。滤波器的基本结构如图右边虚线框中所示。滤波器的基本原理是利用加入的电容支路为高频开关纹波电流提供低阻通路，起到对高频分量的旁路作用，从而减少注入电网的纹波电流。从变流器侧看

14、进去，滤波器的总阻抗为三和的并联阻抗，再与三的感抗相加。由于和的并联阻抗通常远小于三一的感抗，因此总开关频率纹波电流大小主要由决定。总的开关纹波电流再经过三和的并联分流，由于电容阻抗远小于三阻抗，因此注入电网的纹波电流被大大衰减。，的怕一。一，一：矗一（）：几（）：写、：。霎一；芸掣（堋：、。夕。（）：、（）：一夕、一。一嚣星：卜乏之弱巧加，一一，一一一一图单电感滤波器滤波器频率特性比较（）滤波器（）单电感滤波器图为具有相同滤波电感量的单电感和滤波器的滤波特性比较。由图可见，在转折频率以下，两者的频率特性完全相同；转折频率以上，浙江大学硕士学位论文第一章绪论滤波器的衰减率为，远高于单电感的，滤

15、波效果大大增强。虽然滤波器的性能较单电感优越，但其设计也比单电感复杂。由于需要确定三个自由参数：两个电感、一个电容，并要综合考虑开关纹波电流衰减率、滤波电感电压损失、交流电容无功电流、变流器损耗等因素，完善的滤波器的设计方法是非常复杂的。文献【提出一套详细的滤波器设计步骤，但是实际应用中显得较为复杂。文献【】提出一种滤波器的设计方法，该方法对于输出正弦波的并网变流器效果较好，而对于输出谐波的并联型有源滤波器来说则不太合适。散热结构设计在工业领域中应用中的许多大功率电力电子装置中存在许多热源，主要分为有源和无源发热元件。有源发热元件主要指电力电子器件，如可控硅、；无源发热元件则主要包括电抗器、电

16、阻器、变压器等。所有这些发热元件都会使装置的温度升高，从而导致装置内部的元件性能变差，寿命减低等问题。随着电力电子装置向小型化、轻量化、可靠化的方向发展，更有效的散热技术成了研究的重点。在大功率电力电子装置热设计过程中，通常对功率模块和其他发热元件分别进行散热。相对于变压器、电抗器等无源元件而言，功率模块因为体积较小而使热容量受限制、温度易被快速拉升，使其散热问题尤为突出。通常在大功率场合采取专门的散热器辅助散热，并对散热器进行强制冷却，如强迫风冷、水冷、油冷、热管散热等方式。在众多散热方式中，强制风冷的散热效果远好于自然风冷，复杂性大大低于水冷和油冷，价格低于热管散热方式，且可靠性也较高，因

17、此是功率为数百瓦到数百千瓦的电力电子装置的主要散热方式。通常情况下，选用散热面积较大的型材散热器和风量较大的风机可以降低散热器到环境的热阻从而提高散热效果，但散热面积的增加和风机风量的提高均受散热器的加工工艺、装置体积、重量以及噪音指标等的限制。因此，在散热器和风机参数一定的条件下，合理的风道设计是改善散热的又一有效途径。在包含许多发热无源元件的大功率电力电子装置中，如何设计紧凑的风道提高散热效果，并且减小风机数量和装置体积显得至关重要。现有的电力电子装置多采取侧向进风，侧向直接出风的散热结构形式，如中国专利】所公开的技术内容。这种结构实现简单，体积较小，但由于进风口和出风口散热不一致，温度梯

18、度明显。对于大功率变流器装置，仅仅依靠这种横流风扇冷却装置显然是不能满足要求的。中国专利【】公开的一种新型的风冷散热器，能够加大风量的利用效率，改善散热效果，但并未从根本上解决单纯横向冷却存在温度梯度的问题。中国专利】公开的一种散热结构，在一定程度上减小了功率模块进风口与出风口的温度梯度，但并没有考虑功率模块散热风道与其他风道的配合关系。另外，中国专利【】公开的一种电抗器散热与电力电子功率器件散热协调统一结构，但是并不适用于包含多个发热无源元件的装置。因此，针对含有多个发热无源元件的大功率电力电子装置的散热结构形式，有必要进一步研究。电流环控制技术自有源滤波器的概念提出以来，大量的控制理论和方

19、法被用于有源滤波器的电流环控制，多年来电流环控制也成为有源滤波器研究的一个核心点，产生了多种控制方案，现将主要的几种控制方法综述如下：（）滞环控制【，啦电流滞环控制是一种较早用于电流环的控制方法，其基本控制结构如图所示。图滞环控制原理框图滞环控制的基本思想是通过将指令电流与输出电流的差值输入到滞环比较器中，通过比较器的输出来控制开关器件的动作，从而保证了输出与指令的误差始终处于滞环环宽内。滞环控制集脉冲产生与电流控制于一体，实现简单、补偿精度高且动态响应速度快、鲁棒性好。它的缺点在于：滞环宽度对开关频率、电流跟踪精度的影响十分明显。减小环宽，电流跟踪效果增强，但是主功率器件开关频率提高，开关损

20、耗加大；增大环宽，电流跟踪效果变差，开关频率会随指令电流的不同而变化不定。这将引起很大的开关噪声和脉动电流，且输出电流频谱范围宽，给交流侧滤波器的设计带来很大困难。为了解决这些缺点，恒频滞环控制、自适应滞环控制等多种方案被提出来，但是所有这些方法实现起来较复杂，实际应用很少。（）控制【，】对于电压型有源电力滤波器，工业控制中最常用的方法是控制。常规控制器只能实现参考信号为直流时的无静差跟踪。而在有源电力滤波器中，其参考和反馈电流由许多次谐波叠加而成，调节器无法准确跟踪。另外，在大容量应用中，由于器件开关频率受到限制，为了保证对开关频率纹波的衰减，系统带宽又不能取得过大。因此，常规控制器在大容量

21、应用中受到了极大地限制。（）比例谐振控制，】为了实现多频率下的高补偿精度，比例谐振控制被用于有源滤波器。比例谐振控制的基本思想是利用谐振环节在谐振频率点提供的高增益实现对该谐波指令信号的无静差跟踪。但是谐振控制器在数字实现的过程中对程序计算精度要求很高，并且在电网频率的变化时需要实时调整控制器参数，这些都增加了实际应用的难度。另外，文献】提出了多旋转坐标系下的积分控制类似于比例谐振控制，实际上都是为某一谐振频率点提供无穷大增益。显然，这些方法都是基于选择性谐波补偿的思想，因此需要在每个谐波频率下分别嵌入控制器进行补偿，在实际应用中程序实现较繁琐。（）重复控制【，】针对这种情况，重复控制器被引入

22、到的电流环控制。重复控制的基本思想是假定前一基波周期中出现的波形畸变将在下一基波周期的同一时间重复出现，然后控制器根据指令信号与反馈信号的误差确定所需要的校正信号，在下一基波周期同一时间将此校正信号叠加在原控制信号上，从而消除以后每个周期中将出现的重复性畸变。重复控制是基于内模原理的一种控制方法，能有效地消除所有包含在稳定闭环内的周期性误差，且结构简单，易于实现。它的缺点在于系统的动态性能变差，在干扰出现后的一个基波周期内，控制环对干扰不产生任何调节作用，消除干扰对输出的影响至少要延迟一个基波周期。文献【】【】提出了改进型的负反馈内模用来补偿奇次谐波。这些方法虽然浙江大学硕二七学位论文第一章绪

23、论能在一定程度上加快动态响应速度且节省内存空间，但是不能有效地补偿偶次谐波。文献】【】【】研究了重复控制在单相和三相有源电力滤波器中的应用并给出了控制器设计方法，但是这些研究都是针对单电感输出滤波器而言的，且系统容量较小。滤波器是一个三阶环节本身就具有不稳定性且其带宽与系统容量大小密切相关，因此这些设计方法不能直接应用于基于滤波器的大容量应用场合。文献【】把简化内模的重复控制以及反馈电容电流的有源阻尼控制策略用于，不但节省了数据存储空间而且减小了系统损耗。然而该控制方法对于偶次谐波和不对称负载条件下的负序分量却无能为力，且由于增加了电流传感器，相应地提高了系统成本。（）单周控制单周控制理论是美

24、国学者博士于年提出的，它是一种通用型非线性大信号控制方法，非常适合于开关电路的控制。它的基本思想是在每个控制周期内强迫开关变量的平均值与控制参考电压相等或成一定的比例，从而达到消除稳态或瞬态误差的目的【。单周控制方法的优点在于控制电路简单，控制稳定性能好，响应速度快且具有很好的鲁棒性。它的缺点是抗干扰性能较差，在受到外界干扰的影响下将会导致控制电路的条件发生变化，从而影响电路的正常工作【。（）无差拍控制【，】无差拍控制是一种基于数字实现的方案，它根据变流器的状态方程和输出反馈信号来计算下一个采样周期的脉冲宽度，控制开关动作使下一个采样时刻的输出准确跟踪指令。它的优点在于数学推导严密、跟踪无过冲

25、、跟踪精度高、动态响应速度快。其缺点也很明显，由于严重依赖于精确的数学模型，当理想模型与实际对象有差异时，很难达到无差拍效果，限制了其实际应用。其他的控制方案，如自适应控制、预测控制、人工神经网络控制、智能控制和模糊控制等实现起来比较复杂，实时性较差、实际应用很少。动态直流母线电压控制技术为保证主电路良好的补偿电流跟随特性，直流侧电压必须大于电网线电压峰值才能实现电流可控，因此必须将变流器直流侧电容电压控制在一个适当的值。系统处于稳态时，理论上在忽略开关管损耗及电容电感等元件损耗的情况浙江大学硕士学位论文第一章绪论下，不与电网交换有功能量，直流侧电容的电压平均值不会发生变化；实际中由于装置自身

26、损耗，这将使得与电网交换有功能量，相应地电容电压平均值也将发生变化，所以必须对其加以闭环控制。图为传统的直流侧电压控制环的整体框图。直流侧电压经电压传感器检测后，送入直流侧电压调节器，调节器的输出送入进行，转换，经限幅处理后产生相应的信号叠加到指令电流轴分量上，从而达到控制直流侧电压的目的。图直流侧电压控制环原理框图图中，是直流侧电压的给定值，是直流侧电压的反馈值，两者之差经调节后再经过限幅处理，限幅是为了保证指令电流的范围在容量之内，限幅后得到调节信号拓，它叠加到有功电流上，使得有源电力滤波器的补偿电流中包含一定的基波有功分量，使电网向有源电力滤波器的直流侧补充能量，将直流侧电压维持在给定值

27、。图中的指令电流产生过程如图所示。图指令电流产生示意图浙江大学硕士学位论文第一章绪论当眙比小时，经调节器的作用，使得幻为正，由图可知，经过运算最终得到的指令电流中将含有正的有功电流分量，在这个指令电流的作用下，补偿器的主电路在对谐波电流进行补偿的同时，将从电网吸取相应的有功功率，使得变流器的直流侧电容电压上升直至反馈电压与给定值相同。反之，当以，比大时，经调节器的作用，使得幻为负，经过运算最终得到的指令电流中将含有负的有功电流分量，在这个指令电流的作用下，补偿器的主电路在对谐波电流进行补偿的同时，将向电网释放相应的有功功率，使得变流器的直流侧电容电压下降直至反馈电压与给定值相同。在实际应用中，

28、无论并联型工作于启动过程或是正常运行过程，直流电压控制都是非常重要的。一方面，由于大容量并联型的交流侧滤波电感通常很小，因此在启动过渡过程中将产生很大的冲击电流，同时引起直流电容电压的大幅过冲或跌落。另一方面，在正常运行过程中，由于直流侧和交流侧的能量交换将导致直流侧电压波动，特别在负载切换时将导致直流电压大幅波动，严重时将威胁开关器件的安全。因此，在启动，并网和负载切换等动态过程中对直流母线电压的控制是十分必要的。对电压环进行软启动最常用的方法有直流电压指令缓增法，恒定有功电流充电法，变参数法【和模糊控制法【捌。然而，这些方法通常都比较复杂而且需要电流环和电压环的同时工作。因此有必要设计一种

29、更为简单的软启动方法。传统的直流侧电容电压调节采用不控整流桥进行稳压，然而这种方法将导致直流电压跟随电网电压波动而且大大增加了系统成本【。现在采用最多的方法是反馈直流电压，利用控制器对其进行调节【，。这种方法能获得很好的稳态跟踪性能，但是在负载切换过程中的动态性能不够理想，直流电压波动过大。而且，由于控制器无法有效抑制直流侧的电压谐波，这些电压谐波将干扰电流内环的正常工作，恶化补偿效果。文献【】提出了一种模糊控制策略，该控制策略能获得比控制器更好的稳态性能且易于设计，然而其动态性能也不能令人满意。其他的一些控制策略如自适应滤波器【、非线性控制器等在实际应用中非常难于设计。中国发明专利【】公开的

30、一种直流侧电压控制方法，能够克服数字式控制器延时对直流电压控制的影响，但并未解决动态过程中直流电压控制的一些核心问题。浙江大学硕士学位论文第一章绪论本文主要研究内容本文针对基于重复控制的大容量三相三线并联型有源电力滤波器进行了研究，主要包括以下内容：一、本文第一章介绍了三相三线并联型有源滤波器基本结构和工作原理，然后对大容量并联型有源滤波器的主电路设计、电流环控制技术和动态直流母线电压控制技术的研究现状进行综述。二、本文第二章在分析减小叠层平面母线等效分布电感的基础上，设计了一种用于大容量变流器的无感平面母线结构，大大降低功率器件开关过程中的电压尖峰和问题。然后，在重点考虑滤波电感压降、滤波电

31、容无功容量、高频分流效果、谐振频率因素的基础上提出了一种滤波器参数设计方法。最后，本文提出了一种风道隔离型的散热结构，该结构通过独立且紧凑的风道保证了功率模块的散热效果，同时把主电路无源元件协调统一散热，大大减小了风机数量和冷却装置体积。三、本文第三章首先分析了传统的调节器用于大容量有源滤波器电流环控制的不足，然后提出了一种内环，重复控制外环构成的双环复合控制策略用来改善输出电流波形，并给出了详细的设计方法。该控制器对奇次、偶次谐波电流以及不平衡负载条件下的负序谐波电流均具有很高的稳态补偿精度，同时保证了系统的动态响应速度。四、本文第四章提出了一种软启动和并网冲击抑制技术以解决启动和并网过程中

32、直流电压大幅波动的问题。然后根据交流侧和直流侧的功率平衡方程，推导了电压环控制的小信号模型，最后基于该小信号模型设计了一种高动态性能的直流电压调节器。五、本文第五章对本文工作和研究成果进行了系统总结，并指出了有待改进的地方和需要进一步开展的工作。第二章大容量并联型有源滤波器主电路设计引言无感平面母线是大容量变流器的重要组成部分，它能大大减小直流侧分布电感，降低功率器件开关过程中的电压尖峰，从而保障主功率管的安全、可靠工作。对于不同结构和不同应用场合的变流器，平面母线的设计也不尽相同，并且需要综合考虑各方面因素。主电路交流侧滤波器在大容量并联型有源滤波器中起着重要作用，它将变流器产生的脉冲电压转

33、化为电流并注入电网。相对于单电感滤波器，滤波器具有更好的性能，能够兼顾低频段增益和高频段衰减。作为三阶控制对象，滤波器设计需要确定三个自由参数，大大增加了设计难度。散热结构形式直接关系到大容量电力电子装置是否能长期可靠运行。在包含许多发热元件和热敏感元件的大功率电力电子装置中，如何设计紧凑的风道提高散热效果，并且减小风机数量和装置体积显得至关重要。本章首先讨论了无感平面母线的设计方法，并设计了一种用于大容量并联型有源滤波器的无感平面母线结构。然后根据滤波器的基本原理和滤波特性，提出了一种滤波器的设计方法。最后，针对包含多发热元件和热敏感元件的大容量并联型有源滤波装置提出了一种包含独立风道且无源

34、元件统一协调的散热结构。无感平面母线近年来，叠层平面母线技术（也被称为无感平面母线技术）被越来越多地应用于大容量电力电子装置。它由紧密贴合的正、负极铜板和夹在两者之间的绝缘片在高温和高压环境下紧密叠压而成，能大大减小直流侧分布电感，降低功率器件关断时的电压尖峰。本小节将详细介绍一种用于本系统中的对称平面母线结构，良好的电气和机械设计保证了该平面母线结构获得了较高的性能。等效模型及参数为了对平面母线进行电气分析，许多学者提出了不同的方法。在很多的应用场合，基于部分元等效电路（，）所得到的等效模型被广泛用于分析平面母线的电磁特性。模型参数则可以通过相关公式计算得出。平面母线模型用于本系统中的平面母

35、线由两块平行的铜板和夹在两者之间的绝缘片叠压而成。铜板的电阻率为，绝缘材料的相对介电常数为，相对磁导率为肼，电导率为盯。平面母线的机械尺寸为：长，宽，铜板厚度，铜板间距。平面母线的基本结构图如图所示，其电磁特性大致可以用如图所示的等效电路表示。铜板图平面母线基本结构图图平面母线等效电路图中，厶，分别代表叠成平面母线的等效电感，电阻和电容，则代表介电材料的损耗。所有这些参数都可以由母线的结构和材料的相关参数导出。等效电感叠成平面母线的等效电感是实现高性能最为重要的参数。低的分布电感不但可以大大减小开关过程中的电压尖峰，而且有利于抑制变流器问题。平面母线通常包含三个部分的等效电感：（）内电感厶：主

36、要由平面母线导电铜板内部的漏磁通产生，它的大小与流过铜板的电流频率有关。当电流频率比较高时（大于），内电感可以忽略不计。然而，在低频应用场合，如叠成平面母线结构，内电感则为等效电感中重要组成部分，它的大小可以通过如下公式计算：工：丝，（）由上式可见，为了实现低的内电感，母线长度应该加以限制。（）外电感三。：主要由平面母线正负铜板外部空间的漏磁通产生，它的大小取决于功率回路的几何尺寸且与流过铜板的电流频率无关。如果水且水，外电感可以用如下公式估算：扣削，尚利于减小内电感和外电感。低频电流，它的大小主要取决于自身的内电感，大致估算如下：他）显然，缩短铜板的长度、增大铜板宽度、减小铜板厚度和铜板间的

37、间距都有（）相问电感：主要由相与相间的互相连接产生的。由于其主要流过等板间电流回路的面积应该尽量小。其它等效参数铜板的直流电阻为：（）在没有相与相间的互相连接的情况下，这部分等效电感可以不计入在内。由以上可见，在保证可靠绝缘的情况下，为了实现较小的等效电感，正负极毛由于集肤效应的影响，高频交流电阻大于直流电阻，计算公式如下：（）耻告、而函历其中，肋为绝对磁导率，厂为频率。正负铜板间的等效电容计算如下：（）（）：舻，兰“一（）由于较大的等效电容有利于减小模型的等效阻抗，从而加强对噪声信号的吸收，因此在保证正负极板可靠绝缘的条件下，应该尽量减小极板间距。等效电容的作用类似于外电路吸收电容的作用，能

38、改善平面母线的性能。扛大学±学位论女第章大容量井鞋型有源滤被主路并联电导计算如下：口旦结构和绝缘材料的电导率无感平面母线设计与实施培其中，批胁为绝缘材料的厚度。并联电导大小取决于叠成平面母线的物理在，并联型有源滤波系统中，主电路拓扑采用三相半桥拓扑，每个桥臂由一个模块构成，每个模块由三个并联而戚，模块额定容量（）。直流侧电压，直流电容。采用平面母线与变流器的连接关系如图所示。囤平面母线与变流器的连接关系功率回路优化设计功率回路优化设计的目的是减小回路分布电感和实现变流嚣内部的均流。为了减小分布电感，设计中应该着重考虑尽量减小主功率回路的面积。这可以通过为流入和流出的电流提供最近的路径

39、来实现。通常，设计中保持电流回路所在平面正交于铜极板面可以实现最小功率回路面积，从而得到鞍小的分布电感。囤和图给出了减小功率回路面积的可能方式。罕翅图电漉回路比较渐大学颤±学位论文箱一￥容前并联型存谭滤波±电镕目电流回路比较（）在保证较小的功率回路面积情况下，还应该充分考虑变流嚣的内部均流问题。均流设计对于平面母线分布电感和散热都十分重要。无论是三相半桥的每个桥臂之间还是同一个桥臂内部并联，之间都应该尽量保持电流的均匀分布，这可以通过设计几何结构对称的平面母线结构得以实现。另外，元件与平面母线连接的开孔位置在母线中央和边缘处对于分布电感和均流的影响差别非常大。由于在边缘处开

40、孔将严重影响正常的电磁场分布，因此实施中应该尽量避免在平面母线的边缘开孔，开孔应在平面母线的中央赴井保持物理结构的对称性。合适的尺寸根据公式（）和（）的分析，等效分布电感与铜板长度成正比。因此，铜板长度应该尽可能短以缩小直流电容与模块之间的功率回路长度。另外，还需要考虑直流电容和模块的尺寸并保留一定的裕量合理选择铜板的长度。长度太大，分布电感增大且整个变流器显得不紧凑；长度太小，不利于变流器散热且安装且操作不方便。考虑到上述因素，铜极板长度取为公式（）表明，铜极板的宽度越大，等效的外电感越小。因此在尺寸允许的情况下，应该加大铜板宽度。与长度设计相同，宽度设计也需要考虑直流电容和模块的尺寸井保留

41、一定的裕量。宽度太大，浪费材料且整个变流器显得不紧凑；宽度太小，外电感增大且载流能力可能不够。考虑到上述因素，铜极板宽度取为啪。在确定了铜板的长度和宽度之后，厚度主要取头于变流器直流侧所需要的载流能力，同时应该考虑到平面母线承受机械应力的能力。公武（）表明，铜极板的厚度越大，等效的外电感越大，因此在保证足够载流能力和机械强度的条江太掌碗士女鹅二章容量并联有谭滤城屯件下，铜板厚度应尽可能小综合考虑后铜板厚度取为。相间直流母线采用铜排将三相的正，负铜极板分别进行连接。为了保证结构对称性，正负铜排尺寸应该完全相同且分别从三相平面母线的两侧分别进行连接。相问互连铜排还起到固定整个变漉器的作用。铜排的尺

42、寸主要由载流能力和其内电感决定，最终尺寸取为（长宽厚）。平面母线的铜极板尺寸和整个变流器的三维田分别如图和圈所示。田叠层平面母线尺寸囝变漉嚣三维图绝缘设计叠层平面母线的绝缘对于变流器的可靠运行十分重要。在正、负铜极板之间插入绝缘材料将产生附加的寄生电容该寄生电容与直流电容和吸收电容相并浙江大学硕士学位论文第二章大容量并联型有源滤波器主电路设计联，适当增大寄生电容能在一定程度上起到吸收开关过程中的电压尖峰。由公式（）可见，减小绝缘层的间距有利于增大该等效电容。另外，为了减小直流侧功率回路的面积以实现低等效电感，绝缘层的厚度也应该设计的较薄。因此，在一定的绝缘电压要求下，选择高击穿场强的绝缘材料可

43、以减小材料厚度。环氧树脂板的击穿场强高达珈，且机械强度好，可以很容易地使用钻床进行钻孔，非常适合作为叠层平面母线的绝缘材料。环氧树脂薄板所需的最小厚度可以大致估算如下：堡：型，：（）后历。其中，戤是可能加在叠层平面母线上最大电压，左右。实际中环氧树脂板的厚度取为。除了正负极板之间绝缘外，铜极板外表面的绝缘也是必须的。通常的方法是在铜板外表面覆盖和中间绝缘片材质相同的绝缘片，但是厚度可以适当减小。另外，为了防止正负极铜板爬电，在铜板的四周、孔洞内表面都需要进行绝缘处理。实际设计中，中间和表面的绝缘树脂板分别沿铜板边缘多伸出，同时伸出的绝缘片和铜板断面形成凹槽以方便灌注绝缘硅胶。铜极板上的所有孔洞

44、四周都灌注绝缘硅胶，侧地杜绝爬电的可能性。叠成平面母线绝缘示意图如图图叠成平面母线绝缘所示。振荡抑制利用公式（）（），等效电路模型的参数分别计算如下：三二：鱼竺羔，：刀日（）削，尚划桕芍万一（）三。胁上，。聆日（）三黼等槲（）。：冬：（）舻，兰彬（）：仃！生：×。（）峨嘻等效电阻和电导由于很小通常可以被忽略，而等效电容远远小于塞际中的吸收电容（缸）也可以忽略不计。由于有源滤波器在正常工作时输出频谱连续的谐波电流，因此在直流侧的吸收电容和等效分布电感之间、直流侧支撑电容和相问半接电。感之间都可能产生振荡，如图所示。一辣了替，。一？白卜，幻晶图振荡回路示意图当关断时，由等效分布电感导致的关断电压尖峰部分被吸收电容所抑制。同时吸收电容的电压值在稳态电压值（）基础上不断上升直到关断过程结束，最终的电压值与叠成平面母线的等效阻抗有关。然后，吸收电容通过平面母线等效电感向直流电容进行放电，如图中右边回路所示。该振荡回路的无阻尼振荡频率可以如下计算：厶去司缶姚协回路的总电阻尺，泖主要由平面母线等效电阻胁蛔，接触电阻删删，直流电容等效串联电阻组成。由于前面两类电阻远小于后一种电阻，在实际计算中可以忽略不计。回路的总电阻，特征阻抗和振荡频率分别计算如下：尺蛔。删。，所（）疋。苦鲫触汜。缈盯一“，、（）。一。，、厶。，显然，