2013中国矿业大学选题报告样板

中国矿业大学13级硕士研究生选题报告选题名称：学院：信息与电气工程学院学科专业：电气工程研究生姓名：导师姓名：中国矿业大学学位管理办公室制2014年11月16日11研究背景及意义越来越多的电力电子器件被应用于电力系统中，电力系统的谐波污染问题日益严重，人们对此问题重视程度越来越高[1]。谐波来自于谐波源，现在主要的谐波源分为两种：电力电子装置和铁磁性的非线性设备，现在最大的谐波源就是电力电子装置。谐波的存在导致电网中的元器件产生附加损耗，影响电气设备正常运行；谐波还有可能导致电网的串并联谐振是电网中的谐波电流放大，造成更加严重的后果；谐波还会影响相邻的通信设备，轻者产生噪声干扰，重者直接导致信息丢失等等诸多方面[2]。总之，可见谐波危害之严重。目前，电力电子器件广泛应用于电压源型PWM整流器、并网逆变器、有源电力滤波器等设备中。电压源型PWM整流器有许多优点，如能量可以双向流动，功率因数可控，网侧输入电流接近正弦[3]。但是整流器的开关器件开关频率约为2-15KHz，不可能达到理想状态，会产生开关频率或开关频率整数倍的谐波，该谐波进入电网后会影响电网上对电磁干扰敏感的负载，会产生损耗[4,5]。作为电力系统能源的一种补充，新能源并网发电将会成为未来主要的发展趋势。然而并网逆变器一般采用高频的PWM调制，导致大量的高次谐波电流进入电网，同样会对电网中其他EMI敏感设备产生干扰。有源电力滤波器主要用于滤除整流器等负载设备中产生的谐波，同时有源电力滤波器自身也会产生开关频率或开关频率整数倍的谐波，这些高频开关次谐波会影响有源电力滤波系统的稳定，导致其不能正常工作，同时高次谐波进入电网，影响其他设备的正常运行。因此，在电压源型PWM整流器、并网逆变器等设备中选择和设计合适的输出滤波器是尤为重要的[6-9]。输出滤波器是位于交流器交流侧和电网电源之间的部分，其主要作用是滤除开关纹波、降低谐波电流波纹、缓冲各项谐波的无功功率、能量存储和调整补偿电流的相位等。由此可见，输出滤波器的设计非常关键，其设计的成功与否不仅影响这系统的动态响应和稳态性能，而且制约着直流侧电压、系统损耗、进网谐波电流等方面[10-13]。目前，主要的输出滤波器主要有两种：L型和LCL型。L型滤波器也称之为一阶输出滤波器或者单电感输出滤波器，结构非常简单，控制方便。相较于传统的L型滤波器，在相同的电感值的情况下，LCL滤波器对高频谐波抑制效果更为理想，并逐渐应用于大功率、低开关频率的并网变换器设备中。但是，LCL型滤波器是三阶系统，很容易产生谐振。为了抑制谐振必须采用适当的阻尼抑制策略。现在主要的阻尼策略有两种：无源阻尼方式和有源阻尼方式[14-16]。21.1LCL滤波器图1-1带输出滤波器的变流器装置图1-1为三相三线制并联型有源电力滤波器拓扑结构图。从中可以看出，输出滤波器是PWM变流器系统的一个重要环节，主要作用为滤除功率器件高频开关动作产生的电压和电流纹波。目前输出滤波器常用的主要有L型和LCL型两种结构，二者电路结构如图1-2所示。sL逆变桥LCL型滤波器电网CsL逆变桥L型滤波器电网susuLinvu1L2Linvu图1-2L型和LCL型滤波器L型滤波器因其结构简单、控制性能好的优点而得到广泛应用。其缺点是对所有频段纹波的衰减率均为-20dB/十倍频，对开关纹波的滤除效果有限，若为了得到较好的滤波效果或者在开关频率较低的场合(如大功率应用)，需要采用较大的电感值，由此会带来以下问题[17-19]：(1)大电感降低整个系统的动态性能，变流器输出电流变化率下降，但在APF这种需要高电流变化率的场合，这是不允许的；(2)大电感值带来更大的压降，若要求变流器输出能力不变，则需要更高的直流侧电压，导致开关器件的耐压等级提高，增加成本；(3)大电感值电抗器体积过大。为了克服单电感型滤波器的缺点，近年来LCL滤波器被广泛应用于并网变流器中。LCL的基本思想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，减少注入电网的纹波电流。网侧电感L2和电容C分别对开关纹波电流呈现高阻和低阻，二者相互配合实现对高频纹波的并联分流，保证滤波效果。在某些应用场合，网侧滤波电感L2会被省略，这实际上是利用电网电感Ls承担了L2的作用，其实质还是LCL滤波器[20]。因此，在短路容量较大的电网中省略L2是不合适的，因为此时Ls较小，不能保证对高频量的分流效果，滤波效果得不到保证。LCL滤波器除了可以较好地抑制开关纹波电流，还可以减轻开关纹波电压对电网的污染。因为逆变桥侧电感L1和滤波电容C对高频纹波电压进行串联分3压，由于电感和电容分别对高频分量呈现低阻抗和高阻抗，纹波电压主要由L1承担，电网承担的纹波电压就大为减少。这也是LCL滤波器优于单电感滤波器的一个方面。L型输出滤波器逆变器侧输出电压uinv到网侧电流i2的传递函数Ginv（s）如式1.1所示：inv1GsLs(1.1)L型输出滤波器逆变器侧输出电压iu到网侧电流2i的传递函数Gs如式1.2所示：23inv1f1f1iGsuLLCsLLs(1.2)式(1.2)中，Lf为电网感抗Ls与电网侧电感阻抗L2之和。BodeDiagramFrequency(Hz)10010110210350100150200250300Magnitude(dB)LCL型L型图1-3Ginv（s）的幅频特性图图1-3为具有相同电感量的L型滤波器和LCL滤波器的invsG（）的幅频特性比较。可以看出：在谐振频率以下，二者的频率特性相同；谐振频率以上，LCL滤波器的衰减率为-60dB/十倍频，远高于单电感的-20dB/十倍频。通过图1-2可知，LCL型滤波器具有明显的谐振特性，为了实现良好的谐振抑制，一般采用无源阻尼方式或者有源阻尼方式。41.2阻尼方法LCL滤波器衰减高次谐波电流很有效，但在某些高次谐波下，阻抗几乎为零，会引起谐振问题，使得系统不稳定。解决这个问题有两种方法[21]：一种方法叫做“无源阻尼法”（PassiveDamping），它是通过在电容上串联或并联电阻来改变电路结构，从而衰减谐振作用；另一种方法叫做“有源阻尼法”（ActiveDamping），它是通过修正控制算法来使系统达到稳定，消除谐振作用。电容串电阻[22-24]为最常用的无源阻尼方法，该方法结构简单、稳定可靠，在工业中被广泛应用，电阻越大，谐振抑制效果越好。但此时电容支路的阻抗会变大，影响了滤波器的高频衰减特性，选择一个大小合适的阻尼电阻很重要，一般选为谐振频率处电容阻抗的三分之一。此外，由于存在物理电阻，系统会增加损耗。有源阻尼方法[25]避免了无源阻尼的损耗问题，一直是研究的热点问题，主要有网络修正法、虚拟电阻法、基于双带阻滤波器、单状态变量反馈至电压指令处和全状态变量反馈法。已经有很多基于有源阻尼技术的电流控制方案。其中，文献[26-28]馈控制实现了系统的稳定性控制；文献[29-33]电流内环的有源阻尼方案实现了谐振峰值的抑制；文献[34-36]波电容电压的有源阻尼反馈实现进网电流中谐振频率处谐波的抑制；文献[37-39]反馈法进行闭环设计，通过选取3个状态变量的反馈实现了特征方程的完全配置，同样是通过对逆变器侧电感电流及电容电压等的反馈实现了谐振频率处峰值的抑制。2国内外研究现状输出滤波器是位于交流器交流侧和电网电源之间的部分，其主要作用是滤除开关纹波、降低谐波电流波纹、缓冲各项谐波的无功功率、能量存储和调整补偿电流的相位等。目前常用的滤波器有L型和LCL型。LCL型滤波器自身存在谐振问题，需要采用适当的阻尼方法进行抑制。现在主要的阻尼策略有两种：无源阻尼方式和有源阻尼方式。目前，已经有很多文献对无源阻尼法和有源阻尼法进行了研究。赵仁德等对LCL滤波器的并网逆变器中阻尼电阻对系统稳定性、滤波效果及功率损耗的影响其进行了详细分析。虚拟电阻法是在2002由澳大利亚的DAHONOP基于LC滤波器首次提出的，伍小杰等提出了一种新的电容并联电阻的虚拟电阻法[40]。刘计龙等通过电容支路电流反馈有源阻尼控制策略和无源阻尼（电容支路串联电阻）策略的性能对比研究，提出了电容支路电流反馈有源阻尼控制策略的参数设5计原则。刘伟增等提出了一种采用超前-滞后网络的控制方法[41]，这种方法在参数选择过程中需要准确的电网等效阻抗等参数，因此并不适合于实际应用。上述有源阻尼方案都需要增加额外的电流或者电压传感器，增加了系统成本。肖华等提出了一种增加传感器的基于带通滤波器的并网逆变器LCL型滤波器的有源阻尼控制方法。目前提出的多种有源阻尼方法很少有给出有源阻尼法机理研究的，也未给出各方案提出的依据，杨明等分析研究了电网阻抗对光伏逆变系统的影响[42]，电网阻抗在大型光伏电站并网逆变器并联系统中存在耦合效应，该耦合效应降低了并网逆变器控制回路的带宽和稳定裕度。导致并网电流谐波含量超标等不稳定问题。Pena-Alzola,R.等人采用陷波滤波器实现谐振抑制[83]，并且为了应对电网电感变化提出了估计共振频率的傅里叶分析的方法。2.1无源阻尼方式2.1.1无源阻尼法的分析下面对六种无源阻尼方法进行分析。其中参数L1取1.7mH，L2取0.6mH，Cf取15μF。将式(1.2)分别与各元件串并联电阻时传函进行比较，做出波特图。如图2-2所示为无阻尼时、滤波电容串、并联电阻三种情况下的波特图，图2-4为无阻尼时、逆变器侧电感串、并联电阻三种情况下的波特图，图2-6为无阻尼时、电网侧电感串、并联电阻三种情况下的波特图。如图2-1所示为滤波电容串并电阻的无源阻尼结构，其中a图为串联电阻，b图为并联电阻，其相应的传函G1(s)和G2(s)分别是式(2.1)和(2.2)。fCfidRsuL1L2i2i1uisufCfidRuii2i1L2L1a.电容串电阻b.电容并电阻图2-1滤波电容串并电阻的无源阻尼结构df2132i12f12df121RCsiGsuLLCsLLRCsLLs（2.1）d2232i12fd1212dRiGsuLLCRsLLsLLRs（2.2）6图2-2无阻尼、滤波电容串联或并联电阻LCL滤波器的波特图如图2-3所示为逆变器侧电感串并电阻的无源阻尼结构，其中a图为串联电阻，b图为并联电阻，其相应的传函G3(s)和G4(s)分别是式(2.3)和(2.4)。sufCfidRuii2i1L2L1sufCfidRuii2i1L2L1a.逆变器侧电感串电阻b.逆变器侧电感并电阻图2-3逆变器侧电感串并电阻的无源阻尼结构2332i12f2fd12d1iGsuLLCsLCRsLLsR（2.3）d2432i12fd1212dLsRiGsuLLCRsLLsLLRs（2.4）-200-150-100-50050100Magnitude(dB)102103104105106-270-180-900Phase(deg)BodeDiagramFrequency(rad/sec)G(s)G1(s)G2(s)7图2-4无阻尼、逆变器侧电感串联或并联电阻LCL滤波器的波特图如图2-5所示为网侧电感串并电阻的无源阻尼结构，其中a图为串联电阻，b图为并联电阻，其相应的传函G5(s)和G6(s)分别是式(2.5)和(2.6)。sufCfidRuii2i1L2L1sufCfidRuii2i1L2L1a.网侧电感串电阻b.网侧电感并电阻图2-5网侧电感串并电阻的无源阻尼方法2532i12f1fd12d1iGsuLLCsLCRsLLsR（2.5）2d2632i12fd2112dLsRiGsuLLCRsLLsLLRs（2.6）-200-150-100-50050100Magnitude(dB)100101102103104105106-270-180-900Phase(deg)BodeDiagramFrequency(rad/sec)G(s)G4(s)G3(