1.绪论
1.1引言
电能质量对电网而言十分重要。电能质量包括电压质量与电流质量两个方面：电压质量问题包括电压的幅值、频率、相位发生变化，以及谐波、不平衡等问题；电流质量则是负载电流中的无功、谐波、不平衡等问题⑴。近年来，配电网中非线性负荷的增加成为电力系统中谐波增加的主要原因。非线性负载所产生的电流波形多为截波或平顶波。通过傅立叶分析可发现，其由各次谐波叠加组成。随着各类电力电子装置日益广泛的应该用在电力系统的发、输、配、用等各个环节，其产生的谐波对电网的污染也日益严重。谐波等电能质量问题造成的经济损失逐年增加。对电网电能质量进行治理成为电力系统研究和发展的重要方向。
本章首先概述了电网谐波的产生及治理方法以及有源电力滤波器的发展和现状，介绍了模块化有源电力滤波器的研究现状，最后介绍了本文的主要研究内容。
1.2谐波的产生及治理
非线性负载是导致电网谐波问题的主要原因。非线性负载的输入电压为标准的正弦波（不考虑公共电网阻抗的情况下），而非线性的伏安特性是非线性的，电流为非正弦，包含谐波电流成分。公共电网阻抗再流过谐波电流时，会产生谐波电压，从而污染母线电压。公用电网中的谐波源主要可分为以下两类
含电弧和铁磁性非线性器件的电力电子相关设备。主要如电捍机、焚光灯、电力变压器和其它一些谐振设备等。
含半导体元件的非线性负载谐波源。主要是各种调压、变频设备，晶闸管控制设备，电机拖动以及电气化机车，办公用和相关节能用电力电子设备等。
谐波的危害主要表现在以下几个方面
谐波对电气设备的正常运行产生影响。引起电气设备的振动和噪音；造成线缆、电机、变压器等设备发热，导致其绝缘老化、寿命缩短；导致仪表测量不精确、引起保护装置和自控装置误动作。
波造成电气设备的损耗增加，降低电力系统运行效率。
谐波引起电网串联谐振和并联谐振，导致谐波放大，危害设备安全。降低了电网的可靠性。
随着八十年代新型电力电子器件的发展，分布式电源技术成为研究热点。八十年代中期，分布式供电系统在计算机系统中投入了应用。九十年代初，分布式供电在计算机中的应用日益完整主控模块负责计算各个模块的指令电流、控制整个系统的输出。一般在工作中，选择首先开机的一台模块当充当主机，当主机出现故障时，便根据一定的逻辑切换到另一台在正常运行的模块为主机，不影响系统的正常运行，增加了系统的可靠性。主从控制的缺点是，在系统开始运行时或者运行过程中主机出现故障后，所有的运行模块需要进行主从竞争，故每个模块需要一个固定的物理地址，不利于模块的标准化和产业化。
模块化电源的设计策略，大大提高了供电系统的可靠性，减小了电源体积和重量。同时可以实现冗余设计；同时，标准化的模块设计，使电源产品规范化，减少了因电源容量不同而重复设计和投资。因此，在大功率和对可靠性要求较高的电源系统中，均采用模块化电源系统供电。
2.模块化APF负载电流检测及分离
2.1引言
补偿指令电流的检测与计算是有源滤波器的关键技术之一，获取补偿指令电流的准确性和快速性会对APF的补偿效果产生直接的影响。本章首先提出了模块化APF负载电流两级采样策略，可解决各模块单独设置电流传感器引起的信号不同步，以及各模块共设一级传感器时采样存在的单点故障。在介绍了适用于三相四线制摸块化APF不对称负载检测的法及带通滤波器法的基础上，给出了改进的离散傅里叶变换谐波检测算法，可检测指定次不对称责载，并且计算效率和所需数据空间比传统滑窗迭代算法有所改善。分析了基波检测算法和谐波直接检测算法对直流侧电压的影响。最后，对理论分析进行了样机实验验证。
2.2负载电流釆样策略
在第一章中巳经分析过，适用于模块化APF的负载电流检测方案主要有两种：一种是各个APF模块单独使用一套电流传感器另一种是每个模块共用一个电流传感器；各个APF模块单独设置电流传感器存在的问题是：一方面增加了成本，另一方面，各个模块单独检测负载电流，难免存在模块间负载电流检测信号不同步的问题。各个模块使用同一个电流传感器可解决这个问题，避免了模块之间负载电流检测信号不同步的问题。在采样得到的负载谐波电流发送给每个APF模块后，再乘以相应的均流系数，就是单模块需要输出的补偿电流。但各个模块共用一个电流传感器，在无第二级传感器的情况下，存在单点故障问题，即只要一个摸块出现故障退出，整个采样系统会因此而崩溃。
本文采用两级采样的方式，可解决上述问题。所有模块共用一组电流传感器作为一级采样，每个模块内部用霍尔传感器和采祥调理电路进行二级信号调理。采用此采样方式的主要优点是：（1）节省成本，比每个模块单独使用一个电流传感器的采样方式而言，个模块可节省N-1个电流传感器。（2）保证了采样信号的一致性。如果采用各个模块单独使用电流传感器的采样方式，难免出现误差或延时，造成指令电流不一致，影响补偿精度。采样信号为电信号，在线路传输中的延时基本可以忽略不计，所以采用同一电流传感器作为一级采样器件的方式很好的保证了采样信号得一致性。（3）避免了只有一级釆样而存在的单点故障问题，因为采样线在二级釆样霍尔传感器原边间串联，即使单个模块出现故障退出补偿，采样信号依然可正常发送到其它运行的模块中，不会造成整个采样系统崩遗。其实现方式如图所示。
基波检测算法：这类主要特点是，将实时检测的负载电流信号的基波分离出来，用负载电流值减去负载电流基波值，即可得到补偿电流指令值。这种算法计算简单、容易实现，主要有带通滤波器法、基于瞬时无功功率理论的各类检测算法等。
谐波直接检测算法：这类算法的主要特点是：直接从检测到的负载电流信号中提取谐波、不平衡等分量，直接形成指令补偿信号。这种算法可以补偿任意指定次谐波、主要包括离散傅里叶变换法等。
使APF故障不影响整个系统补偿的方法，一是通过各种常规的可靠性设计，如提高元器件的可靠度，纠正容易引起故障的设计缺陷等。二是在系统设计中采用冗余、容错技术。APF的模块化设计，既可以提高补偿系统的灵活性，也可以在理论上不受器件容量限制的进行增容。更重要的是，可以形成高可靠性的冗余、容错系统。“冗余”的概念：指系统具有两个及以上能完成规定功能的单元，只有当规定的单元全部发生故障时，系统才会丧失部分或者全部功能。冗余系统的应用可大大提高系统或设备的任务可靠性。冗余技术是保障系统高可靠性、高安全性的设计方法，系统的容错能力往往正是通过冗余技术实现的。冗余结构主要有：简单并联冗余、双模块并联冗余、混合并联冗余、N+X并联冗余等。适用于模块化APF系统的主要方法是双模块并联冗余和N+X并联冗余以及桥臂间冗余。
模块间桥臂故障冗余。当并联模块发生故障时，故障变流器模块的三相桥臂功率管可能有一相或者两相并未损坏，传统的整体模块的退出补偿不能充分利用故障模块的未故障桥臂。模块间桥臂故障冗余是指当某些模块出现某相桥臂的功率器件出现短路或者开路故障时，首先将该异常桥臂切除，再通过适当的控制策略使得剩余未故障模块的同相桥臂承担该模块故障桥臂的补偿任务。模块间桥臂故障冗余能充分利用故障模块的完好桥臂，增加了系统工作的灵活性。
3. 多模块并联系APF统冗余控制策略...............35
3.1 引言..............................35
3.2 APF并联冗余技术...............35
3.3 模块化并联APF可靠性分析...............37
3.3.1 APF可靠性指标..............................37
4. 多模块并联APF建模及稳定性分析...............61
4.1 引言..............................61
4.2 单机APF模型..............................61
4.2.1 反馈网侧电流和反馈逆变侧电流控制...............61
4.2.2 单机APF的谐振特性...............64
4.2.3 新型无源阻尼...............65
5. 三模块并联系统的设计及实验...............83
5.1 引言..............................83
5.2 模块化APF结构设计..............................83
5.3 APF模块热设计及CFD数值模拟...............83
5.3.1 功率模块的发热分析......................85
5.三模块并联APF系统的设计及实验
5.1引言
APF的模块化并联技术可以实现对多个独立模块的联合控制，灵活控制APF容量，提高系统的灵活性和冗余性，并有利于实现标准化、规模化生产。本章通过三模块并联APF组合系统的研制，展开了如下研究：（1）模块化的结构设计；对于多模块并联APF而言，要求结构模块化、标准化。结构与热设计不仅影响其可靠性，也与功率模块的功率密度息息相关，本章在保证散热要求的基础上，尽可能的将模块设计为结构紧凑、易于实现热插拔的“抽厘式”结构。（2）模块化的热设计及仿真；对于结构紧凑的“抽展式”模块，为保证元器件的散热裕量，采用强制风冷的散热方式，提出了强制风冷条件下模块的流动换热祸合的流体动力学数值模拟方法。（3）多模块并联系统的控制实现，主要包括APF的硬件电路设计及软件实现。（4）模块通讯及监控实现，包括集中监控单元的人机界面设计以及其与各模块之间的通讯实现。最后，进行了模块化APF系统补偿及性能实验，主要包括模块温升实验、三相平衡负载、各种不平衡负载工况下模块化APF系统的动态、稳态实验等。
本章所设计的APF模块为抽屉式结构，结构比较紧凑，容易出现散热问题，因此应从模块的发热及散热两个方面分析模块的温升问题。模块发热源主要是功率模块和滤波电感，为保证元器件的散热裕量，采用强制风冷的散热方式。为准确模拟模块在工作中的实际温升情况，保证热设计足够的裕量，本文使用CFD方法对模块进行了流动散热耦合数值模拟。
本文对三模块并联APF系统进行了试制，对模块化进行了结构、热设计，在分析模块发热源的基础上提出了一套基于流、热賴合分析的模块热数值模拟方法。设计了多模块APF控制、通讯及人机界面的实现方案。最后，为验证前文理论分析和本章方案的有效性，对所制的三模块系统进行了模块温升、平衡负载、不平衡负载、极端不平衡负载、中线电流抑制等实验。补偿性能实验结果证明所设计的模块化系统具有良好的动态、稳态性能，温升实验结果与仿真分析一致，证明将CFD方法引入到APF模块的散热分析中是可行的。
6.总结与展望
6.1本文工作总结
随着国家节能减排和绿色、低礙发展的要求，对大功率的需求日益迫切。为提高国产大容量APF的可靠性及灵活性，在国家自然科学基金项目、浙江省重点科技创新面队项目和企业重大横向项目的支持下，作者致力于高可靠性、模块化并联装置的研制与应用，对多模块并联APF的关键技术问题进行了研究，并取得以下成果：
对模块化APF的负载电流釆样及谐波分离技术做了深入分析，设计了适应于并联APF的负载电流两级采样策略，可避免各模块共用一级釆样而存在的单点故障，以及各模块单独设置电流传感器引起的采样信号不同步问题；提出了一种改进谐波检测方法，可在保证任意次不对称谐波检测精度的前提下，提高计算效率并节省数据空间。对所研制的进行了谐波提取和补偿测试，取得了预期的实验结果。
在多模块APF并联冗余控制方面，分析了N+X冗余控制的可靠性，分别提出了基于模块编号策略的集中控制法和主从控制法，在此基碰上设计了系统均流方案和限流保护方案；提出一种模块桥臂间冗余策略，可以充分利用故障模块的完好桥臂，增加了模块工作的灵活性。分别进行了两模块APF间1+1冗余控制实验和桥臂间冗余实验，取得了较好的实验结果。
对模块化APF进行了试制，提出了强制风冷条件下基于流动传热精合的数值模拟方法，以三模块并联系统为例，给出了模块化APF控制系统的软件、硬件、及通讯实现方案。在所研制的三模块并联样机中进行了稳态补偿、动态性能以及温升实验，补偿性能实验结果证明所设计的模块化系统具有良好的动态、稳态性能，温升实验结果与仿真分析一致，证明将CFD方法引入到APF模块的散热分析中是可行的。
参考文献（略）
参考文献（略）