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冶金特种电力电子变换电源拓扑结构及控制方法研究

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导师姓名
罗安  朱英浩
学科专业
电气工程
文献出处
湖南大学   2015年
关键词
电力电子变换论文  多功能整流器论文  串联滤波器论文  两相正交逆变器论文  多模块并联直流电源论文  前馈反馈复合控制方法论文  虚拟阻抗均流控制论文  直流侧电压控制论文  电能质量控制论文
论文摘要

我国工业部门消耗的能源占能源消费总量的近三分之二,而且越来越多的工业部门的用能方式转向电能形式,使得电能在终端能源消费中比例的持续提高。工业企业配电网是电能消耗和实现节能的重要环节。尤其多年以来,我国对工业用电领域仍不够重视,有些企业能源管理还处于粗放式阶段,企业电网用电设备老化、技术含量低、损耗大,负荷电能利用率低,节能装备效果和运行可靠性不理想,导致企业电能损耗大,严重限制了生产效益的提高。因此,提高电气设备的用电效率和电能质量,构建一个绿色,高效,安全的企业配电网是解决我国经济和社会快速发展过程中日益凸显的能源需求增长与能源紧缺、能源利用与环境保护之间矛盾的必然选择。目前,高能耗冶金工业的电气节能、负荷用能等电力电子电能变换系列关键技术和成套设备尚不成熟,节能效果有限。本文针对配电网电力电子变换和电能质量控制的关键瓶颈问题,以湖南省研究生创新基金项目和国家―863‖计划项目为依托,从企业配电网用中等功率或大功率多功能复合型PWM整流器、电磁搅拌用高效两相正交逆变器、多模块并联直流电源等几个方面,深入研究了企业配电网高效电力电子变换及控制的相关理论和方法。研究内容涵盖了高效电力电子变换装置的工作机理、结构模型、控制算法、优化设计、以及应用时关键工程技术问题等方面,初步形成了一套高效电力电子变换及控制的基本研究方法和技术方案,本文研究重点及获得的主要成果表现在以下几个方面:(1)研究了一种多功能复合型PWM整流器及其综合控制方法,既可以实现PWM整流功能,同时也能补偿邻近非线性负载产生的无功和谐波。针对谐波抑制,提出了一种基波域dq旋转坐标下的谐波综合控制方法,将6k±1次的特征谐波变换成基波域dq旋转坐标下的6k次的一种谐波,这样谐波控制器的数量大大减少,降低了控制系统的复杂度;为了保障PWM整流器在电网电压不平衡情况下的稳定运行,研究了一种正序dq旋转坐标下的电流联合控制方法,在正序同步旋转坐标下实现正序和负序电流的联合控制,同时结合前馈和反馈控制,提高系统的响应性能。(2)为了满足大功率应用场合,提出了一种LC串联滤波式三电平PWM整流器,该装置能实现PWM整流和补偿功能的有效集成,在分析其工作原理和运行性能的基础上研究了最小电压运行时的参数优化设计方法。为了减少PWM变换器的开关器件,研究了一种三相两臂式三电平PWM整流器,建立了其开关数学模型,并推导了正常运行时直流侧纹波及其分析表达式;在此基础上,提出了一种采用前馈控制+前馈解耦式反馈控制的复合控制方法,可以实现了两开关臂的独立控制,能够实现对电流的无差跟踪。(3)为了满足冶金电磁搅拌的特殊需求,研究了一种前级多功能pwm整流、后级三桥臂逆变的电磁搅拌用两相正交逆变电源及其复合控制方法。首先建立了系统功率平衡数学模型,分析和推导了直流侧二次纹波数学表达式,在此基础上提出了一种前级pwm整流器的复合控制方法,提高了电源的电能质量;针对后级三桥臂两相逆变器,通过分析其数学模型,提出了一种输出电流的前馈+迭代pr反馈的复合控制方法,可以有效提高装置的动态输出性能,可满足电磁搅拌器频繁正反转交替的要求。(4)为了满足电化学行业大功率直流电源的需求,研究了一种pwm整流的大电流直流电源及其均流控制方法。针对多电源模块并联问题,在分析引起均流误差主要因素,在此基础上,提出了dc/dc变换器的电压闭环和电流闭环两种控制模式下的均流阻抗式动静态均流控制方法,利用均流误差反馈控制来增加系统的均流阻抗,并通过采用输出前馈的方法提高系统的动态控制性能;建立了两种控制模式下的并联系统s域控制模型,并分析了并联系统稳定性,推得电流闭环控制模式下的均流控制方法具有更强的均流性能和稳定性能。(5)结合具体的工程背景,研究了特殊钢电磁搅拌用两相正交逆变电源和电解铜箔用大电流高频开关电源两种装置的工程应用若干关键问题。根据特殊钢冶炼的要求,首先分析和建立了电磁搅拌器的数学模型,在此基础上,研究了一种300kva两相正交逆变电源装备及其主电路参数设计方法,研究了装置dsp控制系统的硬件电路和软件控制系统的设计;根据电解铜箔的工程背景,研究了一种50ka高频开关电源装备及其主电路参数设计方法,并研究了其dsp控制系统的硬件电路和软件控制系统的设计。最后,装置投运后运行效果良好,企业产品质量显著提高、节能降耗效果明显。本文以配电网电力电子变换及控制、企业电气节能需求为背景,研究了高效多功能复合型pwm整流器、lc串联滤波式pwm整流器、电磁搅拌用高效两相正交逆变器和多模块并联大直流开关电源等及其控制技术,克服了单一电力电子在功能上的局限,实现了配电网供电系统的高效电能变换和电能质量控制等。论文对高效电力电子变换装置及其控制的研究方法,可以为其它高效电能质量控制装备的研究提供一定的借鉴意义,并为推进电力电子系统的实用化进程提供有益的参考和借鉴。通过冶金特种电源装备的成功研制及其工程应用,不仅可以满足我国重大工程和装备对高品质特殊钢及超薄铜箔的需求,降低我国特种冶金制造企业的生产成本,同时可提高其国际竞争力,对国民经济和国防建设意义重大。

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摘要

ABSTRACT

第1章 绪论

1.1 研究的背景和意义

1.1.1 节能减排是我国当前经济社会发展的重点和难点

1.1.2 工业企业电能损失严重、节能空间巨大

1.1.3 电能变换与控制技术是实现电气节能的重要手段

1.2 冶金工业中的典型电力电子变换技术与装备

1.2.1 PWM整流技术

1.2.2 两相正交逆变电源技术

1.2.3 多模块并联直流电源技术

1.3 国内外研究现状和发展趋势

1.3.1 PWM整流技术

1.3.2 两相正交逆变电源技术

1.3.3 多模块并联直流电源技术

1.4 选题依据及本文主要研究内容

第2章 多功能PWM整流器及其控制方法

2.1 PWM整流电路的原理及补偿谐波特性

2.2 PWM整流器的综合控制方法

2.2.1 传统PWM整流器的分频控制方法

2.2.2 复合功能型PWM整流器的综合控制方法

2.3 在电网不平衡下PWM整流器的控制策略

2.3.1 电网电压不平衡条件下PWM整流器的数学模型

2.3.2 正负序电流参考信号的获取

2.3.3 在电网电压不平衡情况下的正负序联合控制方法

2.4 仿真和实验

2.4.1 仿真验证

2.4.2 实验验证

2.5 小结

第3章 LC串联滤波式PWM整流器及控制方法

3.1 LC串联滤波式PWM整流器及其控制方法

3.1.1 LC串联滤波式PWM整流器的工作原理

3.1.2 LC串联滤波式整流器的最小工作电压及参数设计

3.1.3 LC串联式三电平PWM整流器的控制方法

3.2 简化型三电平PWM整流器及其控制方法

3.2.1 直流侧电压的纹波分析

3.2.2 简化型三电平PWM整流器的控制方法

3.3 LC串联滤波式PWM整流器的闭环控制性能分析

3.4 仿真和实验验证

3.4.1 仿真验证

3.4.2 实验验证

3.5 小结

第4章 两相正交逆变电源及其控制方法

4.1 两相正交逆变电源的拓扑结构及其功率分析

4.1.1 前级整流器的输入功率计算

4.1.2 后级逆变器的输出功率计算

4.1.3 直流侧电压的二次纹波分量推导

4.2 前级PWM整流器的控制方法研究

4.2.1 PWM整流器的综合控制方法

4.2.2 PWM整流器的闭环控制性能分析

4.3 后级逆变器的控制方法研究

4.3.1 基于迭代学习的电流复合控制方法

4.3.2 后级逆变器的电流闭环控制特性分析

4.3.3 三桥臂两相正交逆变器的空间矢量调制策略

4.4 仿真验证

4.5 小结

第5章 大电流直流电源及其均流控制方法

5.1 大电流直流电源的拓扑结构

5.2 后级DC/DC变换器及其均流控制方法

5.2.1 传统虚拟阻抗的均流控制方法

5.2.2 电压源控制模式及其均流控制方法

5.2.3 电流源控制模式及其均流控制方法

5.3 多模块并联等效模型及稳定性分析

5.3.1 电压源控制模式下并联模型及稳定性分析

5.3.2 电流源控制模式下并联模型及稳定性分析

5.4 仿真验证

5.5 小结

第6章 冶金特种电力电子变换电源工程设计及应用

6.1 两相正交逆变电源的工程设计及其应用

6.1.1 工程背景

6.1.2 两相逆变电源装置的工程设计

6.1.3 现场运行与调试

6.1.4 应用效果及用户评价

6.2 大电流直流电源的工程设计及其应用

6.2.1 工程背景

6.2.2 大直流开关电源的工程设计

6.2.3 现场运行展示

6.2.4 应用效果及用户评价

6.3 小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间获得的主要成果

附录B 攻读学位期间主持和参与的科研项目

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