發(fā)布時間：2018-12-11 05:46

【摘要】：隨著化石能源的日漸枯竭和環(huán)境污染的日益加劇,電能作為當(dāng)今時代最為便捷、寶貴、綠色環(huán)保的能源形式,對整個人類現(xiàn)代化文明的發(fā)展和推動起著重要作用。聯(lián)合國千年大會確定全球經(jīng)濟(jì)走低碳、可持續(xù)發(fā)展道路的大背景下,如何提高電能使用效率、加強(qiáng)電能質(zhì)量控制和管理正越來越得到各國政府的重視。對一些高耗能領(lǐng)域如冶金和化工等行業(yè),目前廣泛使用的二極管或晶閘管大功率整流電源系統(tǒng),普遍存在能耗高、功率因數(shù)低和諧波污染嚴(yán)重等問題。因此,研究和開發(fā)新型高效能整流系統(tǒng)及配套控制技術(shù),為實現(xiàn)企業(yè)節(jié)能、減排和增效的目標(biāo)而具有極其重要的意義。 高效能整流系統(tǒng)是集電能變換、諧波治理和無功補(bǔ)償于一體的以高效能為特征的大功率整流電源系統(tǒng)。本文基于課題組提出的感應(yīng)濾波技術(shù),主要針對新型12脈波高效能整流系統(tǒng)的基本理論、關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用等方面展開研究。本文所做研究工作的特色及取得的主要創(chuàng)新成果體現(xiàn)在以下幾個方面： 1)對高效能整流系統(tǒng)的工作機(jī)理進(jìn)行理論分析,建立了電路解耦模型。首先建立起以變壓器為核心的系統(tǒng)電磁約束方程,并假設(shè)系統(tǒng)三相對稱,推導(dǎo)出系統(tǒng)單相等值電路數(shù)學(xué)表達(dá)式,得到系統(tǒng)單相電路解耦模型,據(jù)此從電路理論角度揭示系統(tǒng)感應(yīng)濾波作用機(jī)理、需滿足的條件及無功補(bǔ)償原理等；同時,依據(jù)系統(tǒng)工作條件及變壓器物理結(jié)構(gòu)對稱的特點,對系統(tǒng)模型進(jìn)行了簡化處理,使得該模型既能充分表征系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)雜電磁作用關(guān)系又具有形式簡潔、物理意義明晰的特點,為后續(xù)的系統(tǒng)運(yùn)行特性研究、各部件優(yōu)化設(shè)計及驗證工作奠定了理論基礎(chǔ)。 2)對高效能整流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性進(jìn)行研究。以實施感應(yīng)濾波技術(shù)對系統(tǒng)工作性能的改善程度為指標(biāo),推導(dǎo)了系統(tǒng)基波、諧波運(yùn)行條件下的各端口電量關(guān)系特性方程。同時,探討以新型整流變壓器為核心的高效能整流系統(tǒng)對諧波抑制、無功補(bǔ)償及整流換相過程的影響。依據(jù)相同工況,對常規(guī)網(wǎng)側(cè)濾波整流系統(tǒng)和高效能整流系統(tǒng)進(jìn)行基波、諧波運(yùn)行條件下的比較研究,從仿真和實驗效果驗證高效能整流系統(tǒng)優(yōu)于常規(guī)整流系統(tǒng),能更好地滿足各項運(yùn)行指標(biāo)要求。 3)對高效能整流系統(tǒng)配套濾波裝置方案設(shè)計、選型及其參數(shù)優(yōu)化方法進(jìn)行深入研究。依據(jù)實際工況,對各濾波方案進(jìn)行評估和選擇的具體方法進(jìn)行了系統(tǒng)分析和探討,建立了濾波裝置參數(shù)設(shè)計的多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,提出了基于向量評價的改進(jìn)粒子群算法,對濾波參數(shù)進(jìn)行了全面優(yōu)化設(shè)計。算例分析和仿真、實驗結(jié)果表明：應(yīng)用優(yōu)化后的濾波方案及參數(shù),使得系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)5、7次等低次諧波放大現(xiàn)象得到了有效防治,濾波效果及評價指標(biāo)能夠較好地滿足預(yù)設(shè)要求。所涉及的濾波裝置方案選型及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法,將為12脈波高效能整流系統(tǒng)的工程應(yīng)用推廣提供設(shè)計指導(dǎo)作用。同時,為電力系統(tǒng)其它類型濾波裝置設(shè)計提供方法參考。 4)對高效能整流系統(tǒng)的整體節(jié)能增效潛能進(jìn)行挖掘。通過采取系統(tǒng)能效監(jiān)測、系統(tǒng)優(yōu)化控制兩個技術(shù)手段來進(jìn)一步增進(jìn)高效能整流系統(tǒng)的整體節(jié)能效果。在大功率整流節(jié)能新技術(shù)的推廣應(yīng)用過程中,迫切需要建立一套能效監(jiān)測分析系統(tǒng),以實現(xiàn)系統(tǒng)各部件能效指標(biāo)的準(zhǔn)確測量與考核,并以此實施對各項先進(jìn)節(jié)能方案或技術(shù)的客觀比較和評價。在該能效監(jiān)測系統(tǒng)的研制過程中,提出了一種反演測算法,以解決整流現(xiàn)場大直流電流的精確測量問題。同時,在實施高效能整流過程控制中,以提升系統(tǒng)電能質(zhì)量水平和晶閘管、調(diào)壓設(shè)備二者動作協(xié)調(diào)性為目標(biāo),從晶閘管和調(diào)壓變壓器協(xié)同控制的角度,建立了晶閘管和調(diào)壓設(shè)備專家協(xié)同控制算法模型。研究結(jié)論表明：采用此協(xié)同控制方案能夠有效提升晶閘管和調(diào)壓設(shè)備的動作效率,并使晶閘管的觸發(fā)角處于最優(yōu)調(diào)整范圍。 5)對高效能整流系統(tǒng)的工程應(yīng)用進(jìn)行現(xiàn)場能效測試與分析。以某電解供電系統(tǒng)應(yīng)用工程作為典型案例,介紹了高效能整流系統(tǒng)的應(yīng)用背景、接線方案和主參數(shù)設(shè)計情況；對該系統(tǒng)諧波、功率因數(shù)、各部件功率損耗量測及效率指標(biāo)情況進(jìn)行了現(xiàn)場測試與分析。測試結(jié)果驗證了高效能整流系統(tǒng)的效率和電能質(zhì)量均具備較高的水平,為感應(yīng)濾波技術(shù)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用推廣提供了工程范例。 綜上所述,本文就12脈波大功率高效能整流系統(tǒng)的主電路拓?fù)洹⒔馕鰯?shù)學(xué)模型、系統(tǒng)等值電路、系統(tǒng)工作機(jī)理、配套參數(shù)優(yōu)化設(shè)計及專家仲裁協(xié)同控制算法等方面進(jìn)行了研究,初步建立了一套關(guān)于高效能整流系統(tǒng)以節(jié)能提效為特點的較為完善的理論和方法,為高效能整流系統(tǒng)在電鐵牽引系統(tǒng)、高壓直流輸電等領(lǐng)域的推廣應(yīng)用奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ),其所取得的研究成果和工程應(yīng)用實踐也為其它領(lǐng)域新型高效換流裝備的研制提供有益的參考和借鑒作用。
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【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TM461

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2371993