高效能整流系統(tǒng)理論及關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、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)低和諧波污染嚴重等問題。因此，研究和開發(fā)新型高效能整流系統(tǒng)

2、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)的工作機理進行理論分析，建立了電路解耦模型。首先建立起以變壓

3、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)濾波作用機理、需滿足的條件及無功補償原理等;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

4、穩(wěn)態(tài)運行特性進行研究。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，推導(dǎo)了系統(tǒng)基波、諧波運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)進行基波、諧波運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行指標要求。
　　3)對高效能整流系統(tǒng)配套濾波裝置方案設(shè)計

5、、選型及其參數(shù)優(yōu)化方法進行深入研究。依據(jù)實際工況，對各濾波方案進行評估和選擇的具體方法進行了系統(tǒng)分析和探討，建立了濾波裝置參數(shù)設(shè)計的多目標優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，提出了基于向量評價的改進粒子群算法，對濾波參數(shù)進行了全面優(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

6、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)手段來進一步增進高效能整流系統(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)各部件能效指標的準確測量與考核，并以此實施對各項先進節(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

7、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，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，

8、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情況進行了現(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)的主電路拓撲、解析數(shù)學(xué)模型、系統(tǒng)等值電路、系統(tǒng)工作機理、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行了研究，初步建立了一套關(guān)于高效能