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(dāng)今時(shí)代最為便捷、寶貴、綠色環(huán)保的能源形式，對(duì)整個(gè)人類現(xiàn)代化文明的發(fā)展和推動(dòng)起著重要作用。聯(lián)合國(guó)千年大會(huì)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(lái)越得到各國(guó)政府的重視。對(duì)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(wèn)題。因此，研究和開(kāi)發(fā)新型高效能整流系統(tǒng)

2、及配套控制技術(shù)，為實(shí)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(wú)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(duì)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(kāi)研究。本文所做研究工作的特色及取得的主要?jiǎng)?chuàng)新成果體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
　　1)對(duì)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

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(duì)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(wú)功補(bǔ)償原理等;同時(shí)，依據(jù)系統(tǒng)工作條件及變壓器物理結(jié)構(gòu)對(duì)稱的特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)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(jiǎn)潔、物理意義明晰的特點(diǎn)，為后續(xù)的系統(tǒng)運(yùn)行特性研究、各部件優(yōu)化設(shè)計(jì)及驗(yàn)證工作奠定了理論基礎(chǔ)。
　　2)對(duì)高效能整流系統(tǒng)的

4、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性進(jìn)行研究。以實(shí)施感應(yīng)濾波技術(shù)對(duì)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(shí)，探討以新型整流變壓器為核心的高效能整流系統(tǒng)對(duì)諧波抑制、無(wú)功補(bǔ)償及整流換相過(guò)程的影響。依據(jù)相同工況，對(duì)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(shí)驗(yàn)效果驗(yàn)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(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)要求。
　　3)對(duì)高效能整流系統(tǒng)配套濾波裝置方案設(shè)計(jì)

5、、選型及其參數(shù)優(yōu)化方法進(jìn)行深入研究。依據(jù)實(shí)際工況，對(duì)各濾波方案進(jìn)行評(píng)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(jì)的多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，提出了基于向量評(píng)價(jià)的改進(jìn)粒子群算法，對(duì)濾波參數(shù)進(jìn)行了全面優(yōu)化設(shè)計(jì)。算例分析和仿真、實(shí)驗(yàn)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(píng)價(jià)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(jì)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(jì)指導(dǎo)作用。同時(shí)，為電力系統(tǒng)其它類型濾波裝置設(shè)計(jì)提供方法參考。
　　4)對(duì)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(guò)采取系統(tǒng)能效監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)優(yōu)化控制兩個(gè)技術(shù)手段來(lái)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(guò)程中，迫切需要建立一套能效監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各部件能效指標(biāo)的準(zhǔn)確測(cè)量與考核，并以此實(shí)施對(duì)各項(xiàng)先進(jìn)節(jié)能方案或技術(shù)的客觀比較和評(píng)價(jià)。在該能效監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制過(guò)程中，提出了一種

7、反演測(cè)算法，以解決整流現(xiàn)場(chǎng)大直流電流的精確測(cè)量問(wèn)題。同時(shí)，在實(shí)施高效能整流過(guò)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(dòng)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(dòng)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(duì)高效能整流系統(tǒng)的工程應(yīng)用進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)能效測(cè)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(jì)情況;對(duì)該系統(tǒng)諧波、功率因數(shù)、各部件功率損耗量測(cè)及效率指標(biāo)情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與分析。測(cè)試結(jié)果驗(yàn)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)?、解析?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(jì)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