冶金特種電力電子變換電源拓撲結(jié)構(gòu)及控制方法研究.pdf

1、我國工業(yè)部門消耗的能源占能源消費總量的近三分之二，而且越來越多的工業(yè)部門的用能方式轉(zhuǎn)向電能形式，使得電能在終端能源消費中比例的持續(xù)提高。工業(yè)企業(yè)配電網(wǎng)是電能消耗和實現(xiàn)節(jié)能的重要環(huán)節(jié)。尤其多年以來，我國對工業(yè)用電領(lǐng)域仍不夠重視，有些企業(yè)能源管理還處于粗放式階段，企業(yè)電網(wǎng)用電設(shè)備老化、技術(shù)含量低、損耗大，負荷電能利用率低，節(jié)能裝備效果和運行可靠性不理想，導(dǎo)致企業(yè)電能損耗大，嚴(yán)重限制了生產(chǎn)效益的提高。因此，提高電氣設(shè)備的用電效率和電能質(zhì)量，構(gòu)

2、建一個綠色，高效，安全的企業(yè)配電網(wǎng)是解決我國經(jīng)濟和社會快速發(fā)展過程中日益凸顯的能源需求增長與能源緊缺、能源利用與環(huán)境保護之間矛盾的必然選擇。
　　目前，高能耗冶金工業(yè)的電氣節(jié)能、負荷用能等電力電子電能變換系列關(guān)鍵技術(shù)和成套設(shè)備尚不成熟，節(jié)能效果有限。本文針對配電網(wǎng)電力電子變換和電能質(zhì)量控制的關(guān)鍵瓶頸問題，以湖南省研究生創(chuàng)新基金項目和國家“863”計劃項目為依托，從企業(yè)配電網(wǎng)用中等功率或大功率多功能復(fù)合型PWM整流器、電磁攪拌用高效

3、兩相正交逆變器、多模塊并聯(lián)直流電源等幾個方面，深入研究了企業(yè)配電網(wǎng)高效電力電子變換及控制的相關(guān)理論和方法。研究內(nèi)容涵蓋了高效電力電子變換裝置的工作機理、結(jié)構(gòu)模型、控制算法、優(yōu)化設(shè)計、以及應(yīng)用時關(guān)鍵工程技術(shù)問題等方面，初步形成了一套高效電力電子變換及控制的基本研究方法和技術(shù)方案，本文研究重點及獲得的主要成果表現(xiàn)在以下幾個方面：
　　(1)研究了一種多功能復(fù)合型PWM整流器及其綜合控制方法，既可以實現(xiàn)PWM整流功能，同時也能補償鄰近非

4、線性負載產(chǎn)生的無功和諧波。針對諧波抑制，提出了一種基波域dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的諧波綜合控制方法，將6k±1次的特征諧波變換成基波域dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的6k次的一種諧波，這樣諧波控制器的數(shù)量大大減少，降低了控制系統(tǒng)的復(fù)雜度；為了保障 PWM整流器在電網(wǎng)電壓不平衡情況下的穩(wěn)定運行，研究了一種正序dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的電流聯(lián)合控制方法，在正序同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下實現(xiàn)正序和負序電流的聯(lián)合控制，同時結(jié)合前饋和反饋控制，提高系統(tǒng)的響應(yīng)性能。
　　(2)為了滿足大功

5、率應(yīng)用場合，提出了一種 LC串聯(lián)濾波式三電平 PWM整流器，該裝置能實現(xiàn) PWM整流和補償功能的有效集成，在分析其工作原理和運行性能的基礎(chǔ)上研究了最小電壓運行時的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法。為了減少 PWM變換器的開關(guān)器件，研究了一種三相兩臂式三電平 PWM整流器，建立了其開關(guān)數(shù)學(xué)模型，并推導(dǎo)了正常運行時直流側(cè)紋波及其分析表達式；在此基礎(chǔ)上，提出了一種采用前饋控制+前饋解耦式反饋控制的復(fù)合控制方法，可以實現(xiàn)了兩開關(guān)臂的獨立控制，能夠?qū)崿F(xiàn)對電流的無

6、差跟蹤。
　　(3)為了滿足冶金電磁攪拌的特殊需求，研究了一種前級多功能 PWM整流、后級三橋臂逆變的電磁攪拌用兩相正交逆變電源及其復(fù)合控制方法。首先建立了系統(tǒng)功率平衡數(shù)學(xué)模型，分析和推導(dǎo)了直流側(cè)二次紋波數(shù)學(xué)表達式，在此基礎(chǔ)上提出了一種前級 PWM整流器的復(fù)合控制方法，提高了電源的電能質(zhì)量；針對后級三橋臂兩相逆變器，通過分析其數(shù)學(xué)模型，提出了一種輸出電流的前饋+迭代PR反饋的復(fù)合控制方法，可以有效提高裝置的動態(tài)輸出性能，可滿足電磁

7、攪拌器頻繁正反轉(zhuǎn)交替的要求。
　　(4)為了滿足電化學(xué)行業(yè)大功率直流電源的需求，研究了一種 PWM整流的大電流直流電源及其均流控制方法。針對多電源模塊并聯(lián)問題，在分析引起均流誤差主要因素，在此基礎(chǔ)上，提出了dc/dc變換器的電壓閉環(huán)和電流閉環(huán)兩種控制模式下的均流阻抗式動靜態(tài)均流控制方法，利用均流誤差反饋控制來增加系統(tǒng)的均流阻抗，并通過采用輸出前饋的方法提高系統(tǒng)的動態(tài)控制性能；建立了兩種控制模式下的并聯(lián)系統(tǒng) s域控制模型，并分析了并

8、聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定性，推得電流閉環(huán)控制模式下的均流控制方法具有更強的均流性能和穩(wěn)定性能。
　　(5)結(jié)合具體的工程背景，研究了特殊鋼電磁攪拌用兩相正交逆變電源和電解銅箔用大電流高頻開關(guān)電源兩種裝置的工程應(yīng)用若干關(guān)鍵問題。根據(jù)特殊鋼冶煉的要求，首先分析和建立了電磁攪拌器的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上，研究了一種300kVA兩相正交逆變電源裝備及其主電路參數(shù)設(shè)計方法，研究了裝置 DSP控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件控制系統(tǒng)的設(shè)計；根據(jù)電解銅箔的工程背景，研

9、究了一種50kA高頻開關(guān)電源裝備及其主電路參數(shù)設(shè)計方法，并研究了其 DSP控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件控制系統(tǒng)的設(shè)計。最后，裝置投運后運行效果良好，企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量顯著提高、節(jié)能降耗效果明顯。
　　本文以配電網(wǎng)電力電子變換及控制、企業(yè)電氣節(jié)能需求為背景，研究了高效多功能復(fù)合型PWM整流器、LC串聯(lián)濾波式PWM整流器、電磁攪拌用高效兩相正交逆變器和多模塊并聯(lián)大直流開關(guān)電源等及其控制技術(shù)，克服了單一電力電子在功能上的局限，實現(xiàn)了配電網(wǎng)供電系統(tǒng)