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《河北工业大学》 2016年
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电流型电力变换技术及其在HVDC中的应用

赵建阳  
【摘要】:因储能元件不同,电力变换器分为电压型与电流型两类。电压型电力变换器以其丰富多样的拓扑结构、完善的调制方法与谐波控制算法等,成为主流电力变换设备。多年来,电流型电力变换器由于受到储能元件限制,其拓扑结构与调制技术的研究也相对滞后。随着现代电力电子技术及控制理论的发展,半控型功率器件耐压耐流能力的不断提高,电流型换流技术在高压大功率场合的优势逐渐显现。首先,介绍了直流纹波重注入概念以及6脉波、12脉波换流器采用电流重注入方式消除谐波的原理;通过广义电流重注入换流器,研究多电平电流重注入换流器完整的拓扑结构和控制理论。以12脉波换流器为研究对象,建立网侧电流数学模型并且进行傅里叶分解,验证了12脉波换流器谐波消除可行性,并对误差平方与误差微分平方注入方法和线性注入方法进行对比分析。在Matlab/Simulink环境下对电流重注入6脉波、12脉波换流器进行了仿真验证。其次,论文阐述了MLCR-CSC拓扑结构及重注入电流控制方法,给出了网侧电流的幅值、相位及THD含量的数学模型。通过分析多绕组变压器磁化电流合成原理,得到换流器主要器件定额的理论依据。在Matlab/Simulink环境下对SLCR-CSC进行了仿真验证,结果表明其在谐波消除的同时,实现电流过零关断和单位功率因数运行;同时针对不同重注入电流电平数,分析大量仿真实验数据,得到不同电平数时的最优零电流宽度。搭建了1MW物理实验平台,设计基于DSP和FPGA的综合控制平台,实验结果与理论仿真基本一致。论文提出了双组MLCR-CSC结构,并对其在HVDC中的应用进行了讨论。采用有功功率和无功功率解耦控制思想,构建了DMLCR-CSC非线性数学模型,借助仿射非线性和状态反馈精确线性化理论,得到精确线性控制模型。给出了含DMLCR-CSC潮流计算方法,设计了换流器故障控制策略。仿真结果表明,DMLCR-CSC可实现有功潮流和无功潮流独立控制;小干扰情况下可迅速达到新的平衡状态;以网侧单相接地故障为例,研究了含MLCR-CSC结构HVDC换流器的故障行为;同时,仿真验证了对于直流侧短路故障,HVDC换流器能够迅速建立电流过零关断条件,达到新的平衡点或者停机;故障恢复时间约为传统换流器恢复时间的一半。同时,文中对MLCR-CSC谐波消除、电流过零关断和高功率因数运行进行了理论研究。在Matlab/Simulink环境下搭建仿真模型,同时搭建1MW实验平台,软件仿真结果和物理实验测试结果均验证电流重注入技术的正确性和可行性。最后,借助非线性控制理论,实现了功率完全解耦控制。通过Matlab/Simulink环境下和实验验证,电流重注入技术在换流器设计及HVDC输电领域具有积极的意义。
【关键词】:电流重注入技术 谐波消除 电流过零关断 单位功率因数运行 状态反馈线性化
【学位授予单位】:河北工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TM46;TM721.1
【目录】:
  • 摘要4-6
  • ABSTRACT6-11
  • 第一章 绪论11-21
  • 1.1 课题研究背景与意义11-12
  • 1.2 电力变换技术综述与比较12-18
  • 1.2.1 拓扑结构12-14
  • 1.2.2 调制技术14
  • 1.2.3 应用场合14-16
  • 1.2.4 高压大功率换流器关键技术的讨论16-18
  • 1.3 主要研究内容18-21
  • 第二章 电流重注入电力变换技术21-49
  • 2.1 前言21-23
  • 2.2 电流重注入技术谐波消除原理23-31
  • 2.2.1 直流纹波注入概念23-25
  • 2.2.2 电流重注入6脉波换流器25-28
  • 2.2.3 电流重注入12脉波换流器28-29
  • 2.2.4 广义重注入技术29-31
  • 2.3 重注入电流谐波消除数学模型与产生方法31-39
  • 2.3.1 谐波消除理论分析32-36
  • 2.3.2 理想注入波形约束条件及注入方法36-39
  • 2.4 电流重注入技术在换流器中的仿真分析39-46
  • 2.4.1 6 脉波重注入换流器仿真40-43
  • 2.4.2 12 脉波重注入换流器仿真43-45
  • 2.4.3 线性注入波形在MLCR-CSC的应用45-46
  • 2.5 MLCR-CSC在高压大功率场合特点46-47
  • 2.6 本章小结47-49
  • 第三章 多电平电流重注入换流器拓扑结构、控制与电流特性49-85
  • 3.1 前言49-51
  • 3.2 串联MLCR-CSC拓扑结构与特性51-63
  • 3.2.1 串联拓扑结构与基本控制方法51-54
  • 3.2.2 串联MLCR-CSC的电流波形分析54-58
  • 3.2.3 串联MLCR-CSC重注入变压器磁化电流和阻断电容参数的计算58-60
  • 3.2.4 串联MLCR-CSC主要组成部分的选择60-63
  • 3.3 MLCR-CSC建模与仿真63-77
  • 3.3.1 仿真模块设计63-65
  • 3.3.2 重注入电流合成65-66
  • 3.3.3 重注入电流与ZCS66-71
  • 3.3.4 高功率因数控制71-74
  • 3.3.5 谐波消除与零电流脉宽调制74-77
  • 3.4 7 电平MLCR-CSC系统设计与实验测试77-84
  • 3.4.1 系统设计78-80
  • 3.4.2 系统集成80-81
  • 3.4.3 实验结果81-84
  • 3.5 本章小结84-85
  • 第四章 双组多电平电流重注入换流器及其在HVDC中的应用85-121
  • 4.1 前言85-87
  • 4.2 LCC-HVDC运行特性87-90
  • 4.2.1 数学模型87-88
  • 4.2.2 CIGRE标准测试模型88-90
  • 4.2.3 故障恢复特性90
  • 4.3 DMLCR-CSC拓扑结构与控制系统线性化设计90-103
  • 4.3.1 DMLCR-CSC拓扑结构91
  • 4.3.2 DMLCR-CSC控制思想91-93
  • 4.3.3 DMLCR-CSC非线性数学模型93-100
  • 4.3.4 DMLCR-CSC控制模型线性化设计100-103
  • 4.4 含DMLCR-HVDC换流器潮流计算模型103-107
  • 4.4.1 潮流计算的物理模型103-104
  • 4.4.2 潮流计算的数学模型104-107
  • 4.5 电流型HVDC换流器故障响应107-109
  • 4.5.1 级联控制设计108
  • 4.5.2 触发角参考指令108-109
  • 4.5.3 故障逻辑设计109
  • 4.6 功率计算模块设计109-111
  • 4.7 电流型HVDC换流器在输电中的仿真111-119
  • 4.7.1 正常运行特性111-113
  • 4.7.2 故障运行特性113-118
  • 4.7.3 故障响应与恢复特性118-119
  • 4.8 本章小结119-121
  • 第五章 结论与展望121-125
  • 5.1 全文总结121-122
  • 5.2 创新点122
  • 5.3 后续研究展望122-125
  • 参考文献125-137
  • 攻读博士期间所取得研究成果137-139
  • 致谢139

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