论文题目: 电流型超导储能变流器关键技术研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 电力电子与电力传动
作者: 李君
导师: 徐德鸿
关键词: 超导储能,超导储能系统变流器,电流型变流器,多重化变流器,模块化变流器,变流器阵列,功率控制,载波相移
文献来源: 浙江大学
发表年度: 2005
论文摘要: 超导储能系统是电力电子技术和超导电技术有机结合的产物,是灵活交流输电的理想元件之一,对改善现代电网的品质有重要价值。电力电子变流器是超导储能线圈与电网间的桥梁,是超导储能系统的核心部件之一。与电压型超导储能变流器相比,电流型超导储能变流器在技术和经济上有一定优势。 电流型变流器可通过直接并联实现多重化,得到大电流和大的功率容量。通过载波相移SPWM控制,可在低开关频率时得到低交流谐波。直流电流分配和交流谐波特性是此类变流器的关键问题。本文研究了载波相移SPWM控制下的直接并联多重化电流型变流器的直流电流分配特性,分析了交流侧基频边带对直流电流分配的影响规律,认为在低开关频率下,载波相移可导致模块间直流电流分配的严重不平衡。本文研究了理想情况和实际情况下此类变流器的交流谐波特性,尤其给出了在有传统直流均流控制时的交流谐波特性,认为传统直流均流控制方法可使直流均流,但不能改善交流谐波特性。本文提出了载波轮换均流方法,此方法既可实现直流均流,又可降低交流谐波,本文介绍了其原理,给出了实验结果。 通过对单个电流型变流器模块直流侧的串联和交流侧的并联,并利用移相变压器,可构成电流型变流器阵列。电流型变流器阵列可同时得到大电流和高电压,适合应用于大容量超导储能系统。本文研究了调制波相移SPWM控制下的电流型变流器阵列的各列直流电流分配特性,认为除了列数等于2的变流器阵列在α等于0°时的特殊情况外,此类变流器阵列各列直流电流分配仍然严重不均,主要与α值有关。本文也研究了理想情况和实际情况下此类变流器的交流谐波特性,虽然理想情况下N×M变流器阵列谐波特性相当于准6NM脉波变流器,但实际情况下由于直流电流不均,交流低次谐波较为严重。本文提出了行内控制信号轮换均流方法,可实现直流均流,降低交流谐波。本文给出了实现方法和实验结果。 本文推导了SPWM控制下的电流型变流器的有功功率、无功功率和调制比、相位角的关系,设计了电流型超导储能变流器的功率闭环控制。 本文给出了一个应用于实际的35kJ/7.5kW、200A高温超导磁储能系统变流器的设计,介绍了主电路、控制系统的硬件配置、DSP和MCU的软件设计方法,阐述了保护电路的特殊性和过压限制方法。 最后本文给出了一个实际35kJ/7.5kW、200A高温超导磁储能系统变流器的试验结果,包括单模块、多模块、载波相移、无载波相移及稳态和瞬态等多种工作模式时的关键量试验波形,也给出了SMES抑制发电机功率振荡的试验结果。
论文目录:
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 引言
1.2 超导和超导储能系统
1.2.1 超导材料
1.2.2 超导储能系统原理和构成
1. 基本原理
2. 超导储能系统构成
1.2.3 超导储能系统应用
1.2.4 超导储能技术现状
1. 低温超导储能
2. 高温超导储能
1.3 超导储能系统变流器
1.3.1 超导储能系统对变流器的要求
1.3.2 电压型超导储能变流器
1.3.3 电流型超导储能变流器
1.3.4 电压型变流器与电流型变流器之比较
1.4 本文的主要工作
第2章 直接并联多重化电流型变流器关键特性及其改善
2.1 直接并联多重化电流型变流器的主电路和控制
2.1.1 主电路的特点
2.1.2 载波相移 SPWM控制
2.1.3 空间矢量控制
1. 单模块电流型空间矢量
2. 多模块变流器的错时采样空间矢量
3. 多模块变流器多电平空间矢量
2.2 直接并联多重化电流型变流器的均流特性
2.2.1 低开关频率时边带谐波对均流特性的影响
1. 理论分析
2. 仿真研究
3. 八模块变流器电流分配实验
2.3 直接并联多重化电流型变流器的交流谐波
2.3.1 理想情况下的交流谐波
2.3.2 直流均流特性对交流谐波的影响
2.3.3 均流控制对交流谐波的影响
2.3.4 P、Q闭环控制对交流谐波的影响
2.4 直接并联多重化电流型变流器载波轮换均流方法
2.4.1 载波轮换均流方法原理
2.4.2 载波轮换所需额外开关动作次数的最小化
1. 额外开关操作的起因
2. 额外开关操作最小化方法
3. 最优轮换同步信号的产生
2.4.3 载波轮换均流方法的仿真
2.4.4 载波轮换均流方法的实验
2.5 本章小结
第3章 电流型变流器阵列关键特性研究
3.1 电流型变流器阵列的主电路
3.2 电流型变流器阵列的控制
3.2.1 调制波相移SPWM控制
3.2.2 载波相移SPWM控制
3.3 电流型变流器阵列直流均流特性
3.3.1 理论分析
3.3.2 实验研究
3.3.3 列直流电压与直流电流分配关系
3.3.4 同一行模块交流侧隔离时的直流电流分配
3.3.5 无源逆变时的直流电流分配
3.4 电流型变流器阵列交流谐波
3.4.1 理想条件下的交流谐波
1. 2×2变流器阵列谐波仿真数据
2. 2×4变流器阵列谐波仿真数据
3.4.2 实际情况时的交流谐波
1. α=0°
2. α≠0°
3.5 电流型变流器阵列性能改进方法
3.5.1 行内控制信号轮换均流方法
1. 原理
2. 硬件实现
3. 软件实现
3.5.2 实验验证
1. 2×2阵列
2. 2×4阵列
3.6 电流型变流器阵列实验装置
3.7 本章小结
第4章 电流型超导储能变流器功率控制
4.1 瞬时功率检测
4.2 调制比及相位角和功率的运算关系
4.3 功率闭环控制
4.4 PI调节器的离散化
4.5 本章小结
第5章 35 KJ/7.5KW高温超导储能系统变流器设计
5.1 设计目标
5.2 主电路设计
5.2.1 总体结构、模块数、开关频率及均流电感设计
5.2.2 开关器件、缓冲电路、滤波电容设计及损耗计算
5.2.3 驱动电路、辅助电源和变压器
5.3 控制系统
5.3.1 控制系统硬件配置
5.3.2 MCU PWM信号产生
1. 相位角精确实时可控的二值逻辑 SPWM信号产生方法
2. 三值逻辑 SPWM的产生及短路脉冲、先开后关的实现
3. 载波相移的实现
5.3.3 PQ控制原理和软件实现
1. PQ PI控制原理
2. 低通滤波
3. 充磁和放磁
4. 软件实现
5.4 保护系统
5.4.1 超导储能系统变流器保护系统的特殊性及其对策
5.4.2 电感断流过电压保护
5.5 本章小结
第6章 35 KJ/7.5KW高温超导储能系统变流器试验
6.1 单模块工作模式带常导电感
6.1.1 稳态特性
1. 不同PQ值时的波形
2. 交流电流谐波
3. 闭环稳态与开环稳态的比较
6.1.2 动态特性
1. PQ周期性变化时的波形
2. 对 PQ指令的响应时间
3. -P到+P的动态波形
6.2 四模块载波相移模式带常导电感
6.2.1 稳态特性
1. 不同PQ值时的波形
2. 交流电流谐波
3. 直流电流分配
4. 闭环稳态与开环稳态的比较
6.2.2 动态特性
1. PQ周期性变化时的波形
2. 直流电流分配
3. 对 PQ指令的响应时间
4. -P到+P的动态波形
6.3 四模块无载波相移模式带常导电感
6.3.1 稳态特性
1. 不同PQ值时的波形
2. 交流电流谐波
3. 直流电流分配
4. 闭环稳态与开环稳态的比较
6.3.2 动态特性
1. PQ周期性变化时的波形
2. 直流电流分配
3. 对PQ指令的响应时间
4. -P到+P的动态波形
5. PQ录波图
6.4 几种工作模式的比较
6.5 变流器带超导线圈试验
6.5.1 充磁和放磁
6.5.2 PQ四象限变换
6.5.3 SMES抑制发电机功率振荡的动态模型试验
6.6 本章小结
第7章 结论与展望
附录 装置实物照片
参考文献
攻读博士学位期间发表和录用的论文
致谢
发布时间: 2006-07-12
参考文献
- [1].快速全局优化算法及其在高温超导储能磁体中的应用[D]. 罗平.浙江大学2006
- [2].传导冷却高温超导储能磁体的电磁热综合分析[D]. 戴陶珍.华中科技大学2006
- [3].基于超导储能脉冲变压器的脉冲电源模式研究与系统设计[D]. 李海涛.西南交通大学2012
- [4].考虑电磁动态特性的高温超导储能磁体设计方法研究[D]. 徐颖.华中科技大学2016
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- [5].电流型多电平变流器拓扑及其控制策略的研究[D]. 鲍建宇.浙江大学2007
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