新型三电平高压变频调速关键技术及成套装备研发

论文摘要

高压变频调速是高（中）压异步电机驱动、节能的重要技术。三电平结构凭借其电路简单、功率器件少的优点在4.16kV及其以下电压等级异步电机驱动系统中得到了应用。但是在器件耐压等级和控制保护技术等方面存在的问题,使得三电平结构的高压变频调速装置在我国6kV及其以上电压等级的电机驱动系统中尚未得到推广。论文针对该问题,围绕三电平主电路结构的改进、控制技术与性能的提高、保护功能与算法的完善以及硬软件系统开发和装置试验中的关键技术问题展开了研究。采用分相独立接入的di/dt抑制电路以及IGCT串联技术,弥补传统三电平主电路局部电流过大、耐压等级不够的缺陷。重点分析了局部过流现象产生的原因以及如何实现更高电压输出,通过建立仿真模型和试验,对各新型电路性能进行了分析,确定了合适的元件参数,新型主电路结构降低了系统输入电流的谐波含量、实现了功率器件高效安全的串联、并将三电平主电路输出的电压等级提高到6kV。为了提高三电平脉冲控制精度、加强系统安全可靠性、减少输出du/dt冲击,对三电平SPWM脉宽控制数字化技术中三角载波形成、正弦调制波发生、器件开关时间计算以及开关状态组合配置等重点问题进行了研究,提出了简化的开关时间计算方法、特殊状态下的死区设置以及优化的脉冲启动信号,并利用FPGA对数字化原理的构想进行了实现,仿真和试验结果证明了数字化构想的正确性和可行性。在三电平逆变电路仿真分析中引入了非线性离散时域建模方法,并将其与异步电机模型进行进行有机结合,实现了电机控制策略、调制算法、变换电路与负载的统一,为电机和逆变系统的暂态和动态过程的分析,提供了新的分析手段和平台。以该平台为基础对传统恒U/f控制进行了分析,并提出采用具有自适应能力的启动控制方法,以及增加磁通补偿器、电流限制控制器以及直流母线电压补偿环节来提高控制性能。基于高压大功率中性点筘位三电平变频调速系统的特点,对三电平结构高压变频器的各种故障情况进行了分析。并根据故障特性提出了自适应式直流母线电压偏移越域保护、组合式直流回路充电保护、基于电压平衡原理的直流母线一点接地保护、输出侧变窗过电流保护等一系列的保护原理,并在新型三电平高压变频调速装置中得到了成功应用,对高压变频器的24脉波整流电路、直流母线环节、功率变换系统以及变频电机负载起到了全面有效的保护。设计了基于分层结构的高可靠性硬件电路以及具有安全协调机制的软件系统,并根据各项设计要求完成了变频调速的控制与保护系统的开发。其中控制系统硬件设计采用了DSP+FPGA+CPLD的结构,在该结构上实现了脉冲控制安全联锁的功能。基于硬件系统,完成了具有安全协调机制的软件系统设计。通过对6kV/1000kV中性点箝位三电平变频调制装置的大量试验,验证了控制系统的高效稳定性、仿真模型的准确性以及保护配置的合理性,各项指标均达到了预先设计的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的目的与意义
• 1.2 高压大功率变频调速系统国内外发展现状
• 1.3 论文的主要工作及章节安排
• 2 新型6kV中性点箝位三电平变频调速主电路
• 2.1 引言
• 2.2 传统三电平工作原理以及存在问题
• 2.3 新型6kV中性点箝位三电平变频主电路
• 2.4 本章小结
• 3 高性能三电平SPWM数字化技术理论研究与实现
• 3.1 引言
• 3.2 三电平变换器典型脉宽控制方式
• 3.3 三电平SPWM数字化技术的理论研究
• 3.4 基于FPGA的SPWM全数字化实现
• 3.5 本章小结
• 4 三电平变频调速数字化建模及其性能分析
• 4.1 引言
• 4.2 三电平变频调速数字化模型建立
• 4.3 模型仿真分析
• 4.4 本章小结
• 5 三电平变频调速保护、监测原理与技术研究
• 5.1 引言
• 5.2 变频器内部故障形式分析及信号检测
• 5.3 软件保护基本配置
• 5.4 保护基本算法和元件
• 5.5 本章小结
• 6 三电平变频调速控制与保护系统研制
• 6.1 引言
• 6.2 系统主要功能
• 6.3 基于分层结构的高可靠性硬件系统设计
• 6.4 具有安全协调机制的系统软件设计
• 6.5 本章小结
• 7 6kV/MW级三电平变频调速装置试验
• 7.1 引言
• 7.2 试验系统设计及其项目介绍
• 7.3 本章小结
• 8 全文总结
• 8.1 总结
• 8.2 未来工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 作者在攻读博士学位期间发表的论文
• 附录2 作者在攻读博士学位期间主要参与的科研工作