博士研究生學位論文開題報告.doc

學號： 069496東 南 大 學研究生學位論文開題報告院（系、所） 電氣工程學院學 科 （專 業(yè)） 電力系統(tǒng)及其自動化 研 究 生 姓 名 學科門類與學位級別 工學博士導 師 姓 名 入 學 年 月 2006年 9 月開 題 報 告 日 期 2008年6月 日 2填 表 須 知1、 論文開題報告由研究生本人向審議小組報告并聽取意見后，由研究生本人填寫此表。2、 論文開題報告填寫完成后，必須經(jīng)導師審批，通過后方能提交。3、博士生應在入學后第二學期結束前、碩士生應在第三學期結束前完成此開題報告。研究生院培養(yǎng)與學籍管理辦公室收到此開題報告至少半年后方受理答辯申請，因遲交開題報告影響答辯而超過學制規(guī)定年限，由研究生本人負責；4、研究生開題前宜填寫查新報告。查新報告對理、工、醫(yī)、管等學科博士生作為必要環(huán)節(jié)。博士生查新工作可委托圖書館負責，也可在完成網(wǎng)絡文獻檢索類研究生課程的學習或參加學校組織的網(wǎng)絡文獻檢索培訓后，自行組織查新檢索，自行組織查新需要詳細文獻查新述評作為附件。自行查新報告須經(jīng)導師審查后由開題報告審核專家組審核簽字（或蓋章）。碩士生和文科博士生開題查新參考上述辦法，不作硬性要求。5、本表一式兩份，一份研究生自留放入本人“研究生檔案材料袋”；一份由院（系、所）保存并歸入院（系、所）研究生教學檔案。6、學科門類與學位級別指的是工學（或理學等）博士、碩士。7、本表下載區(qū)：/down/1.asp 。本表電子文檔打印時用A4紙張，格式不變，內(nèi)容較多可以加頁。一、學位論文開題報告論 文 題 目基于四象限雙H橋變流器級聯(lián)型大容量DSTATCOM關鍵技術的研究研 究方 向電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用題 目 來 源國家部委省市廠、礦自選有無合同經(jīng)費數(shù)備注有300萬題 目類 型理論研究應用研究工程技術跨學科研究其他應用研究論文開題前上網(wǎng)檢索情況（碩士生可不作要求；理、工、醫(yī)、管學科博士生應填寫并附查新報告）開題報告內(nèi)容（具體要求見東南大學研究生選題、開題報告的原則和要求）1 課題背景介紹隨著我國國民經(jīng)濟及科學技術的迅速發(fā)展，一方面，配電網(wǎng)中快速沖擊型負荷（如電弧爐、軋機、絞車等）、大容量電力電子非線性負荷的急劇增加，引起電網(wǎng)電壓波動與閃變、三相供電不平衡和電壓電流波形畸變等，造成電網(wǎng)電能質量的嚴重惡化；另一方面，隨著各種復雜的、精密的、對電能質量敏感的用電設備不斷普及，如高性能家用電器、辦公設備、精密試驗儀器、自動控制設備等，人們對電能質量的要求也越來越高。上述矛盾越突出，對電網(wǎng)和配電系統(tǒng)造成的直接危害和可能對人類生活和生產(chǎn)造成的損失也就越大。因此，研究相關電能質量控制技術與裝置，改善和提高電能質量，不僅是社會生產(chǎn)和人民生活正常進行的重要保證，也是節(jié)能減耗、提高電能使用效率、可持續(xù)發(fā)展的必要條件，直接關系到國民經(jīng)濟的總體效益，具有巨大的經(jīng)濟與社會效益。為了改善配電系統(tǒng)中由于沖擊性非線性負荷引起的電壓閃變、三相不平衡、諧波等電能質量問題，一方面可著眼于負荷本身的優(yōu)化設計和運行工況的改善，從根本上降低所引起的電能質量問題；另一方面是在干擾源接入點安裝合適的補償裝置來消除無功沖擊，濾除高次諧波，平衡三相電網(wǎng)。目前綜合解決上述電能質量問題的補償裝置主要有兩種：一種是廣泛應用的晶閘管相控電抗器（TCR）附加諧波濾波器（FC）組成的靜止無功補償裝置（SVC）。該裝置可動態(tài)跟蹤負荷的無功變化，能有效改善系統(tǒng)的功率因數(shù)、補償中性點偏移、濾除高次諧波。但由于裝置本身固有的特性，一般實用的SVC裝置對電壓波動與閃變的改善效果并不理想，且由于TCR相控角度的改變產(chǎn)生的畸變電流會造成電網(wǎng)的二次污染；另外一種裝置是配電網(wǎng)靜止無功補償器（DSTATCOM），它是結合大功率電力半導體器件和先進控制理論的新型電力電子裝置。與傳統(tǒng)的SVC相比，DSTATCOM具有以下優(yōu)點：動態(tài)響應速度快，響應時間短，對電壓波動、閃變補償率較高；補償電流不依賴系統(tǒng)電壓，補償范圍寬；體積小，重量輕，消耗材料少，功耗??；具有較好的濾波效果，不受電網(wǎng)頻率影響，沒有諧波放大作用和諧振問題。因此，隨著IGBT等電力半導體器件技術性能的不斷提高，價格不斷下降，以及控制理論和控制策略的不斷完善，DSTATCOM在配電系統(tǒng)中的應用將越來越廣泛，將逐步取代SVC而成為今后電力系統(tǒng)補償裝置發(fā)展的方向。從1986年至1999年，三菱公司至少有200臺DSTATCOM投入運行，容量從0.1-60MVar不等，應用場合包括鋼鐵公司、電氣化鐵路、水電站等。西門子公司1998年在美國德州投運了一套80MVar的裝置，采用三單相橋結構，三相電容共用，用于電弧爐閃變和諧波抑制，功率因數(shù)校正以及負荷平衡。ABB的DSTATCOM采用基于IGBT的三電平三相橋逆變器，開關頻率1kHz以上。近幾年來，國內(nèi)也已對DSTATCOM進行了廣泛的研究，但僅限于試驗樣機的水平，還沒有應用于工業(yè)現(xiàn)場的產(chǎn)品出現(xiàn)，特別是高壓大容量裝置，其總體設計及其他關鍵技術仍掌握在國外大型企業(yè)手中。為了打破技術壟斷，我國必須通過自主攻關研究，掌握中、高壓大容量DATATCOM裝置設計、生產(chǎn)制造等關鍵技術，掌握完全的自主知識產(chǎn)權。2 課題進展情況本課題依托“十一五”國家科技支撐計劃重點項目（2007BAA12B03）、江蘇省電力公司重點科技項目（J2008057）。本課題研究的高壓大容量DSTATCOM主要用來解決配電網(wǎng)中諸如電弧爐、軋鋼機、卷揚機、電力機車等非線性沖擊性特殊負荷供電點的電能質量問題。通過抑制上述配電網(wǎng)特殊供電點的電壓波動與閃變、三相不對稱、諧波等電網(wǎng)污染，提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定性和電網(wǎng)供電質量，提高電網(wǎng)的經(jīng)濟運行效益。該裝置的成功研發(fā)，將對中低壓電網(wǎng)（終端變電站）無功電壓和電能質量的動態(tài)、暫態(tài)、線性補償產(chǎn)生深遠的影響，為電能質量已大面積污染的特殊地區(qū)提供保護變電站和電網(wǎng)設備安全可靠運行的解決方案。本課題研究的主要內(nèi)容包括：高壓大容量DATATCOM的主電路拓撲的選擇設計、主電路參數(shù)的研究設計；控制理論、控制策略與算法的研究；檢測技術的分析研究；裝置故障機理與容錯控制方法的分析研究。裝置結構的設計及控制系統(tǒng)的軟、硬件的規(guī)劃設計；1.14kV/100kVA 級聯(lián)型DSTATCOM樣機的開發(fā)研制。本課題研究的高壓大容量DSTATCOM主電路結構形式，如圖1所示。各功率單元模塊由對稱的兩個單相H橋變流器構成AC-DC-AC的結構模式。其中直流電容右側H橋為主逆變器，完成裝置的主要功能目標；右側H橋為輔助電路，運行在四象限單位功率因數(shù)(UPF)整流器的工作模式下，主要功能是通過多繞組變壓器與直流電容并聯(lián)工作充當H橋逆變器直流側獨立電源，并通過能量雙向流動穩(wěn)定直流側電容電壓，各單元整流器獨立運行。圖1 級聯(lián)型DSTATCOM主電路結構本課題研究的難點與要點： 主電路拓撲選擇設計、參數(shù)的研究設計 目前應用在高壓大容量DSTATCOM裝置的主電路結構有多種形式，如西門子公司的三單相橋結構和ABB公司的基于IGBT的三電平三相橋逆變器結構，以及基于鏈式逆變器1（H橋級聯(lián)多電平逆變器）的結構。國內(nèi)也有學者提出諸如二極管箝位多電平逆變器與H橋級聯(lián)多電平逆變器組成的主從式結構等混合型結構2的思路。比較上述各主電路結構，本課題選用級聯(lián)H橋多電平逆變器的主電路結構，主要在于其結構簡單、易于模塊化設計，變流器單元工作對稱、開關負荷平衡，輸出電壓諧波小等優(yōu)點3。關于級聯(lián)H橋高壓大容量變流裝置級聯(lián)方式目前研究較多的主要有兩種，一種為ROBICON公司提出的各級聯(lián)單元采用獨立直流電源、交流側直接相連的結構模式，獨立電源由三相不控制整流器加直流電容通過多重化移相變壓器連接到交流電網(wǎng)；另一種為直流側共用直流電源，而交流側通過移向變壓器的方式連接的結構模式。兩種方式各有優(yōu)缺點，第一種方式涉及到直流側泵升電壓無法通過整流器回饋問題，第二種方式直流側需采用較大容量的直流電容器，且都要使用多重化變壓器。本文提出了一種基于四象限雙H橋變流器的級聯(lián)型多電平DSTATCOM主電路結構，如圖1所示。直流電容左側H橋為單位功率因數(shù)（UPF）四象限整流器，作為穩(wěn)定直流電容電壓的輔助電路，各單元整流器通過多繞組變壓器隔離連接交流電網(wǎng)；右側為級聯(lián)H橋逆變器單元。該結構采用基于IGBT的對稱化設計、結構簡單，各級聯(lián)單元直流電壓均壓穩(wěn)壓相互獨立、簡單可靠。 主電路參數(shù)設計主要涉及功率開關器件的選型，直流側電容容量以及連接電抗的確定。其中開關器件參數(shù)選擇主要根據(jù)裝置的容量、補償諧波的次數(shù)以及系統(tǒng)電壓等級等來確定；對于連接電抗的設計，總結各文獻資料4，主要有3個設計依據(jù)：滿足穩(wěn)態(tài)條件下濾波器的功率指標，滿足電流快速跟蹤的指標，滿足電感高頻諧波抑制指標。 關于直流側電容容量的確定，從目前相關文獻所報道的來看，都沒有給出明確的具有指導意義的計算方法，也沒有統(tǒng)一的數(shù)學公式，但總體上來說主要從直流側穩(wěn)壓性能以及電壓控制響應速度兩個方面來考慮。基于四象限雙H橋變流器級聯(lián)型DSTATCOM主電路結構模式，本課題詳細分析了對應于不同補償電流分量（無功、負序及諧波）條件下DSTATCOM直流側電流變化規(guī)律，推導出直流側電壓數(shù)學模型，并據(jù)此給出了一種電容容量的精確設計方法。 檢測技術的研究快速準確地檢測出負荷電流中諧波、無功、不對稱分量，是裝置實現(xiàn)有效補償?shù)南葲Q條件。因此，選擇合適的檢測方法是決定裝置性能的關鍵技術之一。關于快速檢測電流中諧波等分量，人們已經(jīng)發(fā)展了很多方法，較早成功應用的主要是基于瞬時無功功率理論的各種快速諧波檢測方法及其衍生方法，此類方法實現(xiàn)簡單，但效果受低通濾波器性能的影響較大。隨著數(shù)字處理技術的發(fā)展，一些數(shù)字化的快速檢測方法得到了成功應用，如基于傅立葉變換（FFT）5的數(shù)字分析法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡、小波分析、自適應等檢測方法5-7以及它們的混合方法的應用研究也層出不窮。此外，基于FBD的檢測方法、基于鑒相原理和補償電流最小原理的諧波與無功電流檢測方法也見報道，此類方法理論性較強，但目前實際工程應用難度較大。但從DSTATCOM裝置開發(fā)和工程應用的角度出發(fā)，檢測方法主要的研究方向應具備快速、準確、適應性強、易于實現(xiàn)的特點。 控制策略與算法的研究本課題研究的DSTATCOM所涉及到的控制算法主要有電流快速跟蹤控制算法和裝置在電網(wǎng)電壓不對稱狀態(tài)下的運行控制策略。電流跟蹤控制技術，即根據(jù)檢測到的負載諧波、無功以及負序電流，實時產(chǎn)生相應的補償電流，使得系統(tǒng)只向負載提供基波正序有功功率。該項技術也是影響DSTATCOM裝置性能的關鍵技術之一。比較常見的電流跟蹤控制方法主要有瞬時值比較方法（滯環(huán)電流控制）和三角載波比較控制方法。其中滯環(huán)電流控制方式屬于實時控制方式，響應速度快，跟蹤精度高，易于實現(xiàn)；而三角載波比較方式的特點是器件的開關頻率固定，但電流響應比瞬時值慢，實現(xiàn)過程中可結合PI、模糊邏輯、自適應、神經(jīng)網(wǎng)絡等控制策略。另外，一些新的電流跟蹤控制方法也不斷涌現(xiàn)，如空間矢量法、無差拍控制法、預測電流控制、廣義積分法等8-11。而應用在級聯(lián)型DSTATCOM中較為簡單適用的電流控制技術主要是基于載波移相SPWM（CPS-SPWM）技術以及錯時采樣空間矢量（STS-SVM）技術12。由于系統(tǒng)故障或大容量負載不平衡的影響，系統(tǒng)難免會出現(xiàn)三相不對稱的狀態(tài)。當DSTATCOM運行在不對稱情況下時，會在裝置的直流側出現(xiàn)二倍頻的電壓波動，而在交流輸入電流中出現(xiàn)負序和三次諧波等非特征諧波，這些非特征諧波降低裝置的性能和效率，增加損耗，功率因數(shù)惡化，引起裝置的過流、過電壓保護動作等13。因此，研究裝置在系統(tǒng)不對稱條件下的運行機理及相關控制策略的設計是裝置可靠運行、提高裝置性能的重要保證，也是DSTATCOM裝置研究開發(fā)過程中解決的技術難點之一。 模塊失效機理與冗余控制技術的研究當IGBT器件或H橋模塊出現(xiàn)故障，應快速啟動與模塊并聯(lián)的旁路電路讓該故障模塊處于旁路狀態(tài)，而其余健全模塊在當前冗余水平條件下，結合理想的控制策略而進入相應工作狀態(tài)，或全額運行，或降額運行。故障期間的檢測、報警和控制以及故障機理的分析研究是整個裝置在故障條件下可靠運行的保證，是技術難點之一。合理的旁路電路以及相應旁路后的控制策略是整個模塊失效冗余技術的關鍵。關于旁路電路實現(xiàn)技術，無論國內(nèi)外都有相關文獻的研究和應用，較為常見的為晶閘管復合開關快速旁路電路。而冗余控制方法，國外同類產(chǎn)品中有采用中性點移相技術14-15。國內(nèi)同類產(chǎn)品只實現(xiàn)了故障單元以及與故障單元同級的其他單元一起旁路的容錯技術，電壓利用率大大降低，中性點移相技術尚未實現(xiàn)。中性點偏移的實現(xiàn)方式通常有以下兩種方法，一種為重新調整三相調制波的相位關系，使得故障單元被旁路后，三相線電壓仍然對稱；另一種為按故障單元旁路數(shù)，調整三相調制波的幅值比，減去共模分量，達到削減峰值的作用。本課題研究的級聯(lián)型DSTATCOM，由于其功率單元是基于UPF四象限整流器雙H橋級聯(lián)的電路結構，因此，當故障電路被旁路后，可以考慮在直流側電容容量允許的范圍內(nèi)，控制整流器讓直流電容充電提高直流電壓，使得健全模塊總的輸出電壓與故障前相當。這樣，一方面直流電壓利用率不會降低，另一方面，由于各功率單元整流電路相互獨立而不影響其他各相的正常運行。 裝置控制系統(tǒng)的軟、硬件設計控制系統(tǒng)是整個DSTATCOM裝置核心部分，控制著裝置的正常運行，而控制系統(tǒng)的硬件與軟件是控制策略與算法得以實現(xiàn)的載體。一方面，控制環(huán)節(jié)算法較多且流程復雜；另一方面，級聯(lián)型DSTATCOM要求控制系統(tǒng)具有較高控制精度，且由于裝置較小的時間常數(shù)要求，采樣頻率較高，很小的誤差就會造成裝置補償性能的下降，如采樣電路的相位移、脈沖寬度的偏差、脈沖傳輸導致的相移偏差等。因此，控制系統(tǒng)硬件電路的規(guī)劃設計、軟件程序的規(guī)劃設計是DSTSTCOM開發(fā)應用中關鍵部分之一。本課題研究的DSTATCOM裝置控制系統(tǒng)采用純數(shù)字化嵌入式控制平臺，其中處理核心控制算法的主處理器采用運算速度快、精度高、控制功能強大的DSP芯片TMS320F2812，而采用規(guī)模大、集成度高、可靠性強、編程靈活的FPGA芯片EP2C20來完成觸發(fā)脈沖生成、分配、傳輸、驅動、邏輯綜合與控制等功能，具體控制框圖如圖2所示。其中，主控制系統(tǒng)與底層各功率單元的控制系統(tǒng)通過光纖編碼通訊。圖2 級聯(lián)型DSTATCOM裝置控制框圖本課題研究主要步驟： 理論研究與仿真分析理論研究工作是本課題的重要組成部分。本課題所涉及的理論研究主要包括裝置主電路拓撲的研究、主電路參數(shù)設計的研究、控制策略與算法的研究，檢測理論與技術的研究以及裝置故障機理與容錯控制方法的分析研究等。首先對國內(nèi)外現(xiàn)有的課題相關理論資料進行收集整理、消化吸收，在此基礎上，結合本課題的研究方向與特點，通過仿真軟件工具（如MATLAB、PSCAD等）的仿真分析，研究并確定本課題DSTATCOM裝置的結構選型、參數(shù)設計方法以及各種理論算法與控制策略等。最后，對試驗樣機的運行數(shù)據(jù)進行分析研究，分析綜合裝置在各種試驗條件下、模擬故障狀態(tài)下的運行狀況和效果，以便對所用各種理論策略進行驗證以及發(fā)現(xiàn)和解決新的問題。試驗樣機的研制本課題所研究的DSTATCOM的相關理論算法、控制策略等關鍵技術，最后必須經(jīng)過實際裝置的運行試驗來驗證。該階段主要工作包括：裝置整體結構布局的規(guī)劃設計、基于IGBT功率單元模塊的設計、控制系統(tǒng)硬件電路、軟件程序的規(guī)劃設計、裝置的保護、自診斷監(jiān)測方法設計、元器件的選型采購、各功能模塊的調試、樣機試運行。課題研究的DSTATCOM試驗樣機相關參數(shù)如表1：表1 試驗樣機相關參數(shù)電壓等級1140V總容量100kVA最高諧波補償次數(shù)13次級聯(lián)單元數(shù)4+1樣機的試制委托江蘇安方電力科技有限公司。該公司承擔江蘇省電力公司重點科技項目（J2008057），是一家專門進行電能質量治理等相關產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)的公司，主要產(chǎn)品電網(wǎng)無功電壓優(yōu)化運行集中控制系統(tǒng)、電能質量監(jiān)測與數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)、動態(tài)無功補償裝置（SVC）等，擁有完善的電力試驗設備和一支專業(yè)、經(jīng)驗豐富的研發(fā)生產(chǎn)隊伍，為試驗樣機的成功研制提供了重要保證。參考文獻：1 劉文華，宋強，等. 基于鏈式逆變器的50MVA靜止同步補償器的直流電壓平衡控制J. 中國電機工程學報，2004, 24(4): 145-150.2 王江，王明，K. .M. 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