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[硕士论文] JAKPASU WILBERFORCE ELLOM
水利水电工程 扬州大学 2018(学位年度)
摘要:潮汐能是一种可预测的可再生能源,潮汐电站并入直流电网的方案对于全水下的功率变换系统更具优势。本研究的主要目的是提出一种适用于潮汐发电系统的多端口DC-DC转换器,该系统用于收集多端口潮汐驱动功率,并将收集到的电能转换并传输到30kV直流配电网络中去。
  文献综述回顾了用于汇流的多端口DC-DC转换器和直流微电网的技术发展状况,提出了一种适用于潮汐发电系统的多端口功率变换器。低速潮汐发电机的输出经过整流后将直流电通过短距离直流海缆送至直流汇流站,所提出的汇流站中的变换器由多个电流源逆变器(CSI),500Hz变压器和一个7电平输入模块化多电平转换器(MMC)组成;本文分别提出了移相式和脉宽调制式的能量传输调制方法,在多输入直流端口和中压直流母线之间传递能量,仿真证明提出的拓扑和移相能量传输方法可以高效汇流多发电机功率,可以成为水下潮汐发电的可选方案之一。
[博士论文] 刘星
船舶电气工程 大连海事大学 2018(学位年度)
摘要:近年来,能源需求日益增长,人们对电能质量的要求越来越高,利用电力电子变流装置来实现高质量的电能变换已经成为电力电子与电力传动领域的一个热门研究课题。有源前端变流器作为连接电网与用电设备的接口,其控制性能的优劣直接关系到电能变换的质量。因此,研究有源前端变流器的高性能控制问题具有重要的实际意义。本文主要研究工作包括以下几个方面:
  第一,针对传统有限控制集模型预测控制方式在控制过程中存在在线计算量较大导致控制指令的计算时间延迟问题,分别提出了基于无差拍预测控制策略和基于Lyapunov原理的简化有限控制集模型预测控制方法,引入矢量扇区判断方式,并结合电压空间矢量等效变换的原理,从而可以有效减少算法所需的在线寻优时间以及预测值计算次数,利于工程实现。
  第二,针对传统有限控制集模型预测控制方式在控制过程中存在过度依赖系统参数以及有源前端变流器输入滤波电感、等效电阻等参数失配时的高性能控制问题,提出了一种基于模型参考自适应在线参数辨识的有限控制集模型预测控制技术,从而有效避免了有源前端变流器在实际运行中因系统干扰、电抗器饱和以及温度变化等引起的模型参数失配。
  第三,针对传统有限控制集模型预测控制方式在控制过程中存在动态响应慢,以及电压外环PI调节器对控制对象参数变化比较敏感,且容易出现超调的问题,提出了一种基于动态给定设计的有源前端变流器有限控制集模型预测控制方式。该方法取消了电压外环的使用,从而避免了PI控制器参数的调节。在此基础上,结合简化有限控制集模型预测控制策略,不但减少了在线计算时间,而且有效改进了系统的动态性能。
  第四,针对传统有限控制集模型预测控制方式在控制过程中存在过高的开关频率将增加功率器件的开关损耗,降低其效率的问题,提出了一种具有低开关频率的有源前端变流器模糊有限控制集模型预测控制策略。该策略采用滞环控制的设计思想,引入模糊控制策略,在兼顾控制性能的同时有效地降低了功率器件平均开关频率,实现了低开关频率下的有源前端变流器的高效运行。
  第五,针对传统有限控制集模型预测控制方式在控制过程中存在权重因子选择困难的问题,提出了一种基于多目标优化的简化有源前端变流器有限控制集模型预测控制策略。该策略分别采用多目标平均等级排序以及多目标模糊决策的设计方式,从而在降低在线计算负担的同时,有效避免了权重因子的选择问题。
[硕士论文] 詹龙
电力系统及其自动化 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:科学与技术在国家的政策下得到了巨大的发展,与人们息息相关的电能显得无比重要,对电力的需求也不断的增多,鉴于以上因素,传统变压器随着电网规模的增大而出现难以满足的情形。固态变压器(Solid State Transformer,SST),是一种先进的装置,结合了高频变压器与电力电子技术,具有很大优势。如能量传递、电压变换、电气隔离及即插即用等功能,还能够保持电路进行单位功率因数运行。所以固态变压器具备了解决现代电力系统中诸多新问题的潜力,对于改善电网质量,建设数字电网和绿色电网具有重要的意义。
  本文基于固态变压器的基本思路,对模块级联型SST各部分进行分析与设计。提出与内模控制对消法相结合的双闭环控制方案,在电压外环中采用二自由度内模控制策略,鉴于电流内环中采用内模解耦控制方案来对系统进行设计。使电流具有快速跟踪性能,能够使输入电压、电流具有同相位,实现了输出电压低的畸变率,具有良好的电能质量。
  首先对固态变压器研究背景和发展现状进行了阐述,并且与传统变压器相比较后得出了固态变压器独特的许多优势。对固态变压器拓扑结构、运行时的基本思路进行介绍与分析。接着阐述了模块级联型SST的输入级、中间隔离级和低压输出级三部分的运行特性,建立了等效数学模型。其次,将所提出的控制策略对模块级联型SST系统进行设计,并且给出了各种控制策略的控制框图。最后在Matlab/Simulink环境下搭建模块级联型SST的仿真系统进行仿真实验。
  鉴于以上的阐述,本文对模块级联型SST的基本思路、数学模型、调制策略及控制策略等方面进行了详细的分析与设计。仿真结果表明,所提控制策略使系统达到了预期的控制效果。
[硕士论文] 任敏
电气工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:在变压器的运行过程中,配备了多种保护,本文重点研究的是变压器的纵联差动保护,它作为变压器的主保护,其重难点问题就是区分变压器的励磁涌流和短路电流,防止误动,防止拒动。判断变压器是否发生故障,要从信号中得到故障信息,对信号采取合适的分析方法,从而实现故障的有效诊断。对电力系统的信号分析有很多种方法,但传统的方法都存在一些缺陷,比如傅里叶变化对非线性信号的分析不理想,经验模态分解算法的特殊性缺乏数学理论依据,小波方法又有硬性带宽的限制,并且在大多数的方法中,递归筛选不允许后向纠错,对噪声的处理也不理想,而变分模态分解可以很好的弥补这些传统信号分析方法存在的不足。本论文完成的研究工作主要包括以下几个方面:
  1、根据参考文献利用Simulink库中的电气元件,分别搭建出双电源变压器空载合闸和内部故障短路的模型。在空载合闸的仿真模型中,将A相的初相位设置为0°进行仿真,得到变压器一次侧的励磁涌流的电流波形;在短路故障的仿真模型中,将故障设置为A、B两相短路,从而得到变压器一次侧的短路电流波形。
  2、从变分模态分解算法和模糊熵的原理出发,对所得波形进行分析。选取所得的励磁涌流和短路电流中的各三相波形中的1000个采样点进行变分模态分解,分别得到10个本征模态函数,再对各个本征模态函数进行模糊熵运算,发现励磁涌流和短路故障情况下所得到的三相总熵值差距明显,且在A、B两相短路的情况下,A、B相的模糊熵值与C相的模糊熵值有明显差异,从而验证了本文所提方法的可行性与准确性。
  3、为了进一步说明本文所提方法的优越性,本文在最后采取了基于经验模态分解与模糊熵相结合的方法对实验的全部过程进行了重复操作,将得到的实验结果与先前基于变分模态分解与模糊熵相结合的方法得到的实验结果进行对比分析,验证了本文所提方法的优越性。
[硕士论文] 徐红城
电气工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:随着传统化石燃料大量开发利用,不仅导致了能源紧缺问题,还引起了环境污染问题。因此加大对新能源的开发利用已成为解决这两大问题的有效措施,而在新能源发电中,并网逆变器是核心的装备,其性能的好坏直接关系着并网电能的质量,所以多年来对并网逆变器控制策略的研究一直是研究的重点。模型预测控制是当前应用到并网逆变器的一种新型控制方法,通过编制程序实现控制,具有较好自适应性和稳定性,不需要像传统的基于PI控制调节参数和PWM调制模块,控制简单,可以更好的提高并网电能的质量,已成为现在研究的热点。
  首先,介绍了并网逆变器的分类、发展趋势、国内外发展现状。并网逆变器控制技术:对调制技术进行分析,选取的是SVPWM调制技术;对拓扑结构进行分析,选择的是电压源型;对传统的各种控制策略优缺点进行详细分析,介绍了模型预测控制算法并分析了它的优势。本文的研究内容主要是对并网逆变器的电流控制技术和功率控制技术研究,选择传统的基于PI调节的控制方法和采用的模型预测控制方法进行对比,分析可行性和优越性。
  然后,对三相并网逆变器的数学模型、矢量控制进行详细分析;对直流侧电压和交流侧滤波电感的参数设计;选择三相并网逆变器基于电流闭环的前馈解耦控制策略,详细分析其原理以及对PI参数的设计;对模型预测控制的基本原理、设计方法、算法特点进行详细分析;选择模型预测电流控制策略并详细分析其控制原理。用Matlab/Simulink仿真平台对上述的两种控制方法进行验证,两者都可以实现并网运行,模型预测电流控制的稳态性能和动态响应速度更好,畸变率更小,并网的质量更高。
  接着,对功率理论中的传统功率理论、瞬时功率理论进行详细分析;根据瞬时功率理论选择三相并网逆变器基于功率闭环的前馈解耦控制策略,详细分析其原理;根据上述的模型预测控制原理和瞬时功率理论选择模型预测功率控制策略并详细分析其控制原理。用Matlab/Simulink仿真平台对上述的两种控制方法进行验证,同样两者都可以实现并网运行,模型预测功率控制的稳态性能和动态响应速度更好,畸变率更小,并网的质量更高。
  最后,对所研究的内容进行总结,并展望接下来将会进行的工作。
[硕士论文] 楚军
控制工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:当今时代随着电力电子技术日新月异的发展,越来越多的电子产品相继问世,并在各行各业的发展中发挥巨大的价值效益与积极作用。电力电子电路通常是电源和电机驱动器重要的组成部分,若该电路模块发生了故障,将有可能导致整个系统的瘫痪而不能正常运行,进而造成巨大的经济损失甚至是人员伤亡。因此,为了提高系统的安全性,可靠性,最大程度的减小系统故障带来的损失,对电力电子电路进行故障预测技术的研究具有及其重要的理论意义和实用价值。
  本文主要研究了DC-DC开关功率变换器电路的故障特征参数的提取及系统故障预测方法,具体研究内容包括:
  1.研究了电力电子电路关键元器件的失效机理,通过分析元器件的等效电路模型和失效模式,确定了反映主要元器件性能退化状况的故障特征参数及其失效阈值。
  2.研究了DC-DC开关功率变换器的工作原理及外围元器件参数设置的具体方法,并对关键元器件进行了退化模拟,建立了参数退化曲线。最后通过系统仿真分析各关键元器件分别对系统输出电压均值,纹波电压值及功率损耗的影响,确定评估系统故障特征参数。
  3.研究了小波神经网络(WNN)和极限学习机(ELM)模型及算法实现,并提出一种新的基于WNN-ELM算法。以电解电容等效电阻ESR和电容值C的退化为例,通过分析对比WNN-ELM算法与WNN、ELM算法的预测相对误差值,确定了该算法的可行性。
  4.最后以DC-DC开关功率变换器为例,通过仿真得到1400组时间序列输出电压纹波值,分别采用WNN、ELM和WNN-ELM算法对其系统级故障参数进行时间序列预测,并实现了DC-DC电路系统级故障预测,分析确定本文提出的算法准确率更高。
[硕士论文] 高杰
电气工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:众所周知,变压器是电力系统之中至关重要的转换设备,其在传输电能方面扮演着自己重要的角色。其一旦发生故障,轻则引起区域性停电事故影响居民的正常生活,重则引起整个电网的瘫痪给社会发展带来严重影响。因此,对于变压器的准确监控以及其相应的故障预警功能的研究显现出其独有的实用价值。
  由于变压器本身特性的缘故,电磁量相对而言比较复杂,单一的故障诊断方法已经无法满足精确诊断的需求,针对这一问题,本文将PNN神经网络和遗传算法及粗糙集理论相结合进行变压器故障诊断。主要工作内容如下:
  首先,本文介绍了变压器故障诊断的基础性知识以及目前研究的情况,重点介绍了在其出现问题之时的特征及其反映,以为后面的分析奠定基础。
  其次,研究了最基本的三比值法,利用MATLAB建立仿真模型,并利用数据进行验证试验。然后,论文对广泛使用的人工智能算法进行了分析,并以Probabilistic Neural Network神经网络(简称PNN神经网络)为例,同样利用MATLAB建立仿真模型,将其所得之数据与上述三比值之数据进行比较,进而证明PNN神经网络之优越性。
  最后,采用遗传算法优化PNN神经网络的平滑因子,在一定程度上削减了极端数据对系统准确性的影响和判断;引入了粗糙集理论进入诊断,利用其约简的优势对诊断输入的特征量进行了处理,简化了概率神经网络的输入单元,解决了信息量较大,诊断过程时间较长的不足之处。
[硕士论文] 周强
电气工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:我国经济连续高速发展,用电负荷也不断增加,电网用电高峰与低谷的差距随之变大。而且新能源发电的并网也增加了电网的波动性,调峰问题日益严重。电网建设和电气设备选择都是按最大负荷为标准的,一天中高峰负荷时间占比小,在夜晚,大量电网设备不能发挥其能力,负荷的这种波动性使得电网资产的利用率下降,新建电力设施使投资变大,未来的电网将面临更大的挑战,需要大量储能装置参与削峰填谷。蓄电池的成本制约着电池储能的发展,近几年新能源汽车发展迅速,将退役电池应用于储能领域能大幅降低电池储能成本,再结合国家推出的阶梯电价制度,使用户侧使用退役电池储能装置参与电网削峰填谷成为可能。
  本文针对电池储能装置开展相关研究分析,首先阐述了电池储能变流器在用于移峰平谷时面临的成本问题,从而提出了将电动汽车退役电池应用于储能系统的想法,并分析动力电池再次利用在国内外发展的状况;第二,根据退役电池的特点,对储能用退役动力电池模组的BMS予以分析研究;第三,分析比较了PCS的多种拓扑结构,针对退役电池的特点采用由多个DC/DC模块和一个DC/AC组合的PCS拓扑结构,并分别阐述了DC/DC部分、DC/AC部分的工作原理;第四,针对本PCS用于用户侧移峰平谷的目的,研究了多种控制策略,最终选定下垂控制,根据每路退役电池的实际情况设定充放电下垂曲线;第五,分析与设计了系统的多个参数;第六,借助MATLAB平台,设计了PCS整体模型。对稳态、某路故障退出、并网过程分别仿真与分析。从MATLAB运行结果得到,下垂控制可以按照提前设计好的下垂曲线对电池组充放电,实现了对特性不同的退役电池组的功率分配。从并网和故障切换过程来看,系统性能达到了设计要求。
[硕士论文] 葛许良
电气工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:随着智能电网的提出,电力变压器向着智能化、特高压和大容量的方向发展,而变压器作为电力系统中最为关键的电力设备,其运行状况对整个电力系统的可靠运行将产生越来越重大的影响,所以及时准确地检测出早期潜伏性的故障,显得尤为重要。
  油中溶解气体分析(DGA)方法是被公认的预防和发现变压器故障最为有效的方法之一。为了实时监测变压器的运行状态,提高变压器故障诊断的准确率,本文在研究了电力变压器现有的监测方法和故障诊断方法的基础上,结合DGA方法,设计了油中溶解气体的在线监测系统。在建立特征气体样本集后,利用深度神经网络中的深度置信网络(DBN)方法,构建了分类深度置信网络(CDBN)诊断模型,进行变压器的在线故障诊断。本文的主要工作如下:
  首先,阐述了本课题的相关研究背景与意义,综述了变压器在线监测和故障诊断技术的研究现状,对目前系统存在的问题进行了分析,并确定出本课题的研究内容。
  其次,着重分析了变压器油中溶解气体和故障类型的关系,在此基础上,确立了以油中溶解气体含量来监测变压器运行状况的技术方案。设计了油中溶解气体的在线监测系统,选用STM32F103T8U6嵌入式单片机为主控制器,采用NB-IoT技术进行远程通信,并对系统所需功能模块进行了电路设计及软件开发。
  最后,在建立好样本集的基础上,构建了基于CDBN的变压器故障诊断网络模型。利用MATLAB平台对所建立的模型进行实验仿真,调整模型参数,确定出该网络的层数、迭代次数等。参数确定后进行系统测试,在样本集数量不是很大的情况下,诊断准确率能达到94%左右,结果表明CDBN诊断模型应用在变压器的故障诊断方案中是有效可行的。
[硕士论文] 景佳佳
电力系统及其自动化 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:光伏并网逆变器作为太阳能光伏电池板与公用电网的关键性接口装置,其控制策略选择和输出滤波器的性能将直接决定逆变器输出的电能是否满足并网标准。随着太阳能光伏并网发电技术向着大规模、高压及大功率方向转变,传统两电平拓扑结构由于器件耐压条件的限制而难以适应这种并网环境。与传统的两电平并网逆变器相比,三电平并网逆变器各桥臂功率管承受电压低、并网电流畸变率小等优点,在目前高压、大功率并网环境中得到广泛应用。然而,三电平光伏并网逆变器功率管数目和控制目标较多,为了提高其并网的性能及效率,提出一种可用于此拓扑的改进型FCS-MPC(Finite ControlSet Model Predictive Control,有限集模型预测控制)策略。与传统脉冲宽度调制策略相比,该方案不需要复杂的控制器参数整定,且易实现多目标优化控制。主要研究内容如下:
  (1)在已有文献基础上,分析三电平光伏并网逆变器主要拓扑结构分类及各自构成特点。重点对T型三电平光伏并网逆变器拓扑结构,及在两相静止坐标系下建立其数学模型,并对其换流过程及工作原理进行详细介绍。
  (2)在分析模型预测控制基本原理的基础上,建立T型三电平光伏并网逆变器的离散预测模型,并对传统FCS-MPC策略存在的延时及两步预测本身的局限性问题,给出有效解决方案。
  (3)针对T型三电平光伏并网逆变器的直流分压电容中点电位不平衡缺陷,采用改进FCS-MPC策略进行分析。在系统指标函数中加入中点电位平衡控制目标,并优先选择使得中点电位偏移最小的开关状态组合,并在下一时刻作用于T型三电平光伏并网逆变器,在此基础上给出系统综合控制原理框图。通过仿真,验证了改进FCS-MPC策略的正确性和有效性。
  (4)非隔离型T型三电平光伏并网逆变器会产生共模电压。本文在保证T型三电平光伏并网逆变器中点电位平衡控制的基础上,采用FCS-MPC策略对共模电压进行抑制。进一步将共模电压抑制目标加入到系统综合指标函数中,对系统综合指标函数进行优化。通过调整综合优化指标函数中各控制目标的权重因子,实现逆变器的最优输出。最后建立系统仿真模型,结果表明:改进FCS-MPC策略有效解决了直流分压电容中点电位不平衡缺陷,并大幅降低了共模电压幅值,提高了并网电流的波形质量。
[硕士论文] 刘星
电气工程 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:近年来,随着电力系统电压等级的不断提高和电力系统规模的不断扩大,STATCOM(Static Synchronous Compensator,静止同步补偿器)也不断向高压大容量方向发展。MMC(Modular Multilevel Converter,模块化多电平变流器)由于级联子模块较多,其输出电压更接近正弦波,谐波含量极低,当它用于并联无功补偿时不会给电网带来巨大的谐波污染。因此采用更先进的控制策略对模块化多电平变流器进行控制,提高STATCOM对电网无功补偿的性能有着十分重要的意义。
  针对MMC子模块电容电压平衡控制问题,本文通过对MMC内部能量变化和转移的机理进行分析,提出了基于能量分析的MMC-STATCOM电容电压三级平衡控制策略;针对MMC控制器动态性能差的问题,本文首先利用反馈线性化理论对MMC-STATCOM系统进行解耦,然后设计了内外环双滑模控制器。具体研究内容如下:
  (1)系统地介绍了MMC-STATCOM的工作原理、数学模型和无功电流检测方法。
  (2)对MMC中相与相之间、上桥臂与下桥臂之间、子模块与子模块之间能量变换和转移机理及特性进行了深入分析。详细探讨了影响MMC能量平衡的决定因素,又采用了基于准PR控制器的二倍频环流抑制策略,在此基础上,借鉴了三级能量平衡控制策略,实现了电容电压的平衡控制。
  (3)对反馈线性化理论和滑模控制原理进行了介绍。针对MMC-STATCOM系统非线性强耦合的特点,利用反馈线性化原理,将复杂的非线性系统解耦并降阶为一阶线性系统,然后对此系统设计了电压外环滑模控制器和电流内环滑模控制器,实现了对无功补偿和无功发生的控制。
  (4)搭建了基于MMC的STATCOM仿真模型,分别对本文所提出的三级电容电压平衡控制策略和双滑模控制策略进行仿真分析研究。仿真结果表明:通过采用文中所提的电容电压平衡控制策略,能够减缓系统遭受相间负载不平衡大扰动后的电容电压波动,从而抑制由于三相不平衡所引起的STATCOM脱网运行事故,有效提高了MMC-STATCOM的安全稳定运行能力;此反馈线性化解耦的双滑模控制策略在系统运行于无功补偿工况和运行于无功发生工况时都具有良好的动态响应性能。
[硕士论文] 王田戈
电力系统及其自动化 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:随着用电负荷的快速增长以及大容量输电需求的增加,超高压、长距离输电成为目前输电技术的重要发展方向。CRT(Controllable Reactor of Transformer Type,变压器式可控电抗器)作为一种新型可控电抗器,具有电流谐波小、响应速度快、容量连续可调的优点,近年来得到广泛的关注与研究。本文将磁集成技术引入CRT的结构设计,提出一种结构简单、易于拓展、装配灵活的CRT本体结构,具体内容如下:
  (1)分析CRT工作原理,介绍磁集成技术实现CRT高阻抗与解耦集成的基本原理。
  (2)基于CRT的单支路调节模式,以同心式CRT为研究对象,采用磁路计算法推导了不同负载下n绕组CRT的漏磁场计算通式。研究得出:随着负载投入,铁芯中的磁通逐渐向空气中转移;磁路法与有限元法在CRT漏磁场计算方面具有良好的一致性;磁路计算法在工程设计中具有简单、快速和容易的特点。
  (3)对现有磁集成CRT的结构特点进行分析,总结多控制绕组基本单元磁集成CRT的结构设计原则,并据此提出CRT的新型磁集成结构,即双控制绕组基本单元磁集成CRT。将双控制绕组基本单元磁集成CRT与现有磁集成CRT在多方面进行对比,以说明该结构的优越性。研究表明:多控制绕组基本单元磁集成CRT的结构设计原则对CRT结构设计具有一定的指导意义;双控制绕组基本单元磁集成CRT能够满足设计要求,且在体积、重量、结构复杂度等多方面具有明显的优越性与实用价值。
  (4)在忽略绕组漏抗与线阻的条件下,建立双控制绕组基本单元磁集成CRT的等效磁路与等效电路模型,并据此进行磁通和电流的定量分析及计算公式推导。基于场路耦合的有限元分析,对不同负载时铁芯中的磁场分布和各绕组电流进行仿真,并计算控制绕组容量利用率。研究表明:双控制绕组基本单元磁集成CRT能够实现从空载到额定负载的平滑过渡,且满足高阻抗、弱耦合的基本设计原则;此外,双控制绕组基本单元磁集成CRT结构简单、绕组容量利用率高,具有一定的实用性。
  (5)通过对双控制绕组基本单元磁集成CRT的成本、损耗与结构参数之间的关系进行分析,以其成本和损耗最小为优化目标建立结构参数的优化模型,并基于MATLAB遗传算法工具箱,对CRT的结构参数进行优化。研究显示:基于遗传算法优化后的CRT结构参数更加合理。
  (6)通过对双控制绕组基本单元磁集成CRT的损耗原理进行分析,基于有限元软件对CRT损耗进行计算,并将有限元法与解析法的损耗计算结果进行对比。结果显示:基于解析法和基于有限元法的CRT损耗计算,两者具有良好的一致性,从而验证两种方法的正确性。
[硕士论文] 柴佐时
电气工程 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:近些年国家对可再生能源利用的重视程度越来越高,同时社会对电能质量的要求以及对电能的供应需求也在逐渐提高,因此在大量建设超、特高压输电线路的同时必须考虑如输电线路损耗、系统无功不足、工频过电压、操作过电压等电能质量的治理问题。这就要求在系统上安装大量具有快速响应能力的可调无功电源来维持电力系统无功潮流平衡,减少损耗,提高供电可靠性。本文研究的MCR(Magnetically Controlled Reactor,磁控电抗器)是一种能够维持输电线路电压稳定的静止无功补偿设备。研究表明,MCR的绕组结构与其从空载到满载以及从满载到空载的过渡时间关系密切,为了能够起到限制过电压和补偿无功功率的双重功能,本文首先提出一种新型自励式MCR,通过数学建模、MATLAB仿真及样机实验,为MCR运行性能的进一步提升提供理论指导。其次,通过在MATLAB/Simulink中搭建500kV超高压线路仿真模型,研究了MCR对电力系统中不同种类过电压的限制情况,证明了MCR对持续时间较长的工频过电压和持续时间较短的操作过电压都能起到很好的限制作用。最后通过设计硬件电路和编写软件程序,完成了一款MCR的控制系统的制作。本文研究的具体内容如下:
  (1)首先,定性地分析和比较了不同绕组结构对MCR响应速度的影响关系并提出一种新型自励式MCR。之后,基于MATLAB/Simulink多绕组变压器模型,针对传统自励式MCR和新型自励式MCR的两种绕组结构,分别对比了它们从空载到满载、从满载到空载的响应速度关系。最后,通过在样机上进行实验,验证了理论分析及仿真实验的正确性。
  (2)之后,在MATLAB/Simulink中搭建了500kV超高压长距离输电线路模型、搭建了基于等效电路的MCR模型、搭建了工控中典型的PI控制系统模型,研究了在超高压长距离输电线路重载与轻载切换时MCR对工频过电压控制情况。其次,模拟了500kV超高压长距离输电线路在空载合闸、断路器重合闸时产生操作过电压的情况,分别给出了带有和不带有MCR时线路末端的过电压波形和MCR工作电流波形。结果证明,MCR不仅对工频过电压能够进行很好的控制,同时对操作过电压也有显著的限制效果。
  (3)最后,设计了一套以DSP为控制核心的MCR控制系统硬件:包括绘制各种用于信号采集、信号调理、电平转换、设备保护、脉冲驱动等等的外围电路原理图并完成了PCB板的设计、制作、测试。之后,完成了主控板中DSP软件程序的编写,包括:能够实现电压、电流、频率、过零点等电参量的采集或捕获;能够实现其他电参量以及触发角的精确计算;能够实现上下位机通讯;能够实现故障检测和报警功能,达到开环、闭环控制以及多参量模式的控制效果。设计了一款用于监控的触摸屏上位机界面并在MCR样机上进行开环、闭环实验,验证了控制系统可用性。
[硕士论文] 王金强
电力系统及其自动化 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:近年来,分布式发电因其发电方式灵活、能源利用率高等优点得到迅速发展。并网逆变器作为分布式发电与主电网的功率接口装置,其性能的好坏直接影响着分布式发电系统的可靠性和并网电流质量,LCL型并网逆变器由于其优越的高频谐波抑制能力成为目前的一个研究热点。考虑到处于偏远地区的分布式发电系统,较长的电能传输线路以及存在的大量变压环节给电网引入一个不可忽略的等效电网阻抗,致使电网具有弱电网特性。本文以基于LCL滤波的三相光伏并网逆变器作为研究对象,针对LCL滤波器的参数限制条件、LCL滤波器谐振尖峰的抑制方法、电网电压背景谐波对并网电流的影响、弱电网条件下并网逆变器稳定性分析等问题展开研究。
  首先,针对LCL型三相并网逆变器的拓扑结构,建立其在三相静止abc和两相静止αβ坐标系下的数学模型。依据LCL滤波器取值限制条件,设计LCL滤波器的参数并进行参数优化。
  其次,为解决LCL滤波器产生的谐振尖峰问题,采用电容电流反馈有源阻尼的方法,并给出电容电流反馈有源阻尼系数设计方法。引入了电容电流内环和并网电流外环的双环控制方法,利用准PR控制器作为外环控制器,跟踪参考电流,实现比PI控制更好的并网性能,设计准PR电流控制器参数,不需要反复试凑即可满足设计要求。为抑制电网电压背景谐波对并网电流的影响,推导出电网电压全前馈控制策略,并且分析电网电压全前馈各项函数对电网背景谐波的抑制作用。
  最后,对弱电网情况下的三相LCL型并网逆变器进行建模与分析。构建弱电网模型,分析电网阻抗对LCL型并网逆变器系统的具体影响,包括电网阻抗对LCL滤波器谐振特性和稳定性的影响。通过建立并网逆变器的小信号模型,介绍了一种阻抗分析方法的稳定性判据,可应用到考虑电网阻抗条件下判断并网系统的稳定性。为了提高并网电流波形质量和系统稳定性,本文提出了并联虚拟阻抗的方法。仿真结果表明本文提出的虚拟阻抗方法在电网阻抗宽范围变化时仍能保证并网逆变器稳定工作,并且可以保证并网电流满足谐波标准。
[硕士论文] 史彤彤
电力电子与电力传动 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:输配电网络规模的扩大和电网互联程度的提高在满足电力负荷增长,电能质量提高,供电可靠性增强的同时导致了系统中某些节点的短路电流严重超标,当短路电流超过断路器的最大遮断容量时,系统运行的安全性将受到威胁。传统的限流措施虽然能在一定程度上限制短路电流的增大,但存在降低供电可靠性、灵活性,增加网损的缺点,并不能从根本上解决问题。随高温超导材料的问世及超导电工技术的发展,饱和铁心型超导限流器(Saturated Iron-core Supercondutive Fault Current Limiter,SISFCL)以稳态低阻抗、故障时阻抗转变迅速、限流态高阻抗、限流过程不失超的优点被重点关注。
  SISFCL的接入既能保全电力互联带来的好处,又能最大程度的限制短路电流,使系统始终处于安全稳定的运行状态,而电力系统短路故障时SISFCL作为一个感性阻抗,在限流的同时又会对电气量的测量造成干扰。为推进SISFCL在电力系统中应用,有必要研究它与电力系统的一系列兼容性问题,如SISFCL与输电线路距离保护的配合问题。
  本文对220kV SISFCL与输电线路距离保护的配合进行分析研究,首先概括了超导技术的发展及应用,超导限流器的分类;其次总结了SISFCL的发展及国内外研究现状。
  再次,详细的介绍了SISFCL的结构及其工作原理,在ANSYS Maxwell有限元分析软件中建立了SISFCL的几何模型,采用解析法及能量法计算得到了超导限流器的稳态及限流态阻抗随交流绕组电流的变化情况;利用几何参数及数学模型在PSCAD软件中建立了SISFCL的仿真模型;将SISFCL接入高压输电线路中,仿真计算了故障电流缩减率,并分析了它对输电线路纵连电流差动保护、零序电流保护的影响。
  最后,以单电源供电系统为例分析了SISFCL对输电线路各段距离保护的影响,介绍了重设整定值、实时调整阻抗圆、改变接线方式三种提高超导限流器与输电线路距离保护配合的方法,并对三种方法进行了仿真验证,为饱和铁心型超导限流器在电力系统中的应用提供参考。
[硕士论文] 姚华实
电气工程 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:随着现代可控变换电力电子技术的快速发展,人们的生活质量得到提到,从中受益。但由于非线性动态负载所带来的谐波污染等问题,会使电能质量的利用降低。而有源电力滤波器(Active Power Filter,APF)不仅能提高电能质量的利用,而且在无功补偿及动态谐波抑制等方面效果显著。
  针对APF投入电网时直流侧电容电压和交流侧电感电流存在着启动瞬时冲击而造成交直流侧电感、电容等元器件损坏及开关保护装置动作误差等问题,本文展开分析研究。通过启动限流电阻加PI控制的传统方法,存在着启动时间长、硬件成本高,因此需要更为先进、有效的控制策略对启动过程进行时间上的最优控制。针对传统PI控制的缺点,本文提出多种控制算法进行改进。通过不同控制算法的仿真结果对比分析,说明了各个控制算法在交直流侧并网抑制冲击的有效性。本文内容分以下四个模块:
  (1)首先选择三相并联型APF为系统模板,讲述了系统的基本工作原理、大致分类,重点讲述了几种基于瞬时无功功率理论的谐波检测法。然后设计并建立了APF的数学模型,为接下来研究并网抑制冲击的控制算法做了铺垫。对于一些重要的系统参数,如:直流侧电容、电压,交流侧电感做了取值分析。
  (2)基于对称分量法和瞬时能量法的理论推导,分析了直流侧电容电压启动时的波动最大幅值和波动畸变率。对于并网启动瞬间电压冲击过大的问题,提出选用时间最优的Bang-Bang控制算法来抑制冲击,对于稳定后的纹波电压,通过偏差阀值和模糊规则切换到模糊PI来进行消除。通过仿真实验对比分析,相比通过用预充电电阻或PI控制等传统方法,采用新的改进算法,并网抑制冲击效果较好,实现时间上的最优控制。
  (3)对于交流侧电感电流并网瞬时冲击过大的问题,首先通过对有功和无功电流进行了详细的冲击过程理论分析,建立了目标函数,然后分析了基于电压外环和电流内环的双环分段启动分析,结果表明不能做到时间上的最优控制,存在延时缺点。最后是基于三相电流前馈解耦逐步增压的新型控制算法来降低并网电流端的瞬时冲击,抑制冲击电流效果最好,基本无冲击毛刺,且所用稳定时间较少。最后皆在仿真中验证了有效性。
  (4)介绍了几种电力电子设备中常用的并网软启动方法,最后针对不同电容、电感值对系统并网启动的影响进行了仿真验证,确定了合适的参数值。
[硕士论文] 张宁
电力系统及其自动化 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:CRT(Controllable Reactor of Transformer Type,变压器式可控电抗器)是一种新型的无功补偿装置,其结构简单,谐波含量小,响应迅速,并且能够大范围连续平滑地调节输出容量。CRT特别适用于长距离、大容量的输电线路,确保输电线路中容性无功与感性无功的平衡,抑制工频过电压,维持线路末端电压稳定。
  CRT的本质是多绕组变压器,通过控制晶闸管触发角的大小来改变CRT的等效电抗,因此,控制系统的性能直接影响着CRT的补偿效果。本文针对CRT的控制方法进行了深入研究,主要内容为CRT解耦方式的选择,解耦工作模式下CRT样机工作绕组电流与各控制绕组晶闸管触发角的关系计算,基于PI控制器的CRT电压控制系统设计,基于模糊PI控制器的CRT电压控制系统设计。具体内容如下:
  (1)分析CRT现有的两种解耦方式的原理及优缺点,并综合考虑成本和实现的难易程度,最终选择了基于解耦工作模式的解耦方式。
  (2)通过查阅文献,得到一种根据CRT结构参数来计算自互阻抗的方法,结合CRT样机的结构参数,计算出CRT自互电感矩阵。根据CRT工作绕组额定电压和各绕组额定电流,计算出CRT的限流电感大小,最后求得在解耦工作模式下,CRT工作绕组电流与各控制绕组晶闸管触发角之间的关系。
  (3)根据CRT电压控制原理,在实验室环境下搭建了CRT电压控制系统仿真模型,通过工程最佳整定法得到PI控制器参数。由于CRT工作绕组电流大小与各控制绕组晶闸管触发角之间存在非线性关系,因此引入查表环节,使得PI控制器输出的电流参考值与CRT工作绕组实际的电流值之间保持线性关系。
  (4)在基于传统PI控制器的基础上,针对CRT的精确数学模型不易求得及CRT在不同工况下控制器参数不能自动进行修正的问题,本文引入模糊PI(Fuzzy-PI)控制器,模糊控制最大的特点是不依赖被控对象的精确数学模型,可以很好改善整个系统的动态性能,但单纯的模糊控制稳态误差较大,因此将模糊控制与传统PI结合。模糊PI可以根据系统误差及误差变化率来在线调整PI控制器的参数,使其工作在较佳工作状态。
[硕士论文] 陈庆花
电力电子与电力传动 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:随着科学技术的日新月异,电力电子技术得到了长足地发展,其装置已经应用到包括国防、民用、农业生产等各个行业。由于开关器件以及反馈控制系统等的存在,使得电力电子变换器成为一种强非线性系统,其系统工作在某些特定的条件下时会出现分岔、混沌等非线性现象,对电力电子变换器的使用寿命和工作状态产生了严重的影响。逆变器作为电力电子变换器的重要组成部分,对其中存在的非线性现象的研究具有重要的工程实际意义和学术价值。
  本文在分析各国学者研究的基础上,以准比例谐振(Proportional Resonant,PR)调节下的单相逆变器以及三相并网逆变器为研究对象,对其中存在的非线性现象进行了深入地分析与研究。
  (1)首先对基于准PR调节器的单相一阶全桥逆变器进行了分析,利用频闪映射方法对其主电路以及控制回路进行数学建模。以比例系数为分岔参数,得到系统分岔图、雅克比矩阵特征值轨迹以及折叠图和Simulink仿真波形图,对其中的非线性现象进行了分析;以比例系数和积分系数为双分岔参数,通过MATLAB仿真得到了双分岔参数下的系统稳定区间。然后在一阶逆变器的分析基础上对基于准PR调节器的单相二阶双闭环全桥逆变器进行了分析,推导出了系统的离散数学模型,通过分析系统分岔图、雅克比矩阵特征值轨迹以及折叠图和Simulink仿真波形图,得出相关结论,并建立了系统三分岔控制参数下的稳定区间。
  (2)在上述研究的基础上,将逆变器非线性现象的研究从单相无源逆变器推广到三相并网逆变器。在αβ坐标系下建立了基于准PR调节器的三相LCL型并网逆变器的离散数学模型,并对逆变器系统进行了数值分析以及稳定性分析,得到系统调节器的参数稳定区间。通过分岔图和系统雅克比矩阵特征值轨迹确定了系统分岔类型和振荡频率,用Simulink电路仿真验证了三相并网逆变器非线性分析的正确性。
  (3)运用时延反馈控制法(Time-Delayed Feedback Control,TDFC)和二阶带阻滤波器对逆变器中的非线性行为进行控制。建立系统离散数学模型下的雅克比矩阵,根据雅克比矩阵特性,利用MATLAB数值计算确定两种控制方法中的合适参数,通过Simulink仿真验证了两种方法的正确性。
[硕士论文] 范路
电气工程 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:为应对能源短缺和环境污染,以风能和太阳能为主的分布式发电系统得到迅猛发展。作为分布式发电系统的核心器件—并网逆变器亦受到广泛关注。分布式发电系统并入电网之前需经过较长的输电线路及多级变压环节,使电网表现出弱电网特性,弱电网下电网阻抗会对并网逆变器系统稳定性产生不利影响。本文以弱电网下LCL型并网逆变器为研究对象,详细分析电网阻抗对并网逆变器系统稳定性的影响,结合电网阻抗检测技术提出前馈相角提升方法,以提高并网逆变器系统对电网阻抗的适应能力,改善并网电流的电能质量。具体研究内容如下:
  (1)理想电网条件下,给出并网逆变器的拓扑结构,建立LCL型并网逆变器数学模型,由于LCL滤波器存在谐振,易导致并网逆变器系统不稳定。因此,本文采用电容电流反馈有源阻尼法,通过在反馈电容电流中加入反馈常量来抑制谐振尖峰,保证并网逆变器系统的稳定。
  (2)针对传统PI电流调节器不能有效跟踪交流信号且存在稳态误差的问题,本文采用能够实现无静差跟踪交流信号特点的PR电流调节器,并对PR电流调节器参数进行设计,保证系统具有足够的稳定裕度。
  (3)在保证理想电网条件下LCL型并网逆变器系统稳定的基础上,建立弱电网LCL型并网逆变器系统模型,从频域角度,分析电网电阻和电网电感变化对系统稳定性产生的影响,得出电网电感增加是导致系统稳定性下降的主要原因。
  (4)为提高弱电网下并网逆变器系统的稳定性,建立基于有源阻尼法LCL型并网逆变器输出阻抗模型,并结合电网阻抗检测技术,提出前馈相角提升方法并给出详细参数设计步骤。该方法可以在不改变并网逆变器输出阻抗幅值的前提下,最大程度提升电网阻抗与并网逆变器输出阻抗交截处的相角,以满足系统对稳定裕度的要求。最后,对弱电网下LCL型逆变器系统进行仿真研究,结果表明:阻抗变化情况下前馈相角提升方法能够有效保证并网逆变器系统的稳定性。
[硕士论文] 李坤奇
控制理论与控制工程 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:PWM整流器因其具有能量双向传输,网侧电流正弦化,单位功率因数等特点,可以实现电能的绿色转换,所以被广泛的应用于工业生产中。本文对PWM整流器在平衡电网以及不平衡电网下建立相应的数学模型,并阐述相关参数的设计。
  通常,对于处在电网电压不平衡故障时的三相PWM电压源型整流器,可以将输入电压等效成三相对称的正、负序以及零序电压之和。这一方法需要进行复杂的坐标变换,且不能同时对网侧电流和直流侧电压进行控制,本文基于扩展瞬时功率,提出如下两种在静止坐标系下对PWM整流器的控制策略。
  (1)首先,对扩展瞬时功率下的整流器进行功率分析,得出不平衡电网条件下单位周期内的网侧电感吸收和释放能量不一致,进而,提出一种静止坐标系下的输出功率方法;扩展无功率的计算中涉及延迟量的求取,传统的方式是延迟1/4周期法,该方法容易对系统引入时间延迟,本文对此进行改进;考虑到电流内环的PR控制器在实际生产中较难计算参数,本文将准PR控制与PR控制器进行对比,分析得到准PR控制器在谐振频率处可以实现正弦信号的无静差控制,故用准PR控制器代替传统的PR控制器。
  (2)首先,对PWM整流器建模分析,获得静止坐标系下的预测功率控制模型;其次,通过使单位周期内的有功功率和无功功率等于给定的参考值,获得控制电压的矢量表达式,并推导出可以满足不平衡电网条件下整流器控制要求的功率补偿。
  对所设计的两种方法,在Matlab/Simulink上搭建相应的仿真模型,通过仿真验证这两种方法的正确性和有效性,并将仿真结果进行比较分析。
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