硕士电气自动化毕业论文范文十篇

本文是一篇电气自动化论文，电气工程与自动化专业是理、工、文相结合，融机械工程、艺术学和计算机设计于一体的新型交叉学科专业之一。主干学科包括电子工程、计算机科学与技术、控制科学与工程。（以上内容来自百度百科）今天为大家推荐一篇电气自动化论文，供大家参考。

 

 

1  绪论 

 

1.1  课题的研究背景及意义 

在当今世界，电能在人们的生活中有着举足轻重的地位，它不仅影响工农业生产，更是推进科技进步、促进社会发展的必要条件。随着科学技术的不断发展，应用电能的设备越来越多，电能将逐步地替代石油、煤炭等一次能源，形成全球能源向电能转型的新格局。另外，人们日常生活中对电能依赖性也越来越强，使得世界范围内对电力的需求在不断增加，为增大电网容量满足电力需求，电网规模也在不断扩大。然而大规模的电力系统也存在着成本高，运行、检修、维护难度增大，难以适应用户多样化的供电需求等弊端[1]。近年来世界各地陆续发生了多起大规模停电事故，如 2003 年的美加大停电，2006 年的欧洲电网事故，2012 年的印度停电事故等[2-5]，更加凸显了大电网难以适应用户越来越高的安全和可靠性要求，而且事故容易通过互联的电网，引起连锁反应导致大面积的停电[6]，给国家以及社会造成重大的难以估计的损失。 另一方面，进入 21 世纪以来，世界范围内能源供应持续紧张，能源安全问题也逐渐受到政府以及学术界的高度关注[7]，而且以燃烧煤、石油等化石原料的火力发电所带来的环境问题也愈加严重，例如：全球的气候变暖以及我国最近几年出现的雾霾天气，如今电力行业已经成为重污染行业之首[8]。开发利用清洁能源和可再生能源（太阳能、风能、生物能等）是解决目前问题的最有效的手段，利用清洁能源发电的发展潜力巨大，其将成为世界的主要能源，因此也成为了目前电力发展与研究的重要方向。随着近些年的技术突破，分布式发电（distributed generation，DG）技术日趋成熟，然而分布式发电仍有着自身的不足之处，如 DG 发电单元中光照与风速均不可控，且单机并入电网成本较高，另外对 DG 单元的控制更为复杂等。为更好的发挥 DG 节能、环保、可再生的优点避免 DG 单元的负面影响，以及提高大电网的供电可靠性与自愈能力，最好的办法是将分布式电源和与之对应的负荷看成一个小的发电系统即是——微电网[9]。 微电网的概念最早是由美国在 2002 年的电力技术可靠性技术解决方案协会（CERTS）上正式提出的  [10,11]，在其发展过程中各国也结合本国国情加入了各自的特点来丰富微电网的概念[12]，微电网是具有发电、送电、用电一体化的小型系统，它与传统电网的不同是电源为分布式发电，且有储能系统起后备以及调节的作用[13-17]。国外对微电网的研究相对国内要早一些，技术水平也相对成熟，国内对微电网也仅存在于示范工程，并没有实际投入使用，然而要投入使用并与大电网相连，其微电网中的电能质量是否达到国家要求标准是一项重要的考核指标。 

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1.2  国内外相关技术发展现状

微电网是相对于大电网来说的，但微电网并不等同于早期低电压等级的大电网，微电网有其鲜明的特点，微电网是以分布式发电作为电源；并具有储能系统作为调节；有两种运行模式：①与配电网并网运行，②孤岛运行。因此对微电网的电能质量问题的研究也可以等效为对其两种运行模式分别分析[19,20]，即并网运行时由于配电网的运行变化对微电网电能质量产生的影响；以及孤岛运行时由于微电源以及电力电子设备等对微电网中的电能质量的影响。在微电网由孤岛运行模式切换到并网运行模式时，由于并网运行前微电网与大电网电压幅值不同，因此需要通过储能装置调节稳定微电网电压，但是这个过程往往使微网电压波动超过 5%，从而影响微网电能质量[21]，另一方面并网运行时配电网中的三相不平衡以及谐波都会从公共连接点 PCC（Point of Common Coupling）渗透到微电网中从而影响微电网电能质量。在微电网孤岛运行模式下，由于微电网自身容量相对较小，不能像大电网一样看成是一个电压与频率保持不变的无穷大电源，因此其抗干扰能力也十分薄弱，更容易受到非线性负载以及电压突变等外界因素的影响，从而影响微电网电压、频率、波形的稳定性。 另一方面，由于分布式电源中的光伏发电、风力发电受自然条件的影响较大，是不可控的[22,23]，具有随机性、波动性、间歇性等特点，也是影响微电网电能质量的重要因素。因此对微电源的结构以及发电原理分析也成为了微电网电能质量问题分析的研究热点和重要方向[24-26]。电力电子技术的应用使微电网的运行十分灵活，而这也是微电网产生电能质量问题的原因之一，逆变器作为微电网中的核心部件，也是目前的研究重点[27,28]。 

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2  微电网的基本结构及其电能质量问题分析 

 

微电网以及相关技术的发展受到了世界各国的高度重视，微电网在电力系统中的地位也显得越来越重要。微电网的电能质量是否达到国家标准直接关系微电网能否投入使用。微电网有着发电多样性、结构特殊性等特点，使得微电网电能质量问题的产生与传统电网相比也有着较多的不同之处。微电网存在两种不同的运行模式，因此其电能质量问题既受微网内部微电源、变流器、非线性负荷的影响，也会受到配电网负荷变化、运行故障等其它因素的影响[38]。为保证微电网安全、稳定、有效地运行，因此需要对微电网中电能质量问题的产生原因进行细致分析。本章将根据微电网的基本结构，以及其自身特点来分析微电网中的电能质量问题，以便更好更有针对性地改善微电网供电质量。 

 

2.1  微电网的基本结构 

微电网是由微电源、储能系统、负荷、监控以及保护装置组成的一个小的发电系统。目前国内外微电网的发展已经有了一定成果，微电网的基本结构也趋于成熟，由于每个示范工程的不同，微电网的结构也有一些细微的不同。本文所研究的是一种低压微电网，具体结构如图 2.1 所示。根据图 2.1，可以看出整个微电网结构为放射式接线，由一条母线以及 A、B、C 三条馈线组成，并通过公共连接点 PCC（Point of Common Coupling）与大电网相连，通过控制 PCC 处的微网络主分离器的投切操作来实现并网与孤岛运行模式平滑切换。当微电网并入大电网时，微电网电能通过 PCC 流入到主网当中，因此 PCC 处流过的电能质量必须达到国家要求指标。     微电网负荷分为三种，即敏感负荷、可调节负荷、可中断负荷，它们分别连接在馈线 A、C、B 上。这种分类方式与传统电网中的一级负荷、二级负荷、三级负荷的分类方式相同。馈线 A 上所连接的为敏感负荷和热负荷，采用光伏电池以及风力发电机为负荷提供电能，由于敏感负荷在电压发生变化或者突然变动将导致微电网中的负荷和设备不能工作或工作能力下降，因此微电网中应首先满足此类负荷需求。馈线 B 上未接有微电源，其连接的可中断负荷直接由配电网送电，当电网处于高峰状态或紧急状态时可以通过切断此类负荷来缓解电网压力维持电网稳定运行。馈线 C 上连接可调节负荷，通过燃气轮机与燃料电池共同供电，必要时可对本类负荷进行调节以达到网络功率平衡的需求。 在微电网结构中还应配置能量管理器、潮流控制器以及保护协调器。能量管理器为用于管理整个微电网运行的数字计算机系统。潮流控制器则是根据微电网的潮流分布对微电源进行就地调节，从而实现全网的功率平衡。保护协调器即为整个微电网提供继电保护，为微电网的安全稳定运行提供保障。 微电网结构有其自身的特点，其电能质量问题的产生也有别于传统大电网，下面将具体分析微电网产生电能质量问题的具体因素。 

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2.2  微电网中电能质量问题及国家要求标准

频率是衡量电力系统电能质量好坏的一个重要指标，必须实时检测，以达到能够及时反馈进行控制的目的。只有控制其在允许范围内波动才能保证系统高效稳定运行，否则将会对系统以及用电负荷带来严重的危害。 正常运行应保持频率为 50Hz 不变，但由于微电网中微电源功率输出的不稳定性以及负荷的不可预测性变化, 在微电网内很容易产生频率波动，而且由于频率调节指令与负荷波动总存在时间延迟，因此频率的波动属于连续变化的。频率波动问题在微电网由并网运行切换回孤岛运行时表现的更为明显，因为在并入配电网运行时可将配电网看成一个电压频率恒定不变的无穷大电源，以此作为微电网频率稳定的有力支撑。在孤岛运行模式下，要将频率稳定在国家标准范围之内，则需要对微电源采取有效控制策略，同时还要应用微网内的储能系统进行调节[42]。根据国家标准规定，电力系统的额定频率为 50Hz，正常运行下其值的波动幅度不能超过±0.2Hz～±0.5Hz，但为了确保微电网能够安全稳定地运行，要求负荷及功率波动引起的频率偏差不能超过±0.2Hz[43]。 

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3  微电网谐波识别方法的研究 ...... 18 

3.1  谐波检测技术的发展及方法分析 .... 18 

3.1.1  基于傅立叶变换谐波检测方法分析 ...... 18 

3.1.2  基于小波变换谐波检测方法分析 .......... 19 

3.1.3  基于瞬时无功功率理论的谐波检测分析 ...... 21 

3.2  基于瞬时无功功率理论的两种谐波检测方法分析 ........ 22 

3.3  瞬时无功功率理论 ip-iq谐波检测法的仿真模型建立 .... 22

3.4  本章小结 .... 28 

4  微电网中谐波抑制方法的研究 .......... 29 

4.1 LCL 型滤波器的分析 ........ 29 

4.1.1 LCL 型微电网逆变器的结构及数学模型 ...... 29

4.1.2 LCL 滤波器的设计 .......... 32 

4.2  有源电力滤波器进行谐波抑制的方法研究 .... 33

4.3  有源电力滤波器优化改进方法研究 ........ 37 

4.4  本章小结 .... 39 

5  系统仿真及结果分析 .......... 40 

5.1  微电网谐波抑制方案 ........ 40 

5.2  微电网谐波主动抑制的仿真建模 .... 40 

5.3  微电网谐波被动抑制的仿真建模 .... 43

5.4  本章小结 .... 46 

 

5  系统仿真及结果分析

 

通过以上几章对微电网电能质量的分析，以及对微电网谐波抑制方法的研究，本章将通过应用 Matlab/Simulink 中的 PowerSystems 模块搭建微电网谐波抑制的仿真模型，通过仿真验证采用 LCL 型并网逆变器与 APF 相结合的策略对微电网谐波抑制的效果与可行性。  

 

5.1  微电网谐波抑制方案 

根据前几章节的分析，微电网中谐波主要由并网变流器件以及所接入的非线性负载产生，本文采用如图 5.1 所示的谐波抑制方案。在此微电网中包含有非线性负载以及线性三相对称负载。通过 LCL 输出滤波器来减少微电源及逆变器产生的谐波分量，通过APF 主要抑制非线性负载产生的谐波电流。从而达到主动与被动上共同治理微电网谐波。 本文采用以光伏电池为微电源的微电网，以 700V 直流电压模拟光伏电池，其逆变器参数 Ron=0.001，Rs=105，根据前几章理论计算选取 LCL 滤波器参数分别为 L1=0.6×10-3H；L2=0.02×10-3H；C=1.2×10-3F。LCL 型并网滤波器谐波抑制仿真模型如图 5.2所示，其中，光伏发电所接负载为线性三相对称负载，频率为 50Hz，消耗有功功率为250kW。 

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结论 

 

未来发展中，清洁能源必然会取代化石能源成为电能生产的主要能源，具备个性化多样化的供电方式也将是电网发展的必由之路，因此微电网将会在科技进步的推动下成为一种极为重要的发电方式。因此，分析微电网中的电能质量问题以及对其中谐波的治理对微电网的发展有着重要意义。本文对该课题的研究工作以及相关结论如下： 

（1）本文通过对微电网结构以及建立并网运行等效电路来深入分析微电网中的电能质量问题，可知微电网中的微电源、负载以及运行模式是电能质量问题产生的关键。并详细说明了微电网中频率波动、电压波动、三相不平衡以及谐波等电能质量问题产生的原因，通过分析可得：微电网谐波主要由微电源接口变流器以及非线性负载两方面产生。 

（2）对微电网系统中的几种谐波检测方法的分析比较，可知瞬时无功功率 ip-iq谐波检测方法更适合应用于微电网谐波检测中，并应用 Simulink 平台建立了 ip-iq谐波检测法的仿真模拟，证明其对微电网中的谐波分量有更好的检测效果。 

（3）针对微电网中的谐波产生的特点，采用了 LCL 型并网逆变器与 APF 共同作用的谐波抑制方案，分别对微电源输出谐波、非线性负载产生的谐波进行抑制。并对并联型 APF 进行了优化分析，优化后可以有效减少有源滤波器的容量，从而减少谐波抑制装置的费用。 

（4）利用 Simulink 平台，搭建了 LCL 型并网逆变器与 APF 共同作用的谐波抑制模型，通过对采用抑制方案得到电流波形以及 FFT 分析证明了所采用方案对微电网谐波抑制的有效性，能够使输出波形满足国家标准要求。 

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参考文献(略)

 

 

第 1 章 绪论

 

1.1 课题背景和意义

温度一直是与人类生活息息相关的重要信息，从原始人类的钻木取火，到现代人类社会的日常生活，都离不开温度，而温度的测量技术愈发凸显它的重要性。随着现代社会的高速发展，温度信息对现代工业生产、公共区域安全、人们日常生活等具有越来越重要的作用，我们对温度测量技术的要求也越来越高[1]。尤其是电力设备运行场所的火灾预防，因为电力设备在运行过程中长期处于高压高电流状态下容易引起设备温度上升而引起火灾，如果能在温度异常上升期间及时发现并采取相应措施就能避免不必要的人力以及财产损失。因此我们需要采用有效的实时温度测量方法进行相应的温度监测，来避免不必要的火灾发生。至今为止，温度测量方式已经多种多样，尤其是传统的一些温度测量方法已经发展的非常成熟，有接触式和非接触式两种类型，比较常见的膨胀式的有水银温度计、有机液体温度计等，压力式的有液体压力温度计和压力温度计等[2]，电阻式的有铂电阻和热敏电阻温度计等，热电动势式的有热电偶温度计等，它们以结构简单、测量方便精度高以及成本低等优点大量应用于社会各个方面，但这些测温方式一般不能实现温度的分布式测量，不能在高温强电磁等场所长期稳定运行，因此，在现代社会中，这些传统的测温方法受到了很大的限制。光纤传感技术是随着光纤通信技术的不断进步而发展起来的，传感光纤的材质一般是玻璃或者塑料，光信号在传感光纤中传播时会与光纤材质碰撞发生全反射，依靠此原理来实现信息的传播，由于光在光纤中的全反射基本没有损耗产生，因此，可以利用其原理实现长距离低损耗的信号传输[3]。光纤不仅可以作为传输信号的媒介，还可以作为传感介质测量各种物理信号。光信号在传感光纤中传播时，一些表示光的特征量在外界因素的影响下会发生一些变化，通过光电探测器件实现信号的光电转换进而实现信息解调。其中光纤温度传感器的应用比较广泛，分为点式和分布式。顾名思义，点式光纤温度传感器实现单点温度测量，例如，热色效应光纤温度传感器、吸收型光纤温度传感器等[4]。分布式可实现待测区域的多点分布式温度测量。它们的结构简单，利用光纤作为传感媒介，利用光纤的特质可将其按任意形状铺设在待测区，测量距离长范围广，同时具有电绝缘性好，抗电磁辐射，耐腐蚀，灵敏度高等优点[5].

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1.2 分布式光纤温度传感器的研究现状

1970 年左右，光纤技术在多种场合得到了广泛的利用，尤其是在通信技术方面得到了迅猛的发展，并逐渐成为不可取代的一项技术。在此期间，分布式光纤温度传感技术相应发展起来。1981 年，南安普顿大学首次提出分布式光纤温度传感系统[8]，此后在1983年J.P.Dakin博士提出一种基于后向拉曼散射的分布式光纤温度传感系统的模型，首次利用分布式光纤测温系统进行测温实验是由英国科学家在 1985 年进行的[9]，将氩离子激光器作为光源，但由于激光器的不稳定性实验效果一般，同年，Harton 和Dakin 等人用半导体激光器代替了氩离子激光器作为光源，成功研制首台分布式光纤温度测量系统[10]。分布式光纤测温系统首次推向市场在上世纪80年代末90年代初，是由英国的York公司推出的，测量距离为 2 千米。在同一时期，其它一些国家也展开了对此项技术的研究并有了一定的研究成果，比如 1990 年日本腾仓公司推出了 DFS-1000 光纤温度传感系统[11]，1996 年日本东京大学研制的分布式光纤测温系统成功应用于核工业冷却回路的温度监测中[12]。德国也在同时期进行了一定的研究并取得了空间分辨率为 0.5 米的产品。直至近十年，在美国科学家及一些公司的带领研究下，分布式光纤测温系统有了较快的发展，首先由美国安捷伦公司推出的 DTS 测温系统成功申请专利，测量距离最大可达 30 千米，温度分辨率能达到 0.1 摄氏度，空间分辨率达到 1 米，并且可实现多通道测量，该公司利用单片机作为信号采集及处理系统，避免了普通 DTS 双接收机通道的大测量误差缺点，同时期，SensorTran 公司也针对分布式光纤测温系统进行了相关的研究，这家公司研究的产品主要应用在国防军事等领域[13].

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第 2 章 分布式光纤测温系统的理论基础

 

分布式光纤测温方式由测温原理可分为三种类型，分为基于瑞利散射、拉曼散射以及布利渊散射的分布式光纤测温系统[31]。本章节主要针对这三种测温方法进行了原理研究及比较，得到了它们各自的优缺点，最后根据性能的比较得出最优温度解调方案，除此之外，本章对光纤中的待测点进行了定位研究，从而保证了系统定位精度。

 

2.1 光纤中的散射

(1)假设光纤介质分子分布比较均匀，且外界没有温度变化情况，则光信号在发生碰撞时，它的一些光特性不会发生任何改变，仍然沿着原有方向向前传播[33]。上式表示的是散射光和入射光的性质完全相同，这是一种理想情况，在实际中几乎不可能发生。(2)然而光纤中的介质分子不是均匀分布的，光信号与介质分子发生碰撞，势必会产生散射现象，导致散射光的特性与入射光相比会发生相应的一些变化，如果这种不均匀性与时间没有关系，那么散射光频率也不会发生任何变化，仅仅波矢量会发生变化[34]，将这种仅仅由于介质分子不均匀分布产生的散射叫做弹性散射。(3)当然，介质分子的不均匀分布也可以随时间变化而变化，在这种情况下，光信号发生散射现象时，它们的能量也会发生改变。此时，散射光的光功率发生了改变，也就是光的频率发生了改变，将这种散射现象叫做非弹性散射[36]。

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2.2 方案比较

式(2.3)中，rK 代表的是光纤介质中的瑞利散射系数，和温度成正比关系；t 代表光信号初始端从开始注入进光纤介质中Z点后，后向散射光沿原路返回到入射端所经过的时间，t可以转换为光纤中的位置距离；v是光在传感光纤中的传播速度；0I 代表的是入射光脉冲的光功率；S 代表光纤介质中的后向散射因子系数；瑞利散射在传输过程中的损耗系数[38]。外界温度的改变会影响传感光纤的孔径发生细微变化，在这过程中，瑞利散射系数随之改变，根据上述描述的瑞利散射公式可以得出，瑞利散射光的光功率相应发生变化。在普通的2SiO 传感光纤中，光纤光缆的数值孔径以及瑞利散射的散射系数与温度变化的改变很小。而随温度变化的瑞利散射系数，如果液心光纤在温度过高或过低时，其性能会受到较大影响，因此基于这种散射的温度传感系统的温度测量范围很小[39]。除此之外，瑞利散射的散射光功率受光纤的材质影响比较大。同时光纤材质中会含有杂质，这些因素都会增加光纤的散射面，从而产生损耗，导致获得的信号不精确，带来一些错误的信息。

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第 3 章 系统总体设计及技术指标.......14

3.1 系统总体设计....14

3.2 光时域反射(OTDR)技术.........14

3.3 系统解调方案的研究........15

3.4 系统结构....17

3.5 系统参数及技术指标........17

3.5.1 温度分辨率的确定性分析....... 17

3.5.2 空间分辨率的确定性分析....... 18

3.5.3 系统响应时间的确定性分析........... 20

3.6 本章小结....20

第 4 章 分布式光纤测温各子系统设计.......21

4.1 系统工作波长的选定........21

4.2 光源子系统设计........24

4.2.1 脉冲发生器设计....... 25

4.2.2 光源的选择....... 25

4.2.3 激光器的驱动电路的设计....... 26

4.3 光传输与分光系统的设计........2

94.4 光电探测电路设计....31

4.5 本章小结....36

第 5 章 实验结果及分析.......37

5.1 系统实验方案的设计........37

5.2 本章小结....41

 

第 5 章 实验结果及分析

 

本课题针对分布式光纤测温原理进行了一定的研究。设计了基于拉曼散射的分布式光纤测温系统，此测温系统能够测量沿一条将近 1.8 千米的传感光纤上的任一点的温度，同时也能实现沿传感光纤的分布式温度测量。

 

5.1 系统实验方案的设计

由于 APD 需要直流高压偏置电路提供 100-200V 直流电压，因此，有必要对本系统设计的高压偏置电路输出的电压稳定性进行验证。其输出电压信号如图 5.1 所示。通过示波器得到的电压波形可以轻易得出一段波动很小的直流电压，因此其满足本测温系统中的直流偏置电压的要求。图中的曲线为采集到的电压信号随距离变化的曲线，横坐标代表测量距离，也可以转换为采集信号的时间长度，纵坐标代表经过取整换算后采集电压信号的大小，电压值 1V 对应数值 3276。温度测量的定标区应该在距光纤起始端面的 100 米后，测量的初始距离应该从这里算起。从图中可以看出，在传感光纤末端电压信号存在波动且幅度比较明显，曲线幅度变化的最高处代表温度变化点。由于实验器材的限制，在实验过程中，只使用了长度为 1.8 千米的传感光纤，从理论分析来看，传感光纤的距离还有很大的增加空间。将测得水温为 0 摄氏度的数据作为定温温度，然后分别测量 60 摄氏度和 90 摄氏度的水箱。

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结论

 

基于拉曼散射的分布式光纤温度传感技术具有许多独特的优点，包括温度分辨率高、测温距离长、抗强电磁干扰以及适应于各种复杂环境。目前这项技术已成为国内外许多国家的研究热点，具有广阔的应用前景。与此同时，这种测温系统在许多技术层面还有待提高，尤其在各器件的性能优化上，还有许多实际问题需要解决。随着科技的进步，各器件的价格也会更加廉价，从而可以实现性价比更高的分布式光纤传感系统，最终实现社会中各个场合的广泛应用，对温度监测以及火灾预防起到至关重要的作用。本论文主要研究成果如下：（1）利用课题设计的分布式光纤测温系统成功搭建测温平台并测得了准确的温度数据。测温系统达到了良好的性能指标：测温范围达 1.8 千米，空间分辨率为 2.5 米。（2）通过对试验数据的处理，得到了沿光纤分布的温度信息，为实现模拟待测区域的温度场提供了准确的温度信息。（3）通过比对测量温度与真实温度，验证了课题提出的温度解调方案的可行性。通过对分布式光纤温度传感技术的详细研究，本课题基本完成了系统设计，实现了沿传感光纤上待测点的分布式测量。但温度信息的解调还需要完善。尤其在温度测量的距离方面还有待增加，并且本套系统的空间分辨率偏低，导致了待测区域热流分布图的分辨率较低。随着科技的进步，一些相对廉价器件的性能也会越来越好，从而可以取代目前各子系统中昂贵的器件，可以节约成本，使分布式光纤测温系统更广泛的利用到社会各个场合。同时各器件的创新也会越来越多，势必会出现一些性能更加优秀的器件，从而可以使分布式光纤测温系统的各项技术指标更加精确，总而言之，分布式光纤测温技术的发展远远没到尽头，应该向着更加优秀的方向发展。

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参考文献(略)

 

第 1 章 绪论

 

1.1 课题研究背景及意义

气体是电力系统中最常见的绝缘介质，它具有良好的绝缘自恢复能力等优点，尤其是压缩气体在各设备绝缘中起到了关键作用。气体绝缘变电站（Gas  Insulated Switchgear，GIS）是超/特高压电网中的重要组成设备之一，它将一座变电站中的断路器、电流互感器、电压互感器、避雷器、隔离开关、接地开关、母线、电缆终端、进出线套管等优化设计后分别装在各自密封间中，最后集中组装在一个充以 SF6作为绝缘介质的整体外壳中。与传统的敞开式高压开关设备相比，GIS 具有占地面积小、占用空间小，不受外界环境条件的影响，不产生噪声和无线电干扰，运行安全、可靠且维护工作量少，抗震性能好的优点[1-2]。气体绝缘传输线（Gas-insulated transmission line，GIL）是一种使用气体作为绝缘介质的输电管道，结构上与 GIS 中的母线相类似。与高压电缆和架空线路相比，有着载流量高，允许大容量传输；电容比电缆小；电阻和电容损耗低；过载容量较高；出现内部电弧时不会对外部环境造成破坏；外部电磁场强度非常低；冷却费用低；免维护；可靠性高；使用非燃烧性材料，没有火灾危险；不易老化等优点。因此 GIL 可以应用在空间有限而无法采用架空输电线路的地方，如城市人口稠密区；还可以用在由于环境等原因不允许使用架空输电线路的地方，如风景区等[3-4]。目前 GIS 和 GIL 在运行时充入的气体均为 SF6气体，极大的提到设备的绝缘能力和电网的输电能力的同时，还极大的降低了输电损耗，对特高压输电技术的发展起到了极大的推动作用。 SF6气体因具有优异的绝缘和灭弧性能被广泛的使用在高压绝缘及断路设备当中。SF6是一种合成气体，1900 年由法国化学家 Moissan 和 Lebeau 第一次由氟和硫反应而产生出六氟化硫气体（SF6）。纯 SF6具有极佳的物理特性，它是无色、无味、无毒和不可燃的卤素化合物气体，其化学性质稳定，并具有很强的电负性，决定了 SF6气体具有优异的绝缘和灭弧性能。在均匀电场下，SF6气体的绝缘强度为同等条件下空气绝缘强度的 2.5-3 倍，灭弧性能是空气的 100 倍[5]。SF6气体作为最理想的绝缘和灭弧介质，成为了高压电器中重要的绝缘介质[6-7]。

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1.2 国内外研究现状 

SF6混合气体的研究起步较早，通过测量气体的击穿电压研究气体的绝缘能力，采用发射光谱法测量气体放电时的光谱信息，分析电弧等离子的光谱信息，从而获得气体放电过程中的电子温度和电子密度等微观参量信息，从微观和宏观相结合的角度对SF6及其混合气体放电的等离子体进行研究。根据光谱参数得到气体放电时形成放电通道的电子温度和电子密度，进一步分析等离子体通道的电导率等参量信息。针对 SF6气体性能的缺陷和不足，国际上各大气体绝缘开关设备生产厂家和电力部门正在合作开发新型的 SF6混合气体为绝缘介质的电力设备。德国的达姆斯塔特工业大学、日本的东京大学、加拿大的曼尼托巴大学等高校近年来也对此方向展开大量的专题研究，并取得了一定的进展[9-12]。 目前对 SF6替代气体的研究结果表明，在 SF6气体中添加适当的其他气体，可以保持较好的绝缘性能，减少 SF6气体使用量，改善 SF6气体的液化温度高、对电场不均匀性敏感的缺陷。国内外关于 SF6混合气体研究较多的是 SF6/N2、SF6/CO2、SF6/空气以及 SF6/CF4混合气体[13-16]。随着理论研究的深入，SF6/N2混合气体作为绝缘介质的电力设备也在实际工程得到了部分应用，世界上第一条 SF6/N2混合气体绝缘传输线于本世纪初期在瑞士日内瓦国际机场投入运行[17]，其绝缘气体中 SF6含量仅为 20%，减少了对环境的影响并大幅度降低了 GIL 的建设成本。法国电力公司与 ABB 公司合作开发长距离的 SF6/N2混合气体 GIL 来替代该国 420kV 架空输电线路[18]，以消除架空输电线路对环境造成的负面影响。 我国开展 SF6混合气体研究起步比较早[19]，国家自然科学基金委员会也曾有一系列的资助。国内部分高校对 SF6及其混合气体展开了大量的研究，西安交通大学曾与国内生产厂家合作先后开发了 SF6混合气体绝缘变压器、电容器以及开关柜等电力设备，但 SF6含量在混合气体中所占的比例至少在 85%以上。上海交通大学在研究混合气体的基础上，研究了 SF6气体替代气体的八氟环丁烷（c-C4F8）的绝缘性能，但 c-C4F8致命的缺点是液化温度更高，并且价格也非常昂贵，张刘春[20]在论文中研究了 SF6替代气体 c-C4F8 及其混合气体的绝缘性能；沈阳工业大学高电压与电力系统研究所针对SF6/N2及 SF6/CF4等混合气体也展开了大量的研究[21-24]。国内的其他一些高等院校也对SF6及混合气体进行了相关的研究[25-28]。由于 N2具有化学性质稳定、液化温度极低、价格低廉易获取、清洁无污染等优点，并且 SF6/N2混合气体具有较强的绝缘性能，因此 SF6/N2混合气体具有较高的研究价值。 

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第 2 章 SF6/N2混合气体放电的发射光谱分析原理 

 

等离子体是指含有大量电子和带电粒子的电离气体，对外表现为电中性，被称为物质的“第四态”。当气体间电场强度达到临界击穿场强后气体会发生击穿，产生电弧等离子体，采用发射光谱法对电弧等离子体进行诊断，通过分析光谱的波长、光强和半高宽度等，得到电弧等离子体的电子温度和电子密度等微观参量。 

 

2.1 光谱分析基础 

原子的发射光谱是组成物质的原子结构及其特征的反映，对其谱线的波长与强度的关注是光谱分析的基础，按其特征谱线的波长可以对该原子的存在进行鉴定和分析。在原子光谱分析中[59]，通常是根据元素灵敏线进行元素的检出和测定，元素的灵敏线一般均是强度较大的一些谱线，通常具有较低的激发能和较大的跃迁几率。元素灵敏线及其波长分布，同样与原子或离子的能级结构存在着规律性联系，灵敏线的波长取决于参加辐射跃迁的高低能级的能量差，越容易激发的元素，其灵敏线越长，越难激发的元素，其灵敏线的波长越短，对于多数易激发元素，其灵敏线多发分布于近红外及可见区，难激发非金属元素灵敏线多分布在远紫外区，而绝大部分具有中等激发能的元素，其灵敏线则分布于近紫外区。 通过对发射光谱谱线波长分析可以判断它由哪个元素所发射的，光谱的定性分析便是通过对发射谱线的波长进行确定，以判断等离子体中含有哪些元素。常用的方法有光谱比较法、波长测得法和“全谱”拍照法等。光谱比较法是将测得的光谱线与标准波长表进行比较，从而确定是否为某元素的谱线；波长测定法是依据位置谱线处两条已知元素的谱线中间，这些谱线波长十分接近，因此谱线波长可由线间距用比长仪准确测量来确定，再根据波长的数值由谱线表中查出该谱线所属元素；“全谱”拍照法是以中阶梯光栅及棱镜双色散系统的光电直读仪上，由于具有多条谱线同时测定的功能，在仪器上预先引入单元素的标准，计算机锁定每个元素的谱线的精确位置与含量，并储存工作曲线，当记录下所含元素发出的谱线后，通过计算机软件的谱线识别功能，对所含元素进行识别[59]。

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2.2SF6/N2混合气体放电的电子温度测量

电子温度是表征等离子体性质的一个重要参数，等离子体的电子温度是影响谱线强度的最重要的因素，对于局部热力学平衡或热力学平衡的等离子体，测量电子温度对于研究等离子体的基本特性具有十分重要的意义[63]。测量等离子体的电子温度通常采用双谱线法或多谱线斜率法。 电子密度是表征等离子体放电的又一重要参数，根据流注理论，当气体在强电场下发生电离时，电离出的电子在电场的作用下沿着电场线方向运动，进一步的发生碰撞和电离，最终形成电子崩。计算电子密度的方法主要有 Saha 方程法和谱线加宽方法等[64-66]。 在局部热力学平衡条件下，等离子体通道内部粒子的速度分布满足 Maxwell 分布、各带电离子和原子之间满足 Saha 分布、各能级服从 Boltzmann统计分布，这样就建立起辐射量和等离子体各参量之间具有明确物理意义的定量关系。在局部热力学平衡体系中，等离子体内部同种元素离子和原子的浓度由电离度决定，即电离度决定了等离子体内部的粒子数分布，这一分布可以通过 Saha 方程来描述，从而得到电子密度的表达式[67]。 

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第 3 章 SF6/N2混合气体实验装置与测量回路 ........... 14 

3.1 SF6/N2混合气体实验装置 ....... 14 

3.1.1  高压电源........... 14 

3.1.2  密封气室........... 14 

3.1.3  气体混合与回收装置....... 15 

3.1.4  实验电极........... 17 

3.1.5  电压和光谱的检测装置........... 17 

3.2 SF6及 SF6/N2混合气体实验数据测量 .... 19 

3.2.1  光谱实验测量回路........... 19 

3.2.2  极性实验测量回路........... 20 

3.3  本章小结 .... 21 

第 4 章 均匀电场下实验结果与分析 .......... 22 

4.1  均匀场下击穿电压测量与分析 ....... 22 

4.2 SF6及 SF6/N2混合气体放电的光谱测量与计算 ..... 25 

4.3  光谱实验结果与分析........29 

4.4  本章小结....41 

第 5 章 不均匀场下击穿电压测量与分析 ..........43 

5.1 不均匀电场的电气特性....43

5.2  实验结果与分析........44

5.3  本章小结....50 

 

第 5 章 不均匀场下击穿电压测量与分析 

 

工程中各电气设备中广泛的存在不均匀电场的结构，气体在不均匀电场下存在着极性效应，极大的削弱了设备的绝缘能力。中压开关领域的气体绝缘设备面临着向小型化的方向发展的挑战，由于 SF6/N2混合气体具有较好的绝缘能力，具有较好的工程实用价值，对 SF6/N2的棒-板电极下产生不均匀电场时正负极性的击穿电压进行实验测量，研究其极性效应，并对工程实践提出指导意义。 

 

5.1 不均匀电场的电气特性 

不同的电极形状对极间电场分布会产生很大的影响，本文对所使用的棒-板电极，进行静电场仿真计算，得到本实验电极间距与电场不均匀系数的对应关系，进而分析SF6及 SF6/N2混合气体极性效应与电场不均匀度的关系。从图 5.3 中可以看出，棒-板电极下，当气体不发生游离时电场强度最大的区域分布在棒电极的端部，靠近平板电极时电场分布趋向均匀。经仿真计算得到在不发生游离时正负极性的电场分布与棒电极的极性无关，且随着电极间隙距离的增加，电场分布越不均匀。 对于电极形状不对称的棒-板间隙，击穿电压与棒的极性有着很大的关系，这就是极性效应[74]。当棒-板电极加上电压后，曲率半径小的棒电极附近的电场强度最大，如果此处的场强超过气体电离所需的电场强度时，气体开始电离产生电子和正离子，由于正空间电荷的出现会对外电场的分布产生畸变作用，导致棒-板电极下正极性的击穿电压与负极性的击穿电压不同[75]。目前理论上分析气体的极性效应仅考虑正空间电荷对外电场的畸变，没有将电负性气体电离会产生负离子的情况考虑进去，对于电负性气体较强的 SF6气体不完全适用。因此本文将结合所得实验结果，对比不同混合比气体的极性效应，分析研究 SF6/N2混合气体的极性效应。

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结论 

 

本文通过设计和搭建实验回路，采用实验的手段，对 SF6及 SF6/N2混合气体的绝缘性能和放电时等离子体通道的光谱特性开展研究，得到以下结论： 

（1）SF6与 N2混合后具有良好的绝缘性能，SF6及 SF6/N2混合气体的击穿电压与气体压强和极板间隙距离成线性增长关系，0.3MPa 时当混合气体中 SF6混合比仅为20%时，其击穿电压可达到相同条件下纯 SF6气体的 72%  ，若继续提高 SF6混合比，混合气体的绝缘性能提高不明显；混合气体中 SF6混合比为 20%时具有较高的工程实用价值，可极大地减少 SF6的用气量并降低了其液化温度，增强气体绝缘设备在高寒地区的适用性。 

（2）保持电极间距不变，气体压强为 0.1MPa-0.4MPa 时，SF6、N2及 SF6/N2混合气体放电时测得电弧等离子体的光强均随着气体压强的升高逐渐增大，电子温度逐渐减小，电子数密度增大，等离子体通道内的电导率逐渐增大。保持压强不变，SF6及SF6/N2混合气体完全击穿时的光强随着间隙距离的增大逐渐增大，等离子体通道的电子温度、电子密度及电导率基本保持不变。保持电极间距和气体压强不变，随着混合气体中 SF6混合比的升高等离子通道内的光强逐渐增强，电子温度逐渐升高，电子数密度和电导率逐渐下降。 

（3）SF6及 SF6/N2混合气体在极不均匀电场中存在极性效应，相同实验条件下的正极性的击穿电压大于负极性的击穿电压，与 N2的极性效应完全相反，称之为反极性；当 N2中加入少量的 SF6气体后，明显的削弱了 N2的极性效应，使得混合气体的极性效应不明显，随着气压的升高，SF6/N2混合气体的正极性击穿电压曲线出现饱和趋势，在 0.3MPa-0.4MPa 间出现“鞍马效应”，极性效应减弱，当 SF6:N2为 20:80 时，随着气压的升高在 0.25MPa 时出现了极性反转的现象。 

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参考文献(略)  

 

 

第 1 章  绪   论

 

1.1  课题的研究背景和意义

随着煤和石油等化石能源逐渐枯竭，以及由燃烧化石能源造成的环境污染问题越来越严重，迫使人们加大如风能、太阳能等可再生能源(Renewable Energy  Source,  RES)的利用。由于风机及光伏阵列的出力受天气等因素影响很大，功率输出随机性和波动性很大，若直接大量接在配电网中会对电网电能质量和电力系统安全稳定造成影响。限制了可再生能源渗透率的提高，制约了可再生能源的大规模利用，微电网(Micro Grid, MG)分布式能源发电技术由于可大大提高可再生能源的渗透率受到人们越来越多的关注。微电网由多种分布式的微电源(Distributed Generation, DG)、储能、负载、控制和保护单元有机构成，它既能整体作为可控负荷或可控发电单元通过公共耦合点(Point of  Common  Coupling,  PCC)并入配电网联网运行，又能在自身中央控制器(Micro Grid Central Controller, MGCC)的控制下孤岛运行[1]。 MG 长时间稳定和经济运行需要解决能量管理的问题，孤岛时 MG 能量管理系统(Energy Management System, EMS)需要根据预测的负荷需求及风机和光伏的出力，协调内部可调度 DG 出力和储能系统(Energy Storage System, ESS)充放电功率的大小，对负荷进行经济最优分配，使在满足负荷需求条件下使总运行费用最小，在极端情况下还能切除不重要负载保证对重要负载的持续供电，提高供电可靠性[2,3]。不仅如此，通过 EMS 优化安排可调度 DG的发电计划以及储能系统充放电计划，还可大大提高可再生能源渗透率，充分利用可再生能源，并将其对 MG 运行的负面影响尽可能降至最低[4,5]。 MG 联网运行时，同样需要协调好内部可调度 DG 的出力和储能系统充放电，使长时间运行费用最低，且在尽可能增加可再生能源渗透率的基础上充分利用可再生能源，并使 MG 的运行对配电网的负面影响降到最低。MG的 EMS 还可以接受电力系统调度自动化系统(SCADA/EMS)功率调度指令，使 MG 的 PCC 处交换功率跟踪调度指令。当电力系统有多个 MG 分布在配电网各处时，MG 能对电力系统的运行产生重要辅助作用，在用电高峰时段，SCADA/EMS 调度 MG  EMS 增加 PCC 处的输出功率，协助电网度过高峰时段，在用电低谷时，MG 内储能系统储存电能，增加低谷时的电力消耗，减少电力系统内火力发电机组停机数量或长时间低负荷运行机组数量[6]。

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1.2  微电网能量管理的研究现状

微电网 EMS 是指 MG 在瞬时平衡发电与用电功率基础上，对 MG 内微电源及储能系统进行最优调度控制。EMS 主要功能便是根据 MG 系统配置参数以及预测的负荷和可再生能源信息，应用数学优化算法确定微电源及储能系统在未来 24 小时每个调度周期的功率设定点，以及确定 MG 在联网运行时与配电网之间的最优功率交换指令。EMS 控制效果的如何与预测的负荷和可再生能源信息准确度直接相关，也直接影响 MG 运行的稳定性与经济性，EMS 依照准确的预测信息计算出来的调度指令使 MG 运行平稳且频率波动不会太频繁，若是预测信息不准确，则 EMS 产生的调度指令不是最优，有时还会导致微电源功率设定点偏离实际运行点太多，使 MG 的频率大幅变化，可见 EMS 的好坏与 MG 运行的好坏息息相关[7,8]。从美国可靠性技术解决方案协会(the  Consortium  for  Electric  Reliability Technology Solutions, CERTS)对 MG 进行研究，到 2002 年较为完整的 MG 概念被提出来，MG 的研究进展非常迅速，我国好几所高校几年后随即开始研究 MG 并在 MG 的 EMS 上取得不少成果。文献[9]简要介绍了将 EMS 系统的任务分为短期功率平衡和长期能量管理，前者主要用于维持 MG 的频率和电压稳定，后者主要针对不同运行目标的 MG 经济调度和优化运行。文献[10]研究了海岛独立 MG 系统的经济优化问题，考虑了储能系统使用的原则和约束条件，建立了计及设备损耗成本、运行和维护成本、燃料成本和环保折算成本的经济优化模型。文献[11]对冷热电联供的 MG 优化调度问题建立了通用模型，不仅考虑了电的一系列约束条件，还计及了烟气和蒸汽的约束条件，对整个系统进行了优化计算。文献[12]对不同场景条件下的 MG 在建立各种微源约束条件和模型的基础上，设计了相应优化调度策略，由于储能系统造价高且使用寿命与其充放电模式密切相关，该策略针对储能系统这个特性分为不计储能系统折旧成本与计及储能系统折旧成本两种采用实数编码遗传算法计算，得出了两种不同的经济运行结果。文献[13]为实现 MG 系统运行的经济和环境双重优化目标，建立了 MG 多目标动态优化调度的一般模型，该模型使用能量模型对系统调度方案的经济、环境指标进行评估，使用多目标遗传算法 NSGA-II 进行求解得出了相应的调度结果。

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第 2 章  交流微电网部件准稳态模型

 

2.1 引言 

MG 的能量管理需要根据预测的光伏阵列、风机功率输出及负载功率需求信息，合理安排微燃机和储能系统的调度运行计划。进行能量管理必须首先预测天气信息，再以天气信息输入光伏阵列和风机的准稳态模型中计算出预测的功率，然后根据微燃机和储能系统的准稳态模型和运行的限制约束条件，利用数学优化软件计算出最优调度计划[28]，对微燃机和储能系统进行合理调度控制。建立光伏阵列、风机、微燃机和储能系统的准稳态模型是能量管理的基础。 

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2.2  可调度电源准稳态模型 

图 2-1 所示为本文 MG 系统，其内一般含有光伏电池(Photo Voltaic Cell, PV)和风力发电机(Wind  Turbine  Generator,  WT)等可再生能源发电装置作为不可调度的电源，由于这些发电装置出力变化率及随机性比较大，为维持MG 稳定还装设有储能系统，储能系统在可再生能源比较充足的时候储存多余能量，在可再生能源不足时释放能量满足负荷需求。然而在极端天气情况下，比如较长时间无风或是阴天等情况下，能源生产不足，供能与需求严重不平衡，为使 MG 供能更加可靠，一般需要安装微燃机等可调度电源作为稳定可持续的电力来源。微燃机发电系统在利用化学能的时候，可同时提供热能和电能,其特点是废气排放少、效率很高、安装非常方便、维护很简单,在 MG 中成为最具发展前景的分布式电源。微燃机具有单轴和双轴两种结构[29]，由于单轴结构紧凑、效率高以及可靠性高等特点被本文中的 MG 采用作为可调度电源。微燃机系统由微型燃气轮机本体、永磁同步发电机、整流器、双脉宽调制 PWM 逆变器及 LC 滤波器以及控制系统等构成。在正常运行时微型燃气轮机轴直接驱动永磁同步发电机，转速为约 50000  r/min  ～  120000  r/min，如此高频率的电能必须经过整流器整成直流再经逆变器变换为工频交流电才可使用。微燃机输出的高频电能经过不可控整流后，整流器直流端所接逆变器控制系统采用下垂控制来自动根据本地测量的电压电流等信息改变有功出力的大小来协助其他可调度电源满足负荷的需求。微燃机本地控制系统还与 MG EMS 相连，接受 EMS 下发的功率调度指令，使其下垂曲线的功率设定点相应地按照调度指令更改。微燃机发电系统并网结构如图 2-2 所示。

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第 3 章  能量管理结构及优化模型 .......... 14 

3.1  引言 ..... 14 

3.2  微电网能量管理结构 ...... 14 

3.3  能量管理算法数学模型 .......... 16 

3.3.1  负荷及可再生能源功率的预测 ..... 16 

3.3.2  能量管理算法数学模型 .......... 16 

3.4  本章小结 ..... 22 

第 4 章  微电网孤岛及联网运行能量管理经济性分析 ....... 23 

4.1  引言 ..... 23 

4.2  孤岛运行时的能量管理 .......... 23 

4.3  联网运行时的能量管理 .......... 34 

4.4  本章小结 ..... 40 

第 5 章  考虑负荷及可再生能源功率随机预测误差的能量管理 ...... 41 

5.1  引言 ..... 41 

5.2  小随机预测误差下的能量管理策略 .... 42

5.2.1  小随机预测误差的数学建模 ......... 42 

5.2.2  随机预测误差的传递 ....... 43 

5.2.3  能量管理的结果 ....... 46 

5.3  大随机预测误差下的能量管理策略 .... 50

5.4  本章小结 ..... 54 

 

第 5 章  考虑负荷及可再生能源功率随机预测误差的能量管理

 

5.1  引言

之前研究者已经提出了很多 EMS 模型，然而他们中的绝大多数都是基于负荷和可再生能源预测值无误差这一个前提的，忽略了随机预测误差对MG 运行的影响[27]。实际上不管采用何种预测方法，预测值与实际值总有误差。由于 EMS 优化数学模型的输入直接使用负荷和可再生能源功率预测信息，预测的准确度会直接影响 EMS 优化计算的结果，进而影响 MG 的运行。不准确的预测信息会导致 MG 内微源的实际运行点偏离 EMS 计算的调度值，使储能系统或者微燃机的实际功率与调度计划值不同。并且该误差会在储能系统内积累，随着 MG 运行时间的不断增加，最终会使储能系统的 SOC 越过其上下界。例如，假设调度运行初始储能系统的 SOC 不高，且 MG 运行时实际负荷比预测值大很多，那么储能系统由于采用下垂控制将会与微燃机均分这超过预测值部分的负荷，因此一段时间后 SOC 将会比调度预计值低得多，甚至已经低于下限了。如果在下个调度周期微燃机是停机的，而调度计划是继续对储能系统进行放电，那么储能系统将无法执行这个指令，MG 内功率输入与输出不能保持平衡，MG 运行稳定性无法保证，需要一定的控制策略保证储能系统 SOC 总是维持在上下限范围内，维持 MG 的稳定运行。 本章中考虑负荷及可再生能源功率随机预测误差的 EMS，其计及了负荷和可再生能源功率随机预测误差对 EMS 计算结果的影响，研究了预测的误差使 MG 的运行中储能系统 SOC 越过上下限，MG 的运行稳定性无法保证的问题。针对小的和大的预测误差对 MG 运行的不同影响，在储能系统 SOC越过上下限时，采用不同的控制策略来使储能系统 SOC 始终保持在正常运行范围，维持 MG 运行的稳定性。首先针对预测的误差，根据概率论和数理统计以及误差的传递理论进行建模分析，然后在小的和大的预测误差下分别采取不同的控制策略将储能系统的 SOC 始终维持在正常运行范围内，保证了MG 运行的稳定性，最后根据 MG 模拟运行的结果来检验所提策略在维持储能系统的 SOC 始终在正常运行范围内的有效性。

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结   论

 

本文在对微电网能量管理国内外研究现状分析的基础上，建立了微网运行能量管理优化数学模型，并对微网不同条件下的优化运行进行了经济性对比。然后针对可再生能源及负载随机预测误差对微网运行稳定性的不利影响，提出了滚动优化策略和维持稳定策略来增加微网运行的稳定性，主要结论如下： 

(1)针对微网能量管理的优化模型，首先建立了光伏、风机、储能系统、微燃机及电力电子装置的准稳态模型，然后根据微燃机及储能系统运行的限制条件建立了运行优化数学模型，该模型含有大量的 0-1 二进制变量及整数变量，并采用高效的数学优化软件进行求解。 

(2)采用本文提出的能量管理模型的微网，可合理利用其内的可再生能源并优化微网内微燃机及储能系统的运行，显著降低微网运行的总费用，大大增加储能系统的使用寿命，提高微网运行的经济性。 

(3)微网内可再生能源及负载功率随机预测误差会影响能量管理系统计算最优调度计划准确性，在微网运行中会使储能系统所储能量越过其上下限，此时微网内功率输入与输出间的能量平衡关系无法保证，降低了微网运行稳定性。提出了滚动优化策略及维持稳定策略分别解决在小的及大的预测误差下储能系统所储能量越过其上下限的问题，使微网运行中储能系统所储能量始终维持在正常运行范围内，保证微网内功率输入与输出间的平衡，增加微电网长时间运行的稳定性。

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参考文献(略) 

 

 

第 1 章  绪  论

 

1.1  课题来源及研究的背景和意义

当今社会正经历着快速发展，煤炭、石油和天然气等化石能源对世界经济的发展和社会的进步起了极大的促进作用。继而随着经济总量的不断增加，社会发展的速度不断增快，人们对能源的消耗也愈加巨大，但化石能源作为不可再生能源，正日益减少，如不能寻找到可替代能源，其最终将面临枯竭。人们在享受化石能源给人类带来便利的同时，化石能源消耗过程中产生大量的二氧化碳，也带来的温室效应，使全球环境问题也越加严重，已经到了刻不容缓的地步[1-3]。 近些年来，随着技术的进步和科学的发展，人们对新能源的认识不断加深。新能源种类众多，天然地存在环境中，对环境无污染，取之不尽用之不竭，是化石燃料理想的替代能源。以太阳能、风能、地热能为代表的新能源大多经过变换后以电能形式被利用。在此背景下，新能源发电技术应运而生，并且得到快速发展[4-6]。但与传统的火电、水电等发电方式相比，新能源发电具有不确定性、波动性，且受外界环境变化影响大，使其输出功率很不稳定[7,8]，这些劣势严重阻碍了新能源的使用和推广。为了使新能源发电更好的服务于人类社会的发展，需要在新能源发电系统中加入储能单元，作为功率平衡单元，起到削峰填谷，抑制功率波动的作用，最终提高新能源发电的供电可靠性。加入储能单元后，新能源发电系统中会存在着多个电压。目前，工程应用中大多采用的是多个单输入单输出变换器相组合的方式，来实现能量管理和控制。其中，根据系统需要，有的变换器为单向变换器，例如连接光伏阵列和直流母线的变换器；由于系统中的蓄电池具有能量双向流动的特点，因此直流母线和蓄电池之间的变换器为双向的。这样多个变换器相组合的新能源发电系统存在变换器数量多、能量多级变换、效率低，能量管理系统复杂，可靠性差等缺点[9]。三端口变换器（Three-port  converter，TPC）[10-13]是一种典型的同时包含储能单元的新能源发电系统。 

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1.2  三端口变换器国内外研究现状

三端口变换器经过近些年的发展，根据输入输出之间的电气联系，可以将 TPC 分为部分隔离型、隔离型和非隔离型。输入端口和输出端口之间没有实现电气隔离三端口变换器为非隔离型，结构一般较为简单，但升降压能力比较有限，适用于电压等级相差不太大的场合。根据端口所处位置及其连接方式，可以将非隔离型三端口变换器分为输入串/并联型、输出串/并联型和嵌入型三大类。输入串/并联型非隔离三端口变换器有两个输入源，一个输出源，它主要是通过合理的设计将两个输入源在输入端进行有效的串/并联形成三端口变换器。文献[14-15]提出了以 Buck-Boost 为基本拓扑，将两个或多个源在输入端进行并联，为了使每个源所在支路都变得可控，在每个并联源支路上都增加一个开关管，拓扑结构如图 1-1 所示。此种拓扑结构简单，易于控制，但只是对输入端进行简单的组合，各个输入源不能同时工作，而且输入源的电压等级需要比较接近，限制了电源利用率。

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第 2 章  三端口变换器原理及工作过程分析

 

2.1  引言

本章介绍了一种应用于光储发电的三端口拓扑，根据三个端口之间的功率关系，对拓扑工作模式进行了研究。针对每种工作模式，对其工作原理进行分析，最后讨论了三端口变换器在蓄电池充电模式和蓄电池放电模式的切换特性。

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2.2  三端口拓扑及稳态工作原理分析 

 

2.2.1  三端口拓扑

三端口拓扑如图 2-1 所示，包括光伏输入端（PV），蓄电池端（Battery）和负载端（R）。主电路主要由开关管，二极管和耦合变压器组成，其中开关管 S1、S2、S3（D1、D2和 D3分别为开关管 S1、S2、S3的体二极管）起到控制功率路径的作用；二极管 D4、D5防止功率的反向流动；耦合变压器 T 的作用是能量的储存和传输。 连接光伏阵列、负载和蓄电池的三端口功率变换装置，以蓄电池作为功率平衡单元，根据端口之间的功率关系，可以将上述三端口变换器分为四种工作模式，如图 2-2 所示。光伏阵列在保证负载供电优先的条件下，剩余能量给蓄电池充电，功率流向如图 2-2 a)所示。光伏阵列满足负载功率的条件下，而此时蓄电池不需要充电，光伏阵列发出的能量对地分流，功率流向如图 2-2 b)所示。光伏阵列独自供电无法满足负载的需求，需要同蓄电池联合向负载供电，功率流向图如 2-2 c)所示。光伏阵列无功率输出，蓄电池独自给负载供电，功率流向图如 2-2 d)所示。 

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第 3 章  三端口变换器控制系统设计与建模分析 ....... 20 

3.1  引言 .... 20 

3.2  三端口拓扑功率流向及其等效电路 ........ 20 

3.3  三端口变换器控制策略分析 ........... 21

3.4  三端口变换器建模和分析 ...... 24 

3.5  本章小结 ...... 28 

第 4 章  三端口变换器系统参数设计 ........ 29

4.1  引言 .... 29 

4.2  三端口变换器系统 ........ 29 

4.3  三端口变换器主电路参数设计 ....... 29

4.4  三端口变换器辅助电路设计 ........... 31

4.5  三端口变换器软件系统设计 ........... 34 

4.6  本章小结 ...... 35 

第 5 章  仿真与实验结果分析 .......... 36 

5.1  引言 .... 36 

5.2  三端口变换器系统样机 .......... 36 

5.3  光伏阵列建模分析 ........ 37 

5.4  蓄电池充电区间仿真及实验结果分析 ..... 39

5.5  分流区间仿真及实验结果分析 ....... 43

5.6  蓄电池放电区间仿真及实验结果分析 ..... 47

5.7  本章小结 ...... 50

 

第 5 章  仿真与实验结果分析

 

5.1  引言

在前四章分析的基础上，在 MATLAB/Simulink 搭建光伏阵列和三端口变换器的仿真模型，对电路的蓄电池充电区间、分流区间和蓄电池放电区间进行了开环和闭环仿真，最后搭建一台实验样机，对实验结果进行测量分析。为测试方便，本课题实验中用光伏模拟器代替光伏阵列作为输入源，通过上位机设定与光伏阵列几乎有相同的输出特性。功率变换模块包括为实现端口电压和电流变换的三端口变换器，开关管的驱动单元和采样单元等。控制模块集成了电压调理电路、电流调理电路、保护电路和控制电路。根据三端口拓扑工作原理和控制要求，对三端口变换器工作在蓄电池充电区间进行了闭环仿真与实测分析，验证拓扑在保证负载稳定的情况下，给蓄电池充电，且等效工作在 Boost 电路，最后进行了切载实验。

......

 

结   论

 

本文以三端口变换器为研究对象，针对光伏发电中功率输出的波动性和不确定性的问题，采用光储发电一体化方式，使变换器的输出功率变得可控，论文主要结论如下： 

（1）分析了三端口变换器的各个工作过程，将其划分为蓄电池充电模式、分流模式、光伏阵列和蓄电池联合供电模式、蓄电池独自供电模式；根据外界条件的变化，确定了变换器在蓄电池充电模式和蓄电池放电模式之间平滑切换的动态要求。 

（2）提出了三端口变换器的控制策略。该控制策略包含了输出电压控制器、蓄电池电压控制器、蓄电池电流控制器、输入电压控制器和工作区间控制器。上述控制器能使负载电压在各个工作区间输出稳定，而且端口变量可控。 

（3）在 MATLAB/Simulink 搭建光伏阵列和三端口变换器的仿真模型，进行了蓄电池充电区间、分流区间和蓄电池放电区间的开闭环仿真，验证了设计的合理性。 

（4）设计了主电路参数，编写了三端口变换器的软件系统，最终搭建起了一台试验样机并实验，结果表明初步实现了功率按要求在端口之间流动功能。 

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参考文献(略)

 

第 1 章  绪   论

 

1.1  本课题的研究背景及意义

随着电子技术的不断进步，电子器件的高效率、小型化特点成为了电子产品追求的目标[1,2]。对于传统的绕线式电磁变压器，其存在趋肤效应损耗、铜损和铁损，而且这些损耗随着绕线式电磁变压器体积的减小而迅速增加，由于绕线式电磁变压器存在的这些缺陷，所以很难使绕线式电磁变压器实现高效小型化。目前绕线式电磁变压器成为了电子产品中体积最大的器件，成为了电子产品实现小型化的主要障碍之一。而且绕线式电磁变压器由于其存在漏磁和电磁辐射，所以工作过程中会对周围环境造成一定的电磁干扰问题。所以一种高效、小型化和无电磁干扰性能的变压器是实现电子世界小型化的迫切需要。除此之外，在制作高压电源时，由于存在高压绝缘问题，若使用绕线式电磁变压器来作为高压电源的升压变压器，则容易发生击穿，从而导致变压器短路，虽然绕制问题随着技术的提高都已得到解决，但是高压包击穿现象经常发生，返修率在所有部件中仍然比较高，从而影响了电子设备工作的可靠性。 20 世纪 50 年代，由美国 C.  A.  Rosen 首次提出了压电陶瓷变压器(Piezoelectric Ceramic Transformer)的概念[3,4]，并制成了第一个压电陶瓷变压器。压电陶瓷变压器的材料结构和工作原理都不同于绕线式电磁变压器，它是由压电陶瓷材料构成，并经高温烧结和高压极化，具有耐高温、高压能力，且具有效率高、体积小、无电磁干扰、不易燃烧和升压倍数高等特点[5-8]。从结构上可以看出，压电陶瓷变压器的体积比绕线式电磁变压器小得多，而且，压电陶瓷变压器易实现规模化生产，能大大降低其生产成本，从而在竞争中更具优势。此外，压电陶瓷变压器不产生电磁干扰，也不受电磁干扰的特点，使压电陶瓷变压器的使用更具优势，特别是使用于对电磁干扰比较敏感的环境，比如在粒子加速器中，如果使用绕线式电磁变压器来为粒子加速器提供高压，因为绕线式电磁变压器会对周围元器件产生电磁干扰，所以需要特意将绕线式电磁变压器放置在离粒子加速器很远的地方，或者经过特定的电磁屏蔽处理，但这些都会增加产品的设计难度，并且产品工作可靠性不高，而使用压电陶瓷变压器不会对周围环境产生电磁干扰的影响，从而大大降低了设计难度。

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1.2  国内外研究现状

最初压电陶瓷变压器由 Rosen 提出，并制造出了 Rosen 型压电陶瓷变压器，这是结构最简单的变压器，也是使用最广泛的变压器。起初，压电陶瓷变压器为单层变压器，其升压倍数低，所以当时没有得到广泛应用。随着高性能压电陶瓷材料的研制及压电陶瓷变压器结构的改善，压电陶瓷变压器的升压倍数和效率都有了很大的提高。再加上压电陶瓷变压器所具有的优良特性，因而压电陶瓷变压器的应用又一次受到了人们的重视，并吸引了大量科研机构和企业在压电陶瓷变压器方面的研究[14-17]。 目前，压电陶瓷变压器的功率一般为几瓦，有少量压电陶瓷变压器的功率做到了几十瓦，所以其主要应用在小功率高压电源中。针对其功率小的缺陷，有三种方法可以提高压电陶瓷变压器的输出功率，一是改善压电陶瓷材料[18]，二是改进压电陶瓷变压器内部结构，三是压电陶瓷变压器的并联连接。 最初压电陶瓷变压器由一元系压电陶瓷材料构成，但一元系压电陶瓷材料性能差、功率低，为了改善这些性能，从而研制出了三元系、四元系压电陶瓷材料，如清华大学研制出了三、四元系压电陶瓷材料，从而使压电陶瓷变压器的功率有了一定的提高。 压电陶瓷变压器内部结构的改进也能很好地提高其升压倍数和输出功率，最初的压电陶瓷变压器为单层压电陶瓷变压器，如图 1-1 所示。随着工艺的不断完善，压电陶瓷变压器向多层结构发展，现在已研制出多层压电陶瓷变压器，如图 1-2 所示。日本 NEC 公司研究出了三次多层压电陶瓷变压器。单层和多层压电陶瓷变压器结构相似，单层压电陶瓷变压器在输入部分只有单层，而多层压电陶瓷变压器在输入部分存在多层。单层压电陶瓷变压器相对于多层压电陶瓷变压器具有制作简单、成本低等特点，但是多层压电陶瓷变压器的升压倍数和输出功率比单层压电陶瓷变压器大很多，是现在普遍应用的压电陶瓷变压器。 

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第 2 章  压电陶瓷变压器的工作原理及特性

 

2.1  引言

压电陶瓷变压器的工作原理完全不同于绕线式电磁变压器，所以要很好地使用压电陶瓷变压器进行设计需要对压电陶瓷变压器的特性有很好的了解。压电陶瓷变压器是一种新型的变压器，其与线绕式电磁变压器存在很大区别，压电陶瓷变压器的工作状态与压电陶瓷变压器所具有的特性密切相关，为使压电陶瓷变压器能高效的工作，从而有必要先阐述压电陶瓷变压器的结构和工作原理，再分析压电陶瓷变压器的特性，为后面很好地使用压电陶瓷变压器进行设计打下基础。最终根据压电陶瓷变压器的工作特性提出本文的设计方案。 

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2.2  压电陶瓷变压器的结构和工作原理

1880 年，由法国的居里兄弟皮尔与杰克斯发现了压电效应，随后制成了压电陶瓷材料。压电效应的产生是机械能与电能之间的转变。当在压电陶瓷片的某个表面施加压力时，其内部会出现极化现象，同时在压电陶瓷变压器对应的两个表面产生数量相等、符号相反的电荷；当外力撤去后，压电陶瓷片内部极化现象消失，表面恢复到不带电状态，这种将机械能转变为电能的特性称为正压电效应。当对压电陶瓷片施加一电场时，压电陶瓷片会发生与电场强度成比例的机械形变，当对压电陶瓷片的某两个表面施加一交变电场时，则在压电陶瓷片的内部发生机械振动，这种将电能转变为机械能的特性称为逆压电效应。 压电陶瓷变压器引用压电陶瓷材料的压电效应实现了机械能与电能的转变，压电陶瓷变压器的结构如图 2-1 所示。压电陶瓷变压器分为两个部分，即驱动部分和发电部分，A 半部分将变化的电能转化为机械应力，定义为驱动部分，而 B 半部分将压电陶瓷片内部的机械应力转化为交变电能，从而定义为发电部分。压电陶瓷变压器一般由锆酸铅（O3PbZr）、钛酸铅(O4PbTi)和铌酸锂（LiNbO3）经高温烧结而成，烧结成型后通过细磨以得到精确的尺寸，得到符合要求的压电陶瓷片后，在 A 半部分的上下面涂上银浆，作为压电陶瓷变压器的输入端的两个极，再在 B 半部分的右侧端面涂上银浆，则高压输出端由此侧面与 A 半部分的下表面构成，这就是其构造和制作过程。

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第 3 章  主拓扑结构及参数设计 ........ 19 

3.1  引言 ....... 19 

3.2  电源总体技术指标 ....... 19 

3.3  电源整机原理框图 ....... 19 

3.4  主拓扑构成及原理 ....... 20

3.5  软开关技术 .......... 24 

3.6  本章小结 ....... 28 

第 4 章  控制环路及硬件电路设计 .... 29 

4.1  引言 ....... 29 

4.2  控制环路稳定性分析 .... 29 

4.3  硬件电路设计 ....... 35 

4.4  本章小结 ....... 40 

第 5 章  电源样机实验结果及分析 .... 41 

5.1  引言 ....... 41 

5.2  实验测试平台 ....... 41 

5.3  电源样机的输出电压 .... 42

5.4  实验特性波形分析 ....... 46

5.5  电路安全性分析 .... 48 

5.6  本章小结 ....... 49  

 

第 5 章  电源样机实验结果及分析

 

5.1  引言

此电源模块的主电路中前级通过 Buck 电路进行降压，并起稳定输出电压的作用，后级通过压电陶瓷变压器和倍压整流电路实现升压。控制电路利用芯片 UC2823，实现反馈回路控制，前后两级电路通过同步电路实现了工作的完全同步。在上文理论研究的基础上，搭建硬件电路实验验证。本章给出了此电源模块的实验结果与分析。实验测试平台主要由示波器、直流电源、高压探头、隔离探头等仪器组成，将主要仪器型号列于表 5-1。 实验中使用通用板搭接了实验电路，电源样机实验平台如图 5-1 所示。实验中通过直流功率电源为电源样机提供直流输入电压，使用高压探头检测电源样机的输出电压，开关管驱动波形稳定性通过示波器进行显示，根据实验要求，使用三路线性直流源设定调压值，从而调节各个输出电压值。通过此实验平台完成了整个实验过程，并获得了很好的实验结果。根据设计指标要求，通过调节调压值（0~5V）测试电源样机对应的输出电压值，调压值应与电源样机输出电压满足线性对应关系。由于实验条件的限制，没有满足此高压的可调电子负载，所以无法进行连续的负载调节。为了验证此电源模块在各带载情况下具有很好地输出稳定性，实验中测试了满载和空载条件下各调节电压值对应的输出电压。此外，通过满载和空载条件下各调节电压对应输出电压值的对比来验证输出电压的稳定性。 

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结   论

 

本文以压电陶瓷变压器为核心升压元件，针对其不易控制的难题，提出了一种新的控制方法，即两级级联结构的控制方法，采用 Buck 电路与压电陶瓷变压器升压部分级联的方式，并通过定频定占空比与 PWM 结合控制，解决了间断工作方式带来的输出电压纹波大的问题。经理论研究和样机实验，结论如下： 

（1）提出了两级级联结构的控制方法，实现了对压电陶瓷变压器的良好控制。采用前级 Buck 电路与后级升压电路级联的方式，通过定频定占空比控制压电陶瓷变压器工作于谐振频率附近，而利用 PWM 控制 Buck 电路实现输出稳压，从而既实现了压电陶瓷变压器的高效工作，又实现了输出的稳压，并且电路工作在不间断模式，使输出电压纹波较小。 

（2）采用定频定占空比的方法驱动压电陶瓷变压器，使电路更易被优化。半桥电路中的开关管通过定频定占空比进行控制，由于频率和占空比固定，因此各个周期工作状态相同，对一个周期的元件优化设计可以推广到其他周期，从而有利于电路的优化。 

（3）通过分析研究两种驱动波形，采用正弦波作为压电陶瓷变压器的驱动波形，实现了压电陶瓷变压器的高效运行。通过在压电陶瓷变压器输入端加入电感，与输入寄生电容形成低通滤波器，滤除高次谐波，得到正弦波输入。由于压电陶瓷变压器的升压倍数与工作频率密切相关，从而除去了高次谐波的低效传输，使压电陶瓷变压器更高效地工作。 

（4）LC 谐振实现了软开关，减小了开关损耗。LC 谐振使半桥电路工作在软开关状态，提高了整体效率。 

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参考文献(略)

 

 

第 1 章  绪   论

 

1.1  课题背景及研究目的和意义

过去十年来，电力电子在分布式能源、储能系统、交通系统以及微电网中的应用越来越广泛，以电力电子功率变换器为基础的系统大有取代传统的机械、液压系统之势，这是因为电力电子设备可以以更小的体积、重量以及维护操作成本保证更高的效率、安全性以及可靠性[1]。但是这些设备在工作的同时往往要产生一些有用或者无用的电磁能量，这些能量如果影响到其他设备的正常工作，或者其他设备发出的能量影响到某个我们使用的设备的正常工作，就形成了电磁干扰[2]。为了营造一个良好的电磁环境，减少各种设备间的相互干扰和电磁污染，有关国际组织和许多国家对电子、电气产品规定了相应的电磁兼容质量标准，具有权威性和广泛影响的是 CISPR、IEC、CENELEC、MIL、FCC、GB 等标准[3]。为了使产品能够进入当地市场，则必须满足当地市场的相关标准要求，因此对电力电子设备的电磁兼容研究是十分必要的。 现代电力电子变换技术，对电能有着灵活多变的变换形式。无论何种形式的变换，为了追求良好的电源装置整机效率以及小型化，装置中的功率半导体器件通常工作在开关状态，其开关频率从几十 Hz 到几 MHz 不等，同时器件两端电压、电流的摆幅也很大，从几十 V 到几十 kV 不等[4-6]。由功率半导体器件的开通和关断形成的电压、电流波形，其前后沿具有较高的 dv/dt和 di/dt 变化率。同时由于电路寄生参数的效应，其上会附有强度较大的电压、电流毛刺。这些电压脉冲序列和电流脉冲序列形成了很强的噪声干扰源，会形成不同类型的电磁干扰[7]。随着碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）这类快速开关半导体器件的出现，电源装置在向着高开关频率、高效率、高功率密度的技术方向发展的同时也给电磁兼容的设计带来了更大的挑战[8]。 分布式能源、储能系统、微电网系统以及通信电源系统都是由多个电源模块级联而成，这种电源模块间的相互影响导致了更为复杂和隐秘的传导发射噪声。为了能够使产品前期 EMC（Electromagnetic Compatibility）设计和后期 EMI（Electromagnetic  Interference）整改都更为顺利，缩短产品研发时间，减小耗费的人力和物力。对开关电源模块传导发射的研究是十分必要的，包括确定传导发射源头、建立传导发射模型及优化 EMI 滤波器设计。

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1.2  开关电源传导发射建模与抑制国内外研究现状

开关电源的传导发射建模对于传导发射噪声消除具有重大意义，正确的传导发射模型可以准确地预估传导发射噪声幅值，从而能够提前对产品的设计进行整改，缩短产品的研发时间；基于传导发射模型设计的 EMI 滤波器，可以做到同时兼顾滤波性能和体积优化要求。目前针对传导发射建模主要集中在时域建模和频域建模两个方面，各自的优缺点将在下面进行详细的阐述。时域模型比较适用于基于电路分析的仿真软件。采用时域仿真，需要知道具体的原件参数和详细的半导体器件物理模型，因此时域仿真是基于物理原理的仿真[9]。虽然时域仿真很直观，但是元件的高频模型往往很难提取，影响到仿真的精度，而且为了提高仿真的精度，通常把时域仿真步长设置的很小，这往往会增加仿真的时间，并且物理模型的复杂性有时也会导致仿真的不收敛问题。尽管有时为了简化仿真，往往把功率半导体器件的干扰源简化为一个梯形波[10]，但是由于时域仿真模型高度依赖器件的布局，走线的方向。即使微小的变动也会导致仿真结果大相径庭，限制了模型的精确度。因此为了简化模型，并且提高模型的准确度，频域建模应运而生。

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第 2 章  双相交错并联 Boost 变换器传导发射问题 

 

2.1  引言

本章提出了一种新的传导发射测试布局，这种实验布局可以模拟后级开关电源模块对非隔离 DC/DC 变换器传导发射的影响。明确了非隔离 DC/DC电源模块带电阻负载和接后级开关电源模块负载时传导发射噪声的异同。

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2.2  非隔离 DC/DC 变换器应用及其 EMI 问题

非隔离的 DC/DC 变换器因其具有低成本、高效率和高功率密度等特点[34]被广泛地应用在通信二次电源系统中。传统的开关电源传导发射测试布局是在待测设备的输出端接入相应的电阻负载，通过 LISN（Line  Impedance Stabilization Network）上测得的噪声幅值大小判断待测设备是否符合 EMI 传导发射的要求。但是对于应用在通信电源二次系统中的非隔离 DC/DC 变换器来说，由于其负载是级联的开关电源模块，因此不能简单地将负载当作纯电阻来处理。这是因为后级开关电源模块的输入母线与地之间往往并联有共模滤波电容，这个共模滤波电容很有可能为非隔离 DC/DC 变换器的输出电压噪声回流到输入侧 LISN 提供回路，所以带电阻负载时测得的传导发射噪声并不能真实地反映非隔离 DC/DC 变换器在实际工作环境中的传导发射噪声。为此，针对应用在通信电源二次系统中的非隔离 DC/DC 变换器，提出了一种新的 EMI 传导发射测试布局。 这种新的传导发射测试布局如图 2-1 所示，在非隔离 DC/DC 变换器的输出侧与相应的电阻负载之间串联一个 LISN，此时输入侧的 LISN 和输出侧的LISN 共地。这种通过在电源输出侧加 LISN 来模拟后级电源模块中共模电容的影响的方法，具有测试结果归一化和实验布局简单等特点。为了清楚阐明非隔离 DC/DC 变换器传导发射机理，设计制作了一台额定输入电压-48V、输出电压-53V、功率等级 140W，开关频率 172kHz 的双相交错并联 Boost 变换器，其作为中间母线变换器应用在通信电源二次系统中。 双相交错并联 Boost 变换器拓扑结构如图 2-2 所示，主开关管 S1和 S3工作在交错状态下，由于一相的主开关管超前另一相的主开关管半个周期，因此流过每相的电流呈现相互交错的状态，两相电流纹波相互抵消，使输入电流纹波降为原来的一半，两相电感电流波形如图 2-3 所示。双相交错并联的拓扑结构不仅适合应用于大电流场合，同时也会使传导发射噪声频谱中的基频翻倍，使得设计 EMI 滤波器时需要参考的转折频率升高，降低了对 EMI滤波器中滤波电感、滤波电容的参数设计要求，可以达到减小 EMI 滤波器体积的目的。

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第 3 章  双相交错并联 BOOST 变换器传导发射预测 .......... 12 

3.1  引言 ............ 12 

3.2 BOOST 变换器中无源器件建模 ........... 12 

3.2.1  功率电感高频模型 ............ 12 

3.2.2  铝电解电容的高频模型 .... 16 

3.2.3 PCB 寄生参数模型 ............ 18 

3.3 MOS 管的高频模型 ......... 20 

3.4  双相交错并联 BOOST 电路传导辐射预测 ...... 20 

3.5  本章小结 ..... 22 

第 4 章  BOOST 变换器带电阻负载时的传导发射建模 ....... 23 

4.1  引言 ............ 23 

4.2  双相交错并联 BOOST 变换器传导噪声发射模型 ..... 23 

4.3  差模（DM）传导发射模型的建立 ...... 25 

4.4  共模（CM）发射模型的建立 .... 27 

4.5  本章小结 ..... 28 

第 5 章  BOOST 变换器输出侧接 LISN 时的传导发射建模与抑制 ....... 30 

5.1  引言 ............ 30

5.2  输出侧接 LISN 对 BOOST 变换器传导发射的影响 ........... 30

5.3  传统 Γ 型 EMI 滤波器设计 ....... 37

5.4  改进型的 EMI 滤波器设计 ........ 42 

5.5  本章小结 ..... 45 

 

第 5 章  Boost 变换器输出侧接 LISN 时的传导发射建模与抑制 

 

5.1  引言 

第四章建立了双相交错并联 Boost 变换器带电阻负载时的传导发射模型，确定了差模（DM）传导发射和共模（CM）传导发射的干扰源及其干扰路径。本章主要建立双相交错并联 Boost 变换器输出侧接 LISN 时的传导发射模型，确定新的测试布局下的传导发射干扰源及其干扰路径。针对 Boost 变换器输出侧接 LISN 时的传导发射抑制，提出了传统 EMI 滤波器设计时的技术要点，并提出了一种改进型的 EMI 滤波器，其可以用更小的体积达到同样的滤波效果。在 Boost 变换器输出侧接 LISN 的测试布局下，由于输入侧 LISN 和输出侧 LISN 共地，为传导噪声电流的传播提供了新的路径。图 5-2 是只有电压源作用时产生的在相线和中线间流通的电流。此时，可以将功率电感 L1、L2和噪声电压源 Vds1、Vds2的串联等效为功率电感 L1、L2和噪声电流源 IL2、IL2的并联，如图 5-3所示。因为在测试频带内功率电感的阻抗要远远大于输入端口处 CX电容的阻抗，因此我们可以忽略功率电感的影响，将图 5-3 简化为图 5-4 所示，定义此时流经输入侧 LISN 中两个 50Ω 电阻的电流分别为 Il1和 In1。   

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结   论 

 

本文以一台应用在通信二次电源系统中作为中间母线变换器使用的双相交错并联 Boost DC/DC 变换器为实验对象，针对级联后级开关电源模块负载使该非隔离 DC/DC 变换器共模传导发射大幅增加这一现象，首先建立了Boost 变换器带电阻负载时的传导发射模型，接着建立了 Boost 变换器输出侧接 LISN 时的传导发射模型。以 Boost 变换器输出侧接 LISN 时的传导发射模型为基础，提出了设计传统 Γ 型 EMI 滤波器时的技术要点并设计了一种改进型的 EMI 滤波器结构。主要工作总结如下： 

（1）提出了一种针对非隔离 DC/DC 电源模块用作中间母线变换器时的传导发射测试布局，这种测试布局通过在电源模块输出侧加 LISN 的方式来模拟级联电源模块对非隔离 DC/DC 变换器传导发射的影响，明确了非隔离DC/DC 电源模块带电阻负载和输出侧接 LISN 时传导发射的异同； 

（2）建立了双相交错并联 Boost 变换器带电阻负载时的传导发射模型，阐述了差模和共模传导发射的干扰源及其干扰路径，解释了双相交错并联的控制方式对噪声频谱的影响，并仿真验证； 

（3）建立了双相交错并联 Boost 变换器输出侧接 LISN 时的传导发射模型，根据干扰源作用于电路的方式不同，分析并建立了噪声电压源、噪声电流源产生的三种不同性质的传导发射噪声的干扰模型。通过对三种不同性质的干扰模型的分析，阐明了 Boost 变换器输出侧接 LISN 时导致传导发射恶化的原因； 

（4）针对 Boost 变换器输出侧接 LISN 时传导发射噪声激增的现象，设计传统 Γ 型 EMI 滤波器。为了进一步减小 EMI 滤波器的体积，提出了一种在 Boost 变换器输出侧母线串联差模电感的协调设计方法，其能以更小的体积达到同样的滤波效果，并仿真验证。

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参考文献(略)

 

 

1绪论

 

1.1课题研究背景与意义

近年来随着工业现代化的迅速发展,越来越多的非线性负荷和冲击性负荷应用到了工业生产上,这些负荷大量的并入到电网,造成电网的污染,使得电能质量的问题越发严重。而且当前许多基于微处理器的电力电子设备的应用也越来越多,这种设备对电能质量十分的敏感,要求电能有更高的品质⑴。电力系统中频繁出现的电压偏差、频率偏差、电压波动和闪变、三相不平衡、功率因数低等都是电能质量问题。其中,电压与功率因数的质量问题占整个电能质量问题的80%左右[2]。因此抑制电压波动和闪变、提高功率因数成为急需解决的问题。对系统与负荷的无功功率进行实时补偿以维持电压稳定和提高功率因数成为改善电能质量的重要措施之一。静止无功补偿装置(SVC)是一种技术成熟的无功补偿设备,随着国内电力电子技术的发展,国内也拥有了较为成熟的SVC成套设备的制造技术。作为一种改善电能质量的设备,SVC在电力系统中发挥着重要的作用。SVC通过快速和连续的对无功功率进行补偿,使三相负荷保持平衡状态,提高系统的功率因数,改善用户最关心的电压波动和闪变问题,提高了系统的电能质量。使用SVC对电力系统中的负载进行无功补偿己经得到了广泛的应用。这种方法在改善功率因数方面已经有了令人满意的结果,但是由于响应速度的原因,在抑制电压波动和闪变的问题上仍然不完美。影响响应速度的主要原因是信号检测的算法,而传统的算法检测到的电压电流信号含有较多的谐波会导致响应延时而且有误差。瞬时无功功率理论提出的对无功功率的瞬时检测的方法推动了无功补偿技术的发展[3],但是该理论在静止无功发生器(Static VarGenerator,简称SVG)和有源电力滤波器应用比较广泛,很少应用于SVC中。随着工业企业中冲击性负荷与不对称负荷造成的电压波动和闪变的问题越来越严重,需要从根本上解决这个问题。利用瞬时无功功率理论研究SVC的控制算法对抑制电压波动和闪变有很大的现实意义。

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1.2无功补偿的意义

无功功率对电力系统中负荷的正常运行十分重要。系统中的大多数负载需要消耗无功功率,这些无功功率需要从电力网络中获取,但是由发电机来进行长距离的传送无功功率是不合理的。无功补偿的作用就是在消耗无功功率的地方产生无功功率,这样,无功能量只在补偿装置和负载之间流动,不再由电网提供这些能量,这种方法经济而且高效。无功补偿分为两类:一是面向系统的补偿,即输配电系统中的线路补偿;二是面向负荷的补偿,主要是冲击性负荷与不对称负荷。负荷补偿适用于低压配电网中的就地补偿,主要用来在负荷端对大量消耗无功的负荷进行补偿[6]。在大负荷用电企业中,无功补偿装置安装在局域配电网中,补偿了负荷的感性部分,使在局域配电网中流通的无功电流大量减少,可以有效减少线路上的损耗,提高功率因数。冲击性负荷是指在电力系统中急剧且频繁变化的负荷,这种负荷会造成电力系统的电压和频率的波动,严重的影响电能的质量,而不对称负荷会造成电力系统的三相不平衡,产生负序电流[7]。其中,无功性质的冲击性负荷与不对称负荷会造成电力系统中电压偏差和电压波动。这种偏差和波动不但影响到电力系统的正常运行,也会对其他的用电设备造成影响。比如:损害电气设备的绝缘部分,产生高次谐波污染电网;电动机长时间低电压运行会造成电动机发热甚至烧毁;损坏照明设备,使电气照明质量受到严重影响;影响电磁类的设备正常工作,使电子控制系统失灵;影响对电压波动比较敏感的电气、电子设备,使其不能正常工作[8]。在工业企业中存在着大量的冲击性负荷与不对称负荷,对电力系统的稳定和用电设备的使用造成很大影响。因此,使用无功补偿装置就地补偿无功功率显得很有必要。

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2静止无功补偿装置的基本原理介绍

 

2.1 SVC的基本类型

静止无功补偿装置(SVC)是一种能够跟踪电力系统或负载的无功功率变化,进行实时且快速的补偿无功的装置,主要应用于电力系统的线路无功补偿和冲击性负荷与不对称负荷的就地补偿。SVC的补偿元件通常是由固定电容器和可调节的电抗器等储能元件组成,因此可以补偿感性无功也可以补偿容性无功,二者之间可以平滑的调节。通过调节SVC与电力系统或负荷之间交换的无功功率大小可以维持其端电压保持稳定,抑制电压波动和电压闪变,提高功率因数。SVC的两种常用类型分别是TCR和TSC,TCR通常与TSC组成TCR+TSC,或者与FC组成TCR+FC,在负荷补偿中通常采用TCR+FC⑴]。下面对TCR和TSC分别介绍。单相TCR的基本结构是由电抗器与一对反并联晶间管串联组成。在高压系统中,由于晶间管的耐压能力有限,在实际安装过程中一般采用多个反并联晶闹管串联后组成晶闹管阀接入系统,以满足电压和容量的需求[12]。在一般的负荷补偿中,也需要做好晶闹管的保护工作。

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2.2 SVC的无功功率特性分析和补偿容量计算

图2-5b所示为无功功率需求和无功功率输出之间的补偿特性曲线。因为SVC输出总的无功功率是TCR支路的感性无功功率与电容器支路的容性无功功率抵消后的净无功功率,通过调节TCR的无功功率可以使得SVC的补偿范围从感性范围延伸到容性范围[26]。如图2-5b所示,横坐标是无功功率需求,左侧为容性需求,右侧为感性需求;纵坐标为无功功率输出;最上面的斜线表示TCR的吸收的感性无功功率;最下面的平行直线表示FC输出的容性无功功率;中间的斜线表示SVC的合成的净无功功率输出[27]。从补偿特性曲线可以得出结论:根据负载的变化当需要SVC输出最大的容性无功功率时,将TCR的触发延迟角c<设置为180° ,即将TCR支路断开,则此时SVC输出为FC的容性无功功率逐渐减少晶间管触发延迟角a,则TCR的感性无功功率会随之增加;当合成无功功率曲线到达零点时,TCR的感性无功功率和FC输出的容性无功功率相等而恰好抵消,净输出无功功率为零;继续减小则TCR吸收的感性无功功率超过FC输出的容性无功功率,SVC此时输出的净无功功率为感性无功功率,实现了无功功率从容性到感性平滑调节功能;当a =90°时,TCR支路完全导通,则SVC装置输出的感性无功功率达到最大值[28]。为了满足无功调节范围从-0到+0,假设FC的无功容量为2,则TCR支路的容量至少为22。

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3无源滤波器及电抗器的设计......14

3.1无源滤波器......14

3.1.1单调谐滤波器......14

3.1.2高通滤波器......16

3.1.3双调谐滤波器......17

3.2无源滤波器的元件参数计算......18

3.3基于Ansoft Maxwell的电抗器的设计......21

3.4本章总结......26

4瞬时无功功率理论及无功电流检测......27

4.1瞬时无功功率理论介绍......27

4.2瞬时无功功率的坐标变换及无功电流检测......27

4.3本章总结......33

5 SVC的控制策略分析与仿真验证......34

5.1传统的SVC传统的控制策略仿真分析......34

5.2基于瞬时无功功率理论的SVC控制策略分析与仿真......37

5.3实验验证......47

5.4本章总结......48

 

5 SVC的控制策略分析与仿真验证

 

从第二章节的SVC的补偿原理的内容分析中得知,为了使得SVC能够快速而准确的补偿系统的无功功率,首要的工作就是根据系统的动态变化计算出TCR需要投入的等效电纳,以针对系统的功率因数低与负荷不对称两方面能够快速的补偿相应的无功功率。本章首先是介绍了传统的以电压稳定为目的SVC的控制策略,然后分析了一种新的控制策略,即以不平衡负荷为控制目标,利用瞬时无功功率理论,以提高负荷的功率因数为目的制定了 SVC的控制策略。为了验证电压反馈的控制策略可以很好的稳定电压,利用PSCAD软件搭建了 SVC的仿真模型。PSCAD是广泛使用的电磁暂态仿真软件,可以应用在电力系统许多类型的模拟研宄,结果非常精确。其中,PSCAD提供了专业的静止补偿器的模块,为搭建仿真模型创造了很大的便利性。利用图5-1的控制方法搭建的仿真模型如下图所示:

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总结

 

本文针对电力系统中的三相不平衡为目标,以瞬时无功功率理论为依据,重点设计了针对负荷补偿的静止无功补偿装置SVC的控制算法。由于SVC会产生谐波,必须要加装滤波装置,因此分析了常用的单调谐滤波器与高通滤波器,并以单调谐滤波器为例推导了滤波器的元件电容器与电抗器的计算公式。以三维立体卷铁芯电抗器为例,在有限元电磁仿真软件AnsoftMaxwell中建立了电抗器的模型,并进行了有限元的计算与电磁仿真,这是一种区别与传统的制作电抗器的新的设计方法。最后利用基于瞬时无功功率的?-‘算法制定了 SVC的控制策略,并利用Matlab/Simulink建立了仿真模型,通过仿真与实验验证了这种策略的可行性。本文的主要工作如下:

(1)详细分析了常用的静止无功补偿装置TCR+FC的电路结构与接线方式,推导了......TCR的基波电流、等效导纳、触发延迟角的关系,并重点分析了 SVC的动态补偿原理及保持电压稳定的根据,推导了在实际安装工程中的TCR的安装容量与补偿容量的关系。

(2)对无源滤波器做了详细的分析与公式推导,在实际工程中,由于TCR会发出大量谐波,一般总会和滤波器并联使用。滤波器的关键要素就是电容与电感的配合使用,选择参数合适的电感与电容会达到更好的滤波效果。

(3)电抗器是SVC的重要的无功补偿部分,目前电抗器的使用范围与数量越来越大,传统的电抗器制作方法不仅会造成成本和经济的浪费,也不再适用于如今的生产规模。本文以三维立体卷铁芯电抗器为例,按步骤分析了 Ansoft Maxwell的使用方法,建立了电抗器的模型并仿真了电抗器的内部磁通分布,为制作电抗器提供了新的便利的方法。

(4)传统的SVC的控制方法是基于平均功率的电压控制方法,以电压的变化为参考量计算SVC等效导纳,达到稳定电压的目的。利用斯坦米兹理论与瞬时无功功率理论结合的方法,针对不平衡负荷与电网侧的故障,可以很好的提高功率因数。并在Matlab/Simulink中搭建了SVC的模型与控制系统,进行了控制算法的仿真,通过仿真和实验验证了算法的可行性.

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参考文献(略)

 

 

1绪论

 

1.1课题研究背景

随着近些年气候变化反常及极端天气等自然灾害的频繁出现,对于环境问题的关注己渐趋全球化。许多国家已经起草空气污染立法草案以期到2020年将发电业的碳排放减少20%,而一些国家也通过了若干新法规并制订了进一步降低传统非可再生能源发电所占比例的计划⑴。在注重环境保护与低碳化的全球性主题背景下,我国的工业发展走入了战略转型的关键阶段,如未来一段时期内经济保持平稳增长,全国发电装机容量有望在2020年达到约15亿千瓦[2]。显而易见的是供电电源系统存在着比较巨大的开发潜能;而另一方面,过去的许多年里电力基础设施建设得益于自由化的进程而相对放开,化石能源及其供应安全在未来仍具有较大不确定性。因此,为了改善电源体系格局,落实节能减排以及清洁发展,可再生能源发电的研究及并网应用成为不容规避的电力技术革新之路。可再生能源发电在配电网等级的分布式渗透,能够为电力系统和用户带来多方面的收益。例如,在停电事故发生时保证用户的用电可靠性、用户电能自产自用从而降低用电成本;为电网延缓了系统网络扩充的投资,尤其是在传统集中式发输电能力相对薄弱的受电区域[3]。此外,除了具有上述的诸多运行便利及经济方面的效益,从更为长远和更高格局的角度来看,风能、太阳能等可再生能源分布式接入发电,能够有效利用分散于全国各地充裕的清洁能源,不仅减轻了对储量渐少的化石能源的依赖度,而且在环境保护与可持续发展方面也有所裨益。清洁能源被纳入发电系统有望减少碳排放,减轻环境压力,有益改善日益恶化的气候条件。提高未来电网中可再生能源发电所占份额,大量开发利用可再生能源建设分布式的智能网络以供给电能,为实现脱碳发电提供了可行的途径。

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1.2国内外研究概况

针对可再生能源和分布式发电的特点及其给电力系统运行稳定性带来的困扰,提高系统对间歇性扰动源的有效接纳能力是该课题的技术难点。国内外的研究重点放在电能存储技术方面。通过分布式储能系统的综合控制与有效调控,电力系统能够改善繁杂多样的能源资源的整合程度,稳定由可再生能源供电造成的间歇性扰动丨19]。储能装置在消除系统扰动方面的作用主要体现为:1)能量存储装置可以适时吸纳及释放风能、太阳能和其它可再生能源发电受外界因素干扰的输出功率波动,以确保电能供应的持续与可靠;2)能量存储装置的应用是提高电力系统电压和频率保真度的有效方式,改善了系统的电能质量;3)含分布式可再生能源发电的系统需要有应急电源支持等服务,一些分布式可再生能源发电由于受到外部条件因素的制约,使系统难以拟定具体的发电计划,而有了能量存储装置,就能够很合时宜地提供所需功率,无需关注扰动源在某一时刻的即时发电功率,可依旧按预先设定的计划发电[20]。综合考虑储能技术的应用,可将其归纳为:1)配置在电力供应端,稳定输出扰动,按照调度规划输出,以达到套利操作,增加可再生能源发电的可预见性,改善系统运行经济性;2)配置在电力网络侧,以达到峰谷平衡、用电跟踪、压频调控、双机热备和电能质量管理等效用,使系统的自我调节能力大幅提升;3)配置在用户端,可以运用电动汽车储能构成参与分布式可再生能源调节的虚拟电源.

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2分布式稳压拓扑结构的分析设计

 

2.1电压扰动分析

电力系统中的大部分工业用电负荷如各式各样的电机基本上要依据法拉第定律运行,在其运转时需要维持交变的电场与磁场,这就涉及到了能量的转换,即瞬时功率在不同的能量形式间来回交换。但是根据在电路原理中的推导,这部分未经耗损的功率会在供电点与感性或容性负载间循环往复,并不能转化为电磁能以外的能量而消耗,即不对外界做功,亦即能量在某元件及与其连接的外部系统间以周期性的等量交换(一个具体周期中功率的进出保持等量)作为存在形式,因而这种无法定义为有功功率(可有效转变成其他形式能量而被利用)的功率表现形式被称作无功功率[29]。由于系统网络中除了纯阻性的等效元件之外,还存在着许多感性的或容性的设备设施,常见的有诸如上述的异步电机,以及输配电网中传输变换电能的各种电压等级的架空线路、电缆与各种容量变电站中的变压器等,因而在系统正常运行时会有大量的无功电流在各元件中流动,存在着无功功率交换。

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2.2补偿位置选择

类似于对分布式电源接入位置及其相应效果的研究结论,相同容量的无功补偿装置接入在不同位置时所造成的电压分布管理效果有较大差别。补偿点越接近系统末端节点对线路电压分布的影响越大,而越接近上游的变电站母线对线路电压分布的影响越小;补偿装置集中在同一节点,对电压的支持效果要弱于分布在多个节点上。在一般情况下,很容易调节电气距离远离刚性电压源(如上游的中压腐压网络系统)节点位置上的电压[33]。若无功补偿器远离上游的中高压网络,其所承受的负担会降低,而且相比装设于上游的补偿器,其所需要的无功补偿功率也更少。这可以通过分析图1中所示的简单电路来解释说明。现有的STATCOM补偿器能够在所装设的系统上游节点调节连接点的电压,但负荷母线下游仍会有天然的电压降落,因而系统末端电压仍然可能较低,即使在STATCOM母线上的电压标么值被稳定在1.0。STATCOM作为集中式电压控制器,通常装设于MV/LV系统馈线的PCC点处,所以如果STATCOM停止运行整个下游系统馈线易受影响。综上所述,在达到相同电压调节效果的条件下,补偿点位于远离上游刚性电压源系统的补偿器将比位于MV/LV系统馈线处的集中式补偿器(如STATCOM)需要更少的无功功率;集中式单点补偿器能够调节连接点的电压,但无法改变该点下游系统的电压自然降落;集中式单点补偿器若运行异常,其补偿点下游的整个网络将受到影响。因而,采用分布式的小容量补偿器对于用户侧低压系统的电压管理有着明显的优势。

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3控制策略与实现方案设计......39

3.1可控逆变的控制原理......39

3.2逆变电流源的控制方法与策略......40

3.3逆变电压源的控制方法与策略......42

3.4本章小结......45

4分布式稳压拓外的仿真分析......47

4.1 仿真软件介绍......47

4.2稳压拓扑的模型介绍......48

4.2.1 ES的仿真模型及参数设置......48

4.2.2改进型拓扑的仿真模型及参数设置......50

4.3 仿真分析......52

4.4本章小结......63

5 结论与展望......65

5.1 结论......65

5.2展望......66

 

4分布式稳压拓扑的仿真分析

 

4.1仿真软件介绍

MATLAB是Matrix laboratory (矩阵实验室)的简称,该仿真软件是由MathWorks Corporation于1980年代所开发的一种数学计算与工程应用仿真软件。它集科学计算、自动控制、信号处理、神经网络、图像功能处理等为一体。具有编程效率高、图形功能强等优点。目前,它己是适合多学科、多种工作平台的功能强大的仿真软件。而SIMULINK则是Math works Corporation开发的配套MATLAB仿真环境的、与其同步推出的多用途多功能的动态系统建模及多种工程应用的通用型离线仿真平台。此平台内添加了丰富的基本功能模块库和众多专业领域的工具箱,其中电力系统的模块库集为Power System Blockset(PSB),里面含有电源、元器件等众多模块库,可以用来进行电力系统方面的建模仿真。SIMULINK作为MATLAB软件特有的一种仿真系统,其本身自带有电力系统中的各种元件模型,任意搭建用户所需的各种模型,通过设置各个元件模型的参数或者改变模型的结构来模拟各种情况从而得到各种想要的结架。相对于MATALAB, SIMULINK比较突出的特点是用户不用通过语言编程,而是通过直接搭建各种模型就可以得到仿真结果。模型化图形输入是SIMULINK独有的特点和优势,是指用直接搭建模型来代替语言的编程,这样一来就使得仿真变得非常简单,不再仅限制于编程人员能使用,更适用于各种初学者,不需要了解每个元件模型的内部结果以及如何用语言实现,只需要通过搭建模型,简单调整模型中的元件参数,就可以在最短的时间内得到理想的仿真的效果。

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结论

 

随着风力发电、太阳能发电等清洁电能的发展与应用,对平衡清洁能源发电并网扰动、改善可再生电力电能质量的技术也提出了较高的要求,因而为储能与无功补偿等需求求侧管理技术提供了有利的发展契机。本文以分布式稳压拓扑结构的分析构建为主线,紧紧围绕其运行机制、数学模型、控制策略和实现方式展开了详细的分析介绍。针对需求侧管理领域的热点问题,即分布式补偿系统无功扰动的方案,进行了大量分析,并通过MATLAB/SIMULINK仿真软件提供的仿真平台搭建了 ES与改进型拓扑的系统模型,对文中的理论分析做了仿真验证。全文的研究内容和所得成果如下:

1)对可再生能源发电接入造成的电压扰动进行分析,得出扰动主要是由于间歇性可再生能源的发电功率,特别是无功功率的注入以及在系统中的分布得不到合理的管控而造成的;继而对于稳定电压所需要接入补偿装置的有效补偿位置进行了讨论,采用理论分析与公式推导,说明了在远离系统主要网络架构的低压配电网下游末端进行补偿所具有的优势,以及分布式接入补偿装置对比单点集中式补偿所具有的优越性,得出了分布式稳压方案的合理性;

2)对最近提出的分布式稳压技术ES作了详细的原理分析,说明了其各种工作模式与运行条件,并指出了 ES在实际运行条件下存在的局限性,如补偿点处两类负荷所占的比例不同对ES补偿能力的限制以及ES所串接负荷的端电压耐受能力存在一定的限额。基于ES的局限性提出了一种改进型的拓扑,说明了该拓扑的运行机理,并对构成该拓扑的主要元件结构作了介绍,最后详细分析了该拓扑的基本器件及相应的参数范围。

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参考文献(略)

 

 

1绪论

 

1.1课题研究背景与意义

随着我国经济的快速发展,能源需求量与日俱增。就目前我国的能源格局而言,煤炭仍然是我国能源消费的主要来源。仅去年一年,我国的煤炭产量就达到38.7亿吨,接近世界总产量的一半。目前,我国有11000个煤矿,有580万名煤矿工人。如果按三班倒的话,每时每刻都有近两百万人在地下巷道工作。如此髙的产量,如此多的工作人员,对煤矿企业的运输能力提出了极髙的要求。而提高矿用电机车的运输能力成为解决该问题的有效手段。矿用电机车用于牵引运输车辆完成对煤炭、奸石、材料、设备、人员的运送,相当于铁路运输中的电气机车头,有助于井下长距离运输。矿用电机车分为两大类:架线式和蓄电池式。煤矿巷道中瓦斯和煤尘积存较多,同时在巷道中掘进运输时,由于巷道的不太规则造成运输难度系数加大。在如此复杂、恶劣的工作条件下,蓄电池式电机车相比于架线式电机车有更加明显的优势。目前,蓄电池式电机车多用直流电动机或异步电动机作为驱动装置,但两者都有各自的缺点和局限。由于直流电动机需要使用换向器进行换向,因此结构相对复杂,寿命有限,不易维护;而异步电动机有功功率因数较低,转动惯性大,控制精度低等缺点。随着永磁同步电机控制技术的不断成熟,为矿用电机车的发展提供了新方向。性能优良的电机控制系统是矿用电机车稳定安全运行的前提。永磁同步电机有体积小、结构简单、功率密度高、输出转矩大、动态性能好等优点。但由于永磁同步电机拥有一套极其复杂的数学模型。永磁同步电机的非线性和解稱困难的特征在数学模型中得到充分体现。因此永磁同步电机是一套非常复杂的系统,致使高性能控制不易实现。随着电力电子技术的不断发展,以及电机控制理论的不断进步,使得永磁同步电机控制系统越来越成熟。同时,随着控制算法不断优化,促使变频调速的节能优势越来越明显,增强了矿用电机车的续航能力,获得了更好的运行效果。

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1.2矿用电机车驱动控制系统发展现状

上个世纪的八十年代以来,关于电机控制系统的研究不断白热化,为高精度的传动系统奠定了基础。根据永磁同步电机不同的控制技术,出现了多种控制方法,比如功率因数等于1、直轴电流等于零、弱磁控制等等,以适用不同的需要和应用场合[6]。随着微电子技术和计算机技术的发展,永磁同步电机的控制系统经历了从最初的模拟式控制到板模拟、半数字的混合控制,再到如今向着全数字化控制发展。与此同时,单片机、微机及DSP控制芯片的快速发展,还有现代控制理论与新的控制思想的结合,为永磁同步电机在精度要求高的控制系统中奠定了基础。而数字化芯片计算速度的提高,软件算法的优化,更是保证了永磁同步电机控制系统的稳定性,同时动态响应能力也得到加强。

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2永磁同步电机控制系统

 

2.1同步电机数学模型

由永磁同步电机的结构特点可知,永磁同步电机相当于画定激磁的同步电机,因此,本文从直流激磁的同步电机入手,对电机调速系统进行分析。电机电枢磁通势由通入定子绕组的三相对称电流产生的,是三相合成旋转磁通势;转子侧励磁磁通势是由永磁体恒定磁场产生的。在不考虑启动问题的情况下,两者以相同速度,相同方向同步旋转,但在空间上却不一定位置完全相同,可能一个在前,一个在后,一同旋转。因此,对永磁同步电动机的研究,要从分析同步电机的数学模型开始,其基本数学模型是在电机定子三相对称绕组所在的自然坐标系下推导而来,永磁同步电机可视为其特殊情况。本文在建立同步电机数学模型时,有如下假设条件:(a)定子三相绕组在空间对称分布,气隙磁势和磁密在空间作正弦分布;(b)忽略磁路饱和及铁心损耗;(C)忽略温度对电机参数的影响;(d)釆用电动机惯例设定的正方向。

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2.2永磁同步电机数学模型及特性

电磁转矩与功角和内功率因数角均存在非线性的函数关系。保持电压不变,改变功角,电磁转矩大小随之变化;而保持电流不变,改变内功率因数角,同样有改变电磁转矩大小的作用。因此,可以通过两种不同的方法实现对电磁转矩的控制,即电压控制方式和电流控制方法。电压控制方法通过调节电压幅值和相位控制转矩,适用于电压型逆变器;电流控制方法通过改变电流的幅值和相位控制转矩,适用于电流型逆变器。永磁同步电机由永磁体产生激磁,与恒流励磁的同步电机。当运用磁场定向控制原理,对永磁同步电机进行控制时,要注意永磁同步电机的转子永磁体磁场恒定不变,只能从定子侧进行控制,归结为纵轴恒流激磁条件下的定子侧电压电流控制。根据不同的定向方式,永磁同步电机磁场定向控制有多种方案,比较常用的有:转子磁链定向控制,定子磁链定向控制,最优转矩控制,弱磁控制等。

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3永磁同步电机无位置传感器控制系统......31

3.1永磁同步电机动态模型......31

3.2干扰观测器设计......32

3.3转子位置和转速的估算......37

3.4本章小结......39

4永磁同步电机控制系统仿真......41

4.1永磁同步电机矢量控制仿真模型建立......41

4.1.1永磁同步电机模型选择......42

4.1.2PI 调节器......42

4.1.3SVPWM 生成模块......43

4.2仿真结果..................43

4.2.1永磁同步电机磁场定向控制策略仿真......43

4.2.2转子位置及转速估算仿真......47

4.3本章小结......48

5系统的硬件电路设计......49

5.1系统硬件结构总体设计......49

5.2控制板电路分析......50

5.3驱动板电路分析......58

5.4功率板电路分析......62

5.5本章小结......63

 

6系统的软件设计

 

6.1系统软件总体设计

本文研究对象为矿用电机车,使用永磁同步电机作为系统的驱动核心。因此,本系统为永磁同步电机控制系统。针对本系统进行软件设计时,需要从系统的实际功能出发,根据软件工程原理执行需求分析。在需求分析的基础上,编写代码。代码的编写必须遵循一定的规则,便于阅读、修改和移植。最后,对代码进行调试,修补漏洞,实现需求所规定的功能。本系统的软件设需遵循以下原则:(1)系统软件功能模块化,尽量减小各模块之间相关性,功能模块变量封装成结构体形式;(2)底层驱动模块化,增强上层功能模块的独立性,便于软件在不同硬件平台移植;(3)慎重使用局部变量,统一采用全局变量定义,增强变量名的可读性,避免堆検的溢出;(4)对于各类功能的执行频率,进行清晰地划分,合理分配任务的优先级,确保轻重缓急的合理布置与关键功能的实时性要求;(5)严格保证程序执行时间的可预见性,避免不可预见的等待与循环;(6)源代码书写规范化,增强代码可读性,合理搭建软件框架。本系统为矿用电机车驱动系统,需要实现其启动、停车,稳定运行,实时监控电机参数等功能。软件釆用模块化设计,主要由主程序和五个中断服务子程序组成。主程序适于处理实时性要求不高的事件,因此主要负责单片机和各个变量的初始化。中断服务子程序将处理更重要的事件,例如:矢量控制中断、AD中断、通信中断、测速定时中断等。

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结论

 

本文研究对象为矿用电机车驱动系统。在国内外矿用电机车驱动系统研究的基础之上,对国内矿用电机车驱动系统的优缺点进行分析,并借鉴国内外永磁同步电机的最新研究成果,选用永磁同步电机作为驱动系统的核心部件。根据矿用电机车的工作环境和性能要求,釆用按转子磁链定向的矢量控制技术,实现对电机输出转速的精确控制。同时,使用无位置传感器控制技术,实现对转子位置和转速的估算,避免了位置传感器的安装和维护难题,简化了系统硬件设计。本文针对永磁同步电机现有问题进行了讨论研究,对磁场定向控制策略和转子位置和转速估算方法进行了分析,取得了以下成果:

1.分析矿用电机车驱动系统的实际功能需求,使用永磁同步电机做为系统的驱动电机,分析电机数学模型,应用磁场定向控制技术,实现速度、电流双闭环控制,提闻系统动态性能。

2.研究永磁同步电机无位置传感器控制原理,釆用干扰观测器实现对转子转速和位置的估算,简化了控制系统的硬件结构,使得永磁同步电机更好地适应了井下复杂、恶劣的工作环境。

3.基于电机控制理论的研究,利用MATLAB/Simulink仿真平台对本文提出的控制策略进行仿真实验,验证理论的正确性和控制系统的性能。

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参考文献(略)