电气自动化硕士论文范文十篇

来源: www.sblunwen.com 作者:lgg 发布时间:2018-05-30 论文字数:38594字
论文编号: sb2018052717564221320 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
本文是一篇电气自动化论文,电气工程及其自动化专业是电气信息领域的一门新兴学科,但由于和人们的日常生活以及工业生产密切相关,发展非常迅速,现在也相对比较成熟。
本文是一篇电气自动化论文,电气工程及其自动化专业是电气信息领域的一门新兴学科,但由于和人们的日常生活以及工业生产密切相关,发展非常迅速,现在也相对比较成熟。(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。
 

电气自动化硕士论文范文篇一

 
第1章 绪论 
 
1.1  课题研究的背景和意义
能源是人类社会前进、验证自助领取彩金发展与生产生活的动力源泉,随着迅猛发展的验证自助领取彩金社会环境,大幅度提高的人民生活水平,进而加大人类对能源的需求量。长期以来人类主要以开发化石燃料为主,但化石燃料是不可再生资源,随着人类乱采乱开,造成大量资源的浪费,可利用的资源正在不断的减少,更为严重的是人类不合理的使用对赖以生存的自然资源如空气、水、土壤等造成了极大的破坏[1]。环视全球,正在不断衰减的煤、石油、天然气等不可再生资源,各大工厂不断排放着不完全燃烧的黑烟的烟囱,汽车排放的尾气等等,造成空气中弥漫着各种有毒气体和颗粒,现在我们每天都不得不面对雾霾天气、各地频发的酸雨、泥石流和污染的水等现象,在传统的化石燃料快速缩减,而人类对物质生活要求日益提高两者矛盾越来越明显,这也是向我们这些科技工作者们提出了更高的要求也是我们必须面对的挑战。面对这个千疮百孔的家园,如何实现可持续性发展[2],使我们社会生产生活不断进步,是我们新时代人的使命与任务,更应该成为全世界不可推卸的一个责任。 世界人民都应积极面对现在不可再生资源正在急剧减少的这一危机[3]。各国政府都在寻求新的技术和理想的资源,来打破人类对不可再生资源的依赖,在当下这种环境背景下,可再生能源被推到人民的视野前。可再生能源[4]就是指自然界中那种取之不尽的可再生能源,如太阳能、风能、潮汐能等[5]。仅太阳能来说,每年可接受的光照能量就已经达到 1.73×1018k W·h,全世界一年内消耗所有能量的总量不到太阳每秒向地球辐射的能量的三万五千分之一,相当于 600万吨煤炭燃烧后所产生的能量的总和。与其他可再生资源相比,太阳能就有更加广阔的开发潜力并且具有持久性、适用性等优秀的品质,具有清洁、绿色、无噪声、可靠性高等特点,是这些可再生资源中最具有开发性的环保能源。
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1.2  国内外发展状况及研究现状
光伏发电是将太阳能通过光伏电池板转化成电能的一种发电方式,光伏发电系统是当前应用最广泛的发电方法,从光伏发电站到太阳能路灯,它已经融入进我们的生活,尽管这些发电规模有大有小,应用方式各有不同,但是光伏发电系统依然具有相同的结构理论。 世界范围内,太阳能发电已经成为分布式发电中具有代表性的一种发电方式,以其优秀的发电特点广泛应用到光伏发电产业成为电力工业中的一个重要组成部分[13]。目前,光伏发电已成功的实现了初步建设阶段,现正在向大规模高效率的应用方向发展,从初期的小功率发电电源发展到现在的大规模光伏并网的发电站,几乎涉及到很多用电领域,成为人们不可缺少的发电设备。预计到 2050 年左右,世界光伏总发电量在总发电量占有率达到 10%~20%,将成为人类不可缺少的能源之一[14]。太阳能在新能源中是最有开发潜力的,国外发达国家的光伏发电技术及其产业依然遥遥领先我国,我国还有很大上升空间,如何加快我国在新能源开发技术上和产业上的发展是我国的当务之急。本文主要对在光伏并网发电系统过程中 3 个关键技术进行研究:光伏发电系统并网控制、孤岛效应检测、孤岛与扰动识别方法。
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第2章 并网控制策略及孤岛检测的研究 
 
光伏并网发电系统中的核心部分是逆变器,利用好的并网控制技术,可以改善光伏发电质量,减小谐波含量,使系统更加稳定的运行;但是为确保系统安全稳定的运行就要拥有好的孤岛检测方法作保障,因此本章首先对逆变器采用电压前馈补偿的电流跟踪控制实现并网,之后针对孤岛发生后负载功率依然恒定不变,无法检测到孤岛这一问题,提出电压前馈正反馈扰动检测方法。 
 
2.1  单相光伏并网逆变器控制技术 
本节采用的单相光伏并网为研究对象,在这里主要介绍逆变器,逆变器主电路结构图如图 2-1 所示。其中,ud 是逆变器的输入电压,u0 表示逆变器输出的电压,ugrid 表示电网额定电压有效值,igrid 表示逆变器输出的电流。从图 2-1 可以清晰的看出来,逆变主电路结构采用的是直流侧电压型输入、交流侧电流型输出。如果直流侧以电流型作为输入,那么在直流侧需要有相对平稳的直流输入,就要串联一个较大的电感。而串联的大电感减低系统动态性能,并且增加多余的损耗。因此大都采用电压型输入的逆变器。如果以电压型作为输出控制,此时电网可看成容量非常非常大的交流电压源,两者是并联运行,然而很难保证系统稳定运行,由于电网电压与逆变器之间的谐波会产生很大的谐波环流,控制起来变得更加繁琐。因此采用电流型跟踪控制方法,使控制变得简单,容易实现[28]。 
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2.2  孤岛效应及防治策略
图 2-10 所示为光伏发电并网的功率流动示意图[36,37],Ug 为电网电压,Ui 为并网输出端电压;a 为并网逆变器和电网之间的公共耦合点 PCC(Point  of Common Coupling,PCC),P、Q 是并网输出有功、无功功率,ΔP、ΔQ 是电网正常时并网向电网输送的有功、无功功率;并联 RLC 是相关局部的等效负载,在工程实际应用当中,对孤岛的检测方法主要分为两种[38]: 被动式主要通过观察逆变器在断网后输出的电压、频率、相位以及谐波的变化对是否发生孤岛效应做出判断。包含:电压和频率检测法、电压谐波检测法(Harmonic Hetection)、相位偏移检测法(Vector Shift)、关键电量变化率检测法。 主动式主要对逆变器的输出功率、频率以及相位施加相应的扰动,在正常并网时检测不到扰动信号;当发生孤岛时如果发生功率匹配现象,由于扰动的不断积累打破平衡,从而检测到孤岛。包含:主动频率偏移法(Active Frequency Drift)、阻抗测量检测法、Sandia 频率偏移检测法(Sandia Frequency Shift)、Sandia电 压 偏 移 检 测 法 (Sandia  Voltage  Shift) 、 滑 模 频 率 漂 移 检 测 法 (Slip-mode Frequency  Shift)、频率突变检测法(Freqency  Jump)、周期电流扰动法(Alternate Current Disturbances)、有功无功扰动法和正反馈法。 而本文选用主动式检测方法中的电压前馈正反馈扰动检测。 
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第 3 章  基于经验模态分解的孤岛特征提取 .......... 25 
3.1  孤岛与扰动识别 ........... 25 
3.2 EMD 原理 ...... 25 
3.2.1 EMD 方法的数学基础 ..... 25 
3.2.2  内在模态函数 .......... 26 
3.2.3 EMD 方法的步骤 ..... 26 
3.3  奇异值分解 ........... 29 
3.4  孤岛和扰动的 EMD 分解 .... 31 
3.4.1 EMD 分解 ......... 33 
3.4.2  奇异值特征提取 ...... 34 
3.5  本章小结 ....... 35 
第 4 章  基于 SVM 的孤岛识别的研究 ........... 36 
4.1  支持向量机 ........... 36 
4.2  支持向量机基本理论 ........... 36 
4.2.1  最优分类面 ...... 36 
4.2.2  线性不可分情况的推广 .......... 38 
4.2.3  核函数 ...... 39 
4.2.4  多类别分类问题 ...... 39 
4.3  基于支持向量机的孤岛与扰动的识别 ....... 40 
4.4 SVM 训练与识别 .......... 41 
4.5  本章小结 ....... 42 
 
第4章 基于 SVM 的孤岛识别的研究 
 
4.1  支持向量机 
支持向量机(Support Vector Machine,SVM)是 Cortes 和 Vapnik 于 1995 年提出来关于小样本的模式分类新方法[45],是实现结构风险最小化原则,SVM 解决了在低维空间的线性不可分样本分类难的问题,它具有训练样本少、学习训练速度快、全局优化能力强、泛化能力上表现突出,在解决小样本、非线性等实际问题具有许多独特的优点,并能够推广应用到模式识别、非线性回归、信号处理、函数逼近等领域中[46]。支持向量机就是运用核函数,将线性不可分样本经非线性变换映射到高维空间,在高维空间中寻找能够对两类模式进行分类的分界面,这个分类面是最优的分类面,通过定义适当的内积函数来实现这种非线性变换。我们主要是为了寻找一个能够将两类样本完全分开的一个分类超平面,而且如何寻找最优的分类超平面就是使每类样本与超平面之间的分类间隔最大,如图 4-1 所示,图中黑点和白点代表两分类的训练样本。 
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结论
 
进入 21 世纪,能源发展的主流是“绿色、环保”,而太阳能光伏发电系统为新能源应用开辟了一个崭新的领域。光伏发电也成为我国未来新能源的重要组成部分,随着对其研究的不断深入,光伏并网发电在能源结构调整中起到越来越重要的作用。本文以光伏并网发电系统为研究平台,对光伏并网逆变器控制策略、孤岛检测方法以及孤岛和扰动的识别等问题进行了深入系统的研究。全文主要工作总结如下:
1.对光伏并网逆变器的控制策略进行研究,着重介绍了在电流内环控制的基础上,引入电网电压前馈补偿来抑制电网电压扰动的控制策略,仿真结果表明:电网电压前馈补偿的电流跟踪控制策略,具有较好的控制效果,且谐波含量小,符合并网标准。 
2.在局部负载所需的功率与光伏发电系统输出功率匹配时发生孤岛,一般方法很难实现对孤岛的检测,针对这一问题提出来了电压前馈正反馈扰动方法对孤岛进行检测。并详细分析了其检测基本原理,给出了算法程序流程图,完成了并网逆变系统孤岛检测仿真与实验研究,仿真和实验结果验证了该孤岛检测方法的有效性。 
3.针对电力系统在运行时电压和频率容易信号的污染,容易误判成孤岛发生,针对这一现象本章提出运用经验模态分解方法对公共耦合点电压信号进行分析和处理,实验结果验证了 EMD 拥有非常好的自适应分解效果,很明显的反映出信号的本质特征,奇异值分解对 EMD 分解的信号进行进一步的处理,获得的状态参数为状态识别打下有力的基础。 
4.结合前面研究内容,运用了 SVM 分类器对孤岛和扰动两种状态类型进行分类识别。由分类结果表明经验模态分解和支持向量机在孤岛与扰动识别中分类准确率高稳定性好,能够准确区分孤岛和电网扰动两种不同运行状态,避免并网光伏系统的误动作。 
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参考文献(略)
 

电气自动化硕士论文范文篇二

 
第 1 章  绪论 
 
1.1  研究背景及目的意义
近年来,我国电力系统迅猛发展,电网容量也变的越来越大,电压等级越来越高,电网装机容量增大,造成了系统短路时电流增大,事故时电压波动大,功率因数偏低等;同时,由于输电线路距离和等级的不断提高,线路中常会出现无功功率增大,末端电压升高及工频过电压等现象。在系统上安装干式空心电抗器可有效解决上诉问题[1-3]。 目前,国外生产干式空心电抗器的厂家有欧洲的 ABB、德国的 BLOCK、波兰的 HMP-FALEDY 和加拿大的尼尔贝克等等。我国自 1980 年左右引入进来,受到了电力系统的广泛欢迎,国内主要生产厂家有思源电气、北京电力设备总厂、上海晶鑫电工等等,但是国内产品生产加工工艺有待进一步提高[4-5]。 干式空心电抗器体积小、重量轻、结构简单、维护方便,一般采用无油结构,杜绝了油浸电抗器漏油等缺点。无铁芯,不存在磁饱和,因而电感值的线性度好。采用机械强度较高的铝质星形架来减小涡流损耗,且可满足线圈分数匝要求。所有的导线引出线全部用氩弧焊焊接在星形接线臂上,不用螺钉连接可提高运行可靠性。采用多层绕组并联的筒形结构,所有包封在电气上是并联的,每个包封用浸有环氧树脂的长玻璃纤维包绕,包封表面涂有特制的绝缘漆以起到抗紫外线和抗老化的作用。包封经高温固化后,整体性、机械强度和耐受短时电流的冲击力均有所改善,且满足产品动、热稳定的要求。各包封之间由聚酯引拨条支撑形成通风气道,使空气对流形成自然冷却,自然风冷的散热方式性能较好。每个包封中有若干个并联连接的线圈,每层线圈又由单股或多股小截面圆导线平行绕制,导线通常是直径为 2mm~4mm 的圆铝导线或铜导线,可使涡流损耗和漏磁损耗明显减少。每根导线表面都用多层绝缘性能良好的聚酯薄膜或聚酰亚胺薄膜进行叠绕包裹,聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜作匝绝缘大大提高了匝间绝缘强度[6-7]。干式空心电抗器结构如图 1-1 所示。 
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1.2 国内外研究现状
吉林电力科学研究者敖明发表了关于《户外干式空心电抗器表面树枝状放电试验的研究》,采用针板电极系统对环氧树脂和玻璃丝纤维复合材料进行了电热老化击穿试验,提出了环氧树枝和玻璃丝复合材料的电击穿机理,从而引申到电抗器表面树枝状放电研究。他通过对 2 个生产厂家根据各自的生产工艺和原材料制造的电抗器模型施加 12k V 的交流电压,经计算,相当于匝电压364V,此匝电压相当于产品工作电压的 3-4 倍,自配电导率为 395 ??mm 污液,再按一定周期向模型喷射,为检测每个过程的局部放电电压,经过喷射自配污液 2min,自然干燥 30min 一个周期后进行。研究指出电抗器的沿面放电是由于环氧树脂和玻璃纤维复合材料在局部放电下不断破坏而产生击穿通道,是电应力和机械应力共同作用的结果,电应力破坏是引起机械应力破坏的前提,机械应力又促进电腐蚀的发展[15]。 倪雪峰等人对干式空心电抗器表面发电原因进行了探究并提出了解决方法,总结出空心电抗器外绝缘主要存在 4 个方面的问题,包括设计制作、加工工艺、漏磁通及漏电起痕。他们当时认为局部过热和绝缘气泡等缺陷无从着手,所以仅仅对生产制造问题提出解决方案,对微裂痕、粉化、裂化等现象处理后重新涂抹漆渍,对漏磁通消除弥合环路等。 2011 年法国北部里尔大学 S.Savin 等人对双股线圈匝间局部放电初始电压进行了研究,他们对线圈在 280℃下进了持续 24 小时十个周期的加速热老化后对绝缘性能进行检测,老化过程遵循阿列纽斯法则和相关标准进行。在每个老化周期后对线匝进行局部放电试验。局部放电实验装置包括电源电路、一个耦合电容、测试样品和耦合装置。通过电源电路提供波形幅值,在由低频发生器提供稳定的频率,通过快速示波器直观的检测局部放电初始电压值,另外用一个分流电阻测试局部放电电流。研究表明随着热老化周期的增加,局部放电初始电压有些许降低,但是样品的击穿数量在增加[16]。 
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第 2 章  试验平台组建 
 
2.1 试验模型制作
匝间绝缘击穿试验需要非常大的样本个数,如果制作电抗器作为试样,研究成本非常高。仅对匝间绝缘进行击穿试验研究,制作一段匝间绝缘结构就能满足要求,本文针对这种试验模型进行了设计。 试样材料选用较主流厂商(北京电力设备总厂)绕制干式空心电抗器所用膜包圆铝导线,参考干式空心电抗器制造规范,选用了三种常用绝缘导线制作匝间线圈模型[20-21]。铝线的外绝缘为 2/3 叠绕,具体型号及其结构如表 2-1 所示:从工厂用大捆铝线上剪下长度相等的若干段铝线,取两根相同长度(420mm) 直导线构成相邻匝,两个线匝在中部有一段紧贴的部分(长度200mm),这与实际干式空心电抗器中匝间绝缘情况基本一致[22]。首先利用成型模板使铝线两端成 30 度角相背弯曲并行,同时用绝缘扎带紧固线匝,并在导线弯曲处用绝缘胶带紧紧缠绕,加强弯曲处绝缘(弯曲处曲率半径较小、且可能产生微小气隙,因此防止在尺寸击穿,影响数据准确性)。样品几何尺寸如图 2-1 所示。 按照绝缘薄膜 50k V/mm 击穿场强及均匀电场核算,参照表 2-1 中的绝缘厚度,三种绝缘导线做成的匝间绝缘样品击穿电压峰值分别为 21.2k V、21.2k V 和 29.7k V,最高试验电压接近 30k V。为了防止线匝样品的端部发生异常放电,每根导线的端部采用直径为 25mm 的铜棒均匀电场。每 5 个试样样品并联为一组,间隔 50mm,导线端部分别嵌于对应铜棒通孔处并用内顶丝夹紧。铜棒两端通过聚四氟绝缘板固定,起支撑和绝缘作用,同时也为后续的老化试验奠定基础。铜棒分别与高压电极和接地电极相连接,两端又设计加工了防电晕球,放置在铜棒端部,同时起到均匀电场和紧固作用。匝间绝缘样品实物照片如图 2-3 所示,其中近端铜棒为高压电极,连接样品的一根绝缘导线,远端两根铜棒为地电极,连接样品的另一跟导线。
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2.2 高频脉冲振荡试验设备研制
对于 35k V 电压等级及以下的干式空心电抗器,国际标准 IEC60076-6-2007、国家标准 GB1094.6-2011、行业标准 JB/T5346-1998 都容许采用高频脉冲振荡电压试验取代感应电压试验和雷电冲击试验。国家标准 GB1094.6-2011《电力变压器 第 6 部分:电抗器》规定的干式空心电抗器匝间过电压原理图如下图 2-5 所示。在试验时,首先利用直流源对充电电容充电,当电压达到一定值时,球隙击穿放电,此时在电容与试品线圈形成一定频率的阻尼振荡,当振荡放电电流衰减到零,电弧熄灭,电容又再次重新充电,达到一定电压时球隙击穿放电,过程不断重复[26-28]。国家标准要求试验持续时间为 1min,每次放电的初始峰值应为 2 倍(户内设备)或 233.1 倍(户外设备)GB1094.3 中表 2 和表 3 给出的额定短时感应或外施耐压试验电压(r.m.s)。响应频率是绕组电感和充电电容的函数,一般在 100k Hz 及以下,应包含不少于 3000 个要求幅值的过电压。试验电压波前包含多个高频振荡,波前时间远远小于雷电冲击的波前时间[29-31]。 评判绕组匝间绝缘是否完好的常用方法是波形比较法。在电抗器的两端分别施加两次电压,一次是标定电压,一次是试验电压,比较两次所加电压得出总电压波形或总电流波形,通过观测过零点的变化和衰减速度的快慢来判断绝缘是否完好。若电抗器有匝间短路的故障发生,在试验时也会伴随着刺激性气味、噪音、烟雾或者火花放电等等现象,以上这些也都可以作为判断匝间绝缘是否完好的依据[32-33]。 
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第 3 章  热老化匝间绝缘的击穿特性 ...... 20 
3.1 热老化试验方案 ...... 20 
3.1.1 热老化试验原理 ....... 20 
3.1.2 匝间绝缘样品热老化方法 ....... 22 
3.2 电压施加方法 .......... 23 
3.3 试验结果及分析 ...... 24 
3.4 本章小结 .......... 29 
第 4 章  开裂缺陷匝间绝缘的击穿特性 .......... 30 
4.1 开裂缺陷的模拟 ...... 30 
4.2 击穿电压试验结果 .......... 31 
4.2.1 气隙缺陷样品试验结果 ........... 31 
4.2.2 绝缘破损缺陷样品试验结果 ........... 33 
4.3 破损绝缘寿命评定 .......... 33 
4.3.1 试验方法 ........... 33 
4.3.2 试验结果 ........... 34 
4.3.3 结果分析方法 ........... 35 
4.3.4 寿命曲线 ........... 38 
4.4 开裂绝缘击穿特性的讨论 ...... 40 
4.5 本章小结 .......... 42 
 
第 4 章  开裂缺陷匝间绝缘的击穿特性 
 
4.1 开裂缺陷的模拟 
开裂是干式空心电抗器常见的一种故障形式,有必要针对这一缺陷对匝间绝缘性能的影响进行评估。开裂产生的主要原因是运输和安装过程外部应力作用以及运行过程内部应力的作用。运行过程中内部应力主要包括电抗器温度变化造成热胀冷缩形成的伸缩力,以及电动力,尤其是投切过程形成的暂态电动力。匝间开裂后,匝间绝缘电压分布会产生变化,气隙处会出现强电场。而且,开裂电抗器容易受到潮气、雨水和脏污的侵袭,进一步造成匝间绝缘性能下降。一台开裂的串联电抗器照片如图 4-1 所示。不严重的匝间绝缘开裂是在两线匝间构成缝隙,如果开裂造成包绕在铝导线的匝间绝缘破裂,会形成严重的开裂缺陷。本文通过人为模拟的方式制作了匝间绝缘缺陷。 固化前,样品匝间放置固定厚度的插板,插板两端用扎带勒紧,形成绝缘导线微变形,升温固化一小时后撤除插板,此时,环氧胶液凝固,形成匝间气隙缺陷,继续升温完成固化。这种气隙成楔形,最大间距分别为 0.5mm、1mm、1.5mm、2mm,实物如图 4-2 所示。 固化前,用壁纸刀破坏一根绝缘导体的匝间绝缘薄膜。制作样品时,被破坏处正对另一根绝缘,从而形成单侧破损匝间绝缘。用小刀破坏两根导体的匝间绝缘,制作样品时两处破损绝缘相邻,形成双侧破损匝间绝缘。单侧破损匝间绝缘实物如图 4-3 所示。 
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结论 
 
本文设计了匝间绝缘模型,组建了脉冲振荡高压试验设备,对不同绝缘类型、不同老化程度和不同开裂程度匝间绝缘进行了击穿电压试验研究,同时监测了局部放电电压水平,扫描了表面形貌和开裂绝缘寿命评定,得到以下结论: 
1.本文设计的试验电路合理,搭建的试验平台胜任试验研究工作。 
2.热老化迅速降低聚丙烯薄膜的绝缘特性,造成匝间绝缘击穿电压迅速降低。对聚脂薄膜和聚酰亚胺薄膜的影响较小,击穿电压基本不随老化时间变化。干式空心电抗器中杜绝使用聚丙烯薄膜。 
3.开裂绝缘的击穿电压迅速下降,电场强度越高越严重。电抗器运行过程应该完善工艺,避免开裂发生,适当增加绝缘厚度也可以降低气隙的电场强度。运行过程应该避免出现高幅值过电压。 
4.综合局部放电监测结果、绝缘表面形貌和寿命评估结果,匝间绝缘击穿是局部放电产生、发展一直到击穿的过程。有必要改善绝缘工艺,减小局部放电量。  
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参考文献(略)
 

电气自动化硕士论文范文篇三

 
第一章    绪论
 
1.1 研究目的及意义 
近几年来,由于各种电源设备、电子变频设备、计算机、调压设备以及节能灯等大量感性或非线性负荷的逐渐增多,电网出现了用电冲击及不均衡的状况,谐波含量不断增多,使电力系统中电压和电流的波形严重失真,对电网造成了非常严重的谐波污染;与此同时,由于我国验证自助领取彩金发展迅速,高科技产品的使用量大幅度提升,工业用电对于电能的要求也提出了更高的标准,电能质量问题逐渐成为了人们关注的焦点问题。因此,治理谐波污染,提高电能质量已经成为电气领域的一个重大课题[1,2]。 由于人们生活水平的提高,家用电器的容量日益增大,谐波污染程度日趋严重,传统无源滤波补偿系统早已无法满足。一种能够有效提升电能品质的电力电子装置急需问世,确保日常用电需求。近年来电力电子器件发展迅猛,电力场效应晶体管及绝缘栅双极晶体管等电力电子元件使电能质量控制装置的品质逐步提升。 有源电力滤波器涉及多个领域,其在现实生活中对于验证自助领取彩金的影响不容小觑。有源电力滤波器不仅可以抑制谐波,控制电能质量,同时对于节能环保以及走可持续发展道路也有着重要积极的意义。 
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1.2 谐波的危害及治理 
谐波,就是指那些频率是基波频率的整数倍的正弦波分量。谐波源主要是一些含有非线性铁磁材料的设备,比如变压器和铁磁谐振设备等;或者是含半导体开关器件的设备,如整流设备和变频设备等;还有一些家用节能设备,如电焊机、电炉焊及日光灯等。 谐波被公认为是公共电网的主要污染源,其存在不仅会对电力系统的供电可靠性和质量造成影响,同时也会对用电设备产生危害[3-5]。谐波主要有以下危害:增加发、输、供和用电设备等的附加损耗,使其使用效率降低,增加电网的导线损耗;可能会导致电网与补偿电容器间发生串、并联谐振,这将使谐波电流放大几倍甚至数十倍,容易造成过电流,从而导致用电设备损坏,甚至引起跳闸事故;谐波还会产生热效应,会使用电设备发热、绝缘老化;干扰通信及信息处理设备,轻则会产生噪声,干扰通话质量,重则将导致信号丢失;导致继电保护设备的错误工作,同时还会引起电气测试仪器结果出现误差。 IEEE 和 IEC 等国际组织给出了相关的谐波含量国际标准[6]。随着非线性负载的不断增加,我国对于谐波治理也十分重视,开发电能质量标准[7,8]。 电压等级逐渐增大,对于总谐波失真(THD)的要求也越发苛刻。表 1-1为电网谐波失真率国家标准。其中,一些需要高品质供电的场所,规定电网的THD 小于 3% [9]。 
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第二章    有源电力滤波器整体设计
 
2.1 整体方案 
本文所设计的 APF 系统整体方案框图如图 2-1 所示。从图中可以看出,该系统主要由 4 大部分组成,分别是检测、控制部分及驱动电路和主电路。检测部分通过调理电路将强电信号转换成弱电信号,进入控制部分。控制部分进行指令电流运算,并最终得到 PWM 脉冲信号。通过驱动电路升压产生驱动脉冲,使主电路的开关管工作,最终产生补偿电流来消除谐波[22]。 
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2.2 谐波及无功电流检测 
APF 补偿性能的好坏首先取决于谐波及无功检测的准确性与实时性[23]。APF 的基准电流检测一直是学者们研究的热点。谐波检测如果以时域和频域来划分,时域检测主要有基于瞬时无功的 p-q、dq 检测、基于人工神经网络和自适应检测等;频域检测法主要包括快速傅立叶变换法、小波变换和带通检测法等[24]。若依据检测电流的提取点可分为负载侧电流检测和源侧电流检测,两者在电压及电流控制上是完全等效的。但负载侧电流检测下的系统为开环系统,而源侧电流检测方式中补偿对象就是检测电路的输入信号,输出对输入构成了一个闭环的系统,因此会有更好的补偿效果[25,26]。根据不同的场合及要求,可以选择不同的检测方法。目前,对于 APF 的谐波电流检测方法,基于瞬时无功功率理论的检测法使用率最高,其计算原理是后续其他多种检测方法的理论基础[27-30]。p-q 检测算法补偿灵活性好,但该算法仅适用于三相电网电压对称的谐波和无功电流检测,且受电压畸变影响较大,现在应用较少。而 ip-iq 检测法是在 p-q 理论的基础上发展起来的,但该算法需分解单相构建三相,再通过 ip-iq 法计算指令信号,过程十分繁琐。目前使用较为普遍的 dq 检测法,在电网电压失真及负载电流非对称的状况下,仍然适用。因此以下对 dq 谐波电流检测法做进一步研究。  
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第三章    有源电力滤波器仿真研究 .......... 22 
3.1 稳态仿真 .... 22 
3.2 检测方法的仿真对比分析 .... 24 
3.3 控制方法的仿真对比分析 .... 25 
3.4 动态仿真实验的分析 ..... 27 
3.5 本章小结 .... 29 
第四章    有源电力滤波器实验研究 .......... 30 
4.1 硬件电路设计及实验 ..... 30 
4.1.1 电流检测及调理电路 .... 30 
4.1.2 电压检测及调理电路 .... 31 
4.1.3 电压过零检测电路 ........ 32 
4.1.4 主电路及驱动电路 ........ 33 
4.2 软件设计 .... 33 
4.2.1 主程序设计 ...... 34 
4.2.2 中断子程序 ...... 34 
4.3 实验及结果分析 ...... 35 
4.3.1 实验平台的搭建 ..... 35 
4.3.2 实验结果及分析 ..... 36 
4.4 本章小结 .... 38 
 
第四章    有源电力滤波器实验研究 
 
本章在前两章的基础上,将搭建并利用实验平台对不定频滞环 SVPWM 控制的 APF 系统进行实验研究。 
 
4.1 硬件电路设计及实验 
首先选取型号为 CHB-25NP 的霍尔电流传感器,CHB-25NP 有 5 种连线方式,分别得到五种匝数比,本文选择 1000:5 匝数比,额定输入电流为 5A,额定输出电流为 25m A。图 4-1 即为电流调理电路。 经过霍尔电流传感器后的电流信号,经 R0 变为电压信号,R1 和 C1 进行滤波,与加法器反相端输入的+5V 相加,再经过反相比例放大电路,最后通过D1 和 D2 进行箝位,使得输出电压大小在 0~3.3V 的范围内,以能够送入DSP。若输出电压值为负时,二极管 D2 导通;若电压值大于 3.3V,D1 则导通,所以电压就会被箝位在 0~3.3V 的幅度之中,可直接送入 DSP 的数模转换通道。 使用 CHV-25P 型号霍尔电压传感器对直流侧电压进行采样,转换为电流量,然后再通过电阻 Rm 将电流信号转换成电压信号,经过电压跟随器进行隔离,后经过箝位电路,使其输出电压在 0~3.3V 的范围内。 
...........
 
结论 
 
本文在充分了解APF的结构、工作原理、国内外发展现状及未来发展趋势后,对于本文所采用电流检测及控制方式进行了深入研究,并在此基础上进行了仿真分析及实验研究,仿真及实验结果达到预期目标,验证了系统的可行性和有效性。主要研究内容及成果如下: 
1.  本文首先阐释了谐波的产生原因及危害,并介绍了APF对于治理谐波的有效性。并对其结构及工作原理进行了系统的理论分析,最终确定APF为本文研究对象。 
2.  通过对比分析传统负载侧电流检测方法与源侧电流检测方式,针对前者计算量大的缺点,将源侧电流检测方式作为本文检测方式,并推导了其与传统负载侧电流检测方法的等效性。针对滞环电流控制方式与空间电压矢量脉宽调制方式各自的不足,选取不定频滞环SVPWM控制方式为电流控制方式,并详尽分析其原理。 
3.  针对系统容量、输出电感及电容等参数进行深入分析,确定满足要求的参数范围。在PSCAD/EMTDC软件中搭建了系统仿真模型,在相同仿真参数下,分别对检测方式和控制方式进行对比仿真,仿真结果表明本系统所选用的检测与控制方式补偿效果更好。同时为了验证本文所设计APF系统在实际环境中的动态性能,对其进行了动态仿真研究。结果显示系统在负载突变时响应速度快,性能良好。从仿真数据可以看出本系统所选用的检测与控制方式的准确性及优越性。 
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参考文献(略)
 

电气自动化硕士论文范文篇四

 
第1章 绪论 
 
1.1 课题研究的背景和意义 
在验证自助领取彩金全球化的大背景下,社会发展的内生动力得到空前释放,世界能源消耗总量持续高速增长。据英国石油的《世界能源统计年鉴》显示,2010 年中国首次超过美国成为世界上最大的能源消费国,而全球能源消费增速也达到1973 年以来的最高水平。这份出版物显示,2010 年中国能源消费量占全球的20.3%,超过了占全球 19%的美国,可见我国有着巨大的能源消费需求。然而我国能源利用率相比于发达国家仍然处于较低水平[1-3]。在当今能源短缺的大背景下,优化产能结构,提高能源利用效能势在必行,“开源节流”已逐渐成为人们的共识。 19 世纪 70 年代的第二次工业革命拉开了人类利用电能的帷幕,自此人类进入了“电气时代”[4]。电能的发明和广泛使用深刻地影响着人们的生活方式。其中,照明和交通方式的改变对于我们生活的影响尤为明显。由于电能在生产、输送、分配、管理、控制、使用和能量转换等方面都极为便利,因而在众多的能源类型中脱颖而出,成为能源供应的主要形式。另一方面,由于风能、太阳能等其它形式的能源可以通过机电转换或者光化学反应等方式转换成电能,并利用成熟的电能处理技术实现功率变换,因此,电能在能源领域的地位得到进一步的巩固和加强。现在,无论是动力、照明,还是通信、化工,生产生活中的绝大多数领域都要依赖电力供应,而提高电能的利用效率显然是提高能源利用率最直接有效的方法。 通过对电能消费结构的分析可知电动机所占比重最大。电动机是电气传动的关键设备,主要应用于高压大功率电气传动系统中,它们耗电量大,而效率却普遍较低。原因在于在高压大功率传动应用初期,电机大都工作于定速恒频模式,转速不受负载变化影响,这对于长期工作在低负荷的传动系统而言,无异于“大马拉小车”,耗能现象严重。随着工业的发展,人们对调速的需求日益增加,调速传动系统才逐渐发展起来。当前主流的调速传动按应用场合的不同可分为工艺型调速传动和节能型调速传动两大类[5]。工艺型调速传动是指生产工艺要求必须进行调速的传动,例如轧机、提升机以及化工、炼油工艺流程中用机械阀门控制物料流量等场合,这类传动应用由于输出恒定,所以多余出力只能通过能耗的方式消散以实现调速过程的功率平衡,电能利用率很低[6]。
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1.2 高压变频调速技术的发展和应用 
自交流电动机诞生起的一个世纪里,高压大功率变频调速一直是人类没有攻克的难题。上世纪 50 年代末晶闸管的出现为变频调速的发展提供了物质基础,但在在随后的 20 年里却一直处于停滞不前的状态。直到上世纪 70 年代,高压变频调速技术才取得一定的进展。1981 年德国西门子公司最先研制出4MW 交—交变频同步电动机传动系统,助推了大功率交流调速系统实用化进程。随后,日本富士电机成功研制出 2.5MW 交—交变频同步电动机主传动系统[10-14]。由于受到当时电力电子器件发展水平的制约,这一时期生产的变频调速装置均采用晶闸管作为开关器件,由于其可控性不佳,所以系统综合性能较差,大都应用于轧机等工艺型调速场合,市场反响一般。 高压大功率全控型器件门极可关断晶闸管(GTO)的出现是高压变频调速技术发展的一个转折点。由于具有出色的控制性能,所以很快就在大功率交流调速领域占据了主导地位。 基于 GTO 的高压变频器具有功率因数高、对电网谐波污染小以及输出频率不受限制等诸多优点,但也存在着开关损失大、运行效率低、需要水冷和维护困难等问题[15]。而且由于 GTO 为电流驱动型器件,所以驱动功率也较大。因此这一阶段的高压大容量变频器仅限应用于一些特定行业和特定负载,市场需求量还不是很大。 高压变频调速技术真正的春天应当是从 20 世纪 90 年代开始的。基于IGBT 的功率单元串联型多电平技术的成功问世,有效解决了现有器件耐压不足与高压大功率应用的现实矛盾。由于采用独立电源供电,所以无需考虑模块间串联均压的问题。经过逾 10 年的发展,功率单元串联型多电平高压变频器产品已成功应用于大部分高压交流电动机传动领域,其市场份额呈现逐年递增的趋势,受到业界和用户的一致好评[16]。 
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第2章 单元串联型高压变频器矢量控制技术 
 
高压变频器以多电平技术为依托,实现高压大容量电动机的变频调速。常规的多电平方案有中点箝位、飞跨电容和单元串联。其中,单元串联方案由于采用模块化的设计思想,不存在直流电容均压问题,很快就成为专家学者们研究的热点。虽然在主电路构成和控制技术方面已经相对成熟,但是在控制性能、装置可靠性以及成本控制等方面仍具较大的发展空间。 
 
2.1 单元串联型高压变频器的基本原理 
单元串联型高压变频器的输入端与外部高压电网直接相连,输出端直接驱动高压电动机。从结构上来看,属于典型的高—高型高压变频器。图 2-1 以三相三单元串联为例给出单元串联型高压变频器的基本拓扑结构。不难看出,它是通过功率单元输出端依序串联的方法获得高电压输出的,其主电路由移相变压器和功率单元两部分组成。 高压变频器内前置的移相变压器是联系外部高电压和内部低压功率单元的纽带。利用移相变压器的移相功能可以方便地实现输入侧多脉波整流。该技术具有改善网侧电流波形,提高基波因数,降低设备对电网谐波污染和输出无功功率的能力,而且整流电压波动也显著降低。同时,每个移相变压器又兼具电气隔离和降压功能,可以为对应的功率单元提供合适的交流电压。 功率单元均采用经典的交—直—交结构,由整流和逆变两部分组成。整流部分通常为三相不可控整流电路,逆变部分则为单相全桥逆变电路,中间通过大容量的支撑电容进行衔接。从外部接口来看,可以将功率单元视作一个三相交流输入、单相交流输出的小型低压交流变频器。通过采取载波移相的调制手段,可以使同一相的各个功率单元的输出电压间依次相差一定的角度,最后通过层层错位叠加的方法获得高压多电平的相电压输出。 
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2.2 永磁同步电机的矢量控制技术 
永磁同步电机是在绕线式同步电机的基础上发展起来的[30]。两者定子结构基本相同,区别主要体现在转子的励磁方式上。传统的绕线式同步电机采用电励磁方式,需要复杂的电励磁系统,效率很低。而永磁同步电机通过永磁体建立转子磁场,因此该类电机结构简单,效率和可靠性都很高。正是基于永磁同步电机在体积、重量、效率、可靠性以及控制和维护等方面的优异表现,使其在各类调速和伺服控制系统中得到广泛应用。 通常人们根据永磁体在转子上分布情况将永磁同步电机分为表贴式、嵌入式和内置式三大类。图 2-5 为这三类永磁同步电机转子的结构形式示意图。 由于永磁体与空气的磁导率几乎相同,铁心的磁导率明显高于空气的磁导率,所以表贴式转子又被称作隐极式转子,嵌入式转子和内置式转子又被称作凸极式转子。 表贴式转子是把瓦片状的永磁体贴合在转子铁心的外表面,永磁体的磁场方向为径向。永磁体的形状经过特殊设计,呈中间厚两边薄的抛物线形,使得气隙磁场为正弦分布。 嵌入式转子是把瓦片状的永磁体嵌入到转子表面的凹槽内,为加强机械牢固性,常在永磁体外表面装设非磁性套筒,或包上无纬玻璃丝带,起到固定、保护的作用。 内置式转子则是直接将永磁体深埋在转子铁心中,所产生的转子磁场由内嵌位置和永磁体形状两方面决定。由于永磁体深埋于转子中,故无需加设额外的保护措施。 当向永磁同步电机的定子绕组通入三相对称正弦电流时,会在气隙中产生幅值恒定、匀速旋转的定子合成磁场,该合成磁场与转子的永磁磁场相互作用,产生幅值恒定的电磁转矩,驱动电机转子旋转。这就是永磁同步电动机的基本工作原理。 
...........
 
第 3 章  混合多电平功率变换技术 .......... 30
3.1  混合多电平变流器概述 ......... 30 
3.1.1 混合多电平变流器的拓扑结构 ...... 30 
3.1.2 混合多电平变流器的调制技术 ...... 32 
3.2  混合七电平变流器的研究 ..... 32 
3.2.1 混合七电平变流器拓扑结构和工作原理 ...... 32 
3.2.2 混合七电平变流器的调制原理 ...... 33 
3.3  基于混合七电平变流器的单元串联控制 ..... 39 
3.4  基于中性点漂移的故障处理技术 ......... 41 
3.5  本章小结 ......... 48 
第 4 章  基于混合多电平的高压变频调速系统设计 ...... 49 
4.1  系统整体设计方案 ......... 49 
4.2  调速系统硬件设计 ......... 50
4.3  调速系统软件设计 ......... 54
4.4  本章小结 ......... 57 
第 5 章  实验平台搭建及实验结果分析 .......... 58 
5.1  实验平台的建立 ..... 58 
5.2  实验结果分析 ......... 58 
5.3  本章小结 ......... 60 
 
第5章 实验平台搭建及实验结果分析 
 
通过前面的理论分析和仿真验证结果,从理论的角度说明了本文所提出的控制策略的可行性。本章将在完成系统的软硬件设计的基础上,从实验的角度出发探究混合七电平单元系统的运行性能,并对实验结果加以分析讨论。 
 
5.1 实验平台的建立 
通过前面的理论分析和仿真验证结果,完成系统的软硬件设计,搭建出混合七电平单元串联型高压变频调速系统的实验平台。利用该平台对系统的性能进行综合测试。为了保证实验能够安全有序完成,实验过程以低压模拟方式进行。输入侧由 18 路相互隔离的移相变压器组成,共分成两组,变比分别为20:1 和 10:1。输入电压为 200V 工频交流电,通过移相变压器分别获得 10V 和20V 的交流低压,该电压作为混合功率单元的供电电源。由于整流器为三相不可控整流,所以直流环电压分别达到 24V 和 48V,功率单元直流母线等效电压为 72V,每相串接 3 个混合功率单元后,相电压最大输出为 216V,线电压最大输出为 374V,满足低压电机的驱动需要。混合七电平单元串联型高压变频系统实验平台如图 5-1 所示。 本章搭建了以 DSP 为控制和运算核心的混合多电平高压变频调速系统实验平台。通过低压模拟的方式验证了相关控制算法的正确性,并给出了相关的实验波形。实验表明,混合七电平单元串联型高压变频调速系统具有较好的控制性能,理论研究正确,实验结果与仿真结果一致,达到了实验的预期效果。 
.......
 
结论 
 
本文针对混合多电平高压变频调速及故障处理技术开展相关的研究工作。 全文主要成果如下: 
1.传统的混合七电平控制方法会出现功率倒灌问题。本文针对该问题提出了一种新型混合载波调制解决方案。该方案从功率倒灌问题的成因出发,通过调整混合七电平输出电平冗余组合的方法得到新的控制方案。随后将控制规律简化得到适用于传统七电平拓扑的混合载波调制方案。 
2.本文提出了一种将混合七电平拓扑与单元串联多电平拓扑相结合的新型混合多电平拓扑结构,并给出系统的拓扑实现形式以及相应的载波调制技术。通过将混合七电平结构模块化的方式形成新型功率单元,并以该功率单元为基础,形成新型单元串联多电平结构。仿真和实验结果表明,新型的混合七电平单元串联多电平系统兼具混合七电平输出电平数多以及单元串联多电平拓扑模块化的优点。与传统的单元串联型拓扑结构相比,功率器件数目一致时可以生成更多电平数,输出质量显著提高。 
3.本文将混合七电平单元串联型拓扑结构应用于高压变频调速领域,并采用改进的中性点漂移技术实现故障处理的功能,仿真结果表明,故障后变频系统仍可输出三相平衡的线电压。 
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参考文献(略)
 

电气自动化硕士论文范文篇五

 
第1章 绪论
 
1.1 风力发电发展现状 
1890 年,丹麦人就已研发了世界首部风力发电机。但因当时技术受限,而且在煤、石油、天然气等廉价能源的打压下,风力发电机却无实力与内燃机媲美,从而导致其未能引起关注[6,  17]。1973 年的石油危机后,许多发达国家以寻求替代能源而斥巨资动员高新科技产业,利用信息技术、力学等领域新的科技,成功研发出近现代风电机组,开辟了风电新时代[7]。全球领域的风电蒸蒸日上、蓬勃发展,源自于科技、验证自助领取彩金、社会等各方面作用,经历长达 30 余年奋斗,取得骄人成绩[16]。至 2014 年,全球年度装配容量超 50000MW,累计装配容量超 369953MW,图 1-1 为 2004-2014 全球风电系统装配容量。自 2004 年以来,世界年度装机容量保持快速增长,年增长率逾 25%。预计到 2050 年,风能必将为全世界主要供应能源,并步入世界可持续能源行列[18]。 纵观国际风电开拓历程,政策支持尤其重要[8]。每个国家应用控制电价、配套再生能源机制、等政策来扶植和催化风电进步发展。  随着风力发电的飞速进步,各国科研工作者更热衷于风电的研究。德国早已产业化生产 4.6MW 的机组,美国已成功研制 7MW 机组。由于上述国家富有强悍的验证自助领取彩金实力和充足科研储备,相关制造水平和控制技术通过长时间的市场培育,在制造、装配、检测、使用、维保等方面已炉火纯青[16-19]。 20 世纪 60 年代,我国逐渐研制拥有实用价值的风电系统,短短几年内就飞速拓展,从制造水准、拓展规模等方面名列世界前端,其中,自立研发而成的离网型风电机可以很好的适用于偏远地区的农业、林业、牧业、副业、渔业。当时,风力发电跨步走向新时代。我们国家陆续制订并实施了推动风电事业发展的诸多政策,旨在大力扶植风电产业的开拓进取。此外,全国人大常委会制订有关法律,为风电事业的持续开拓提供法律支撑[9-11]。 
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1.2 风力发电控制技术
定桨距系统中,桨叶和轮毂是牢固连接的。任凭风速变化,桨叶的受风角度始终不变。基于此特点的前提,风电系统必须面对两个 亟待解决的 问题:第一,如风速高于额定时,桨叶必须有能力自动将实际功率限定于额定功率上下,我们称此种特性为自动失速特性;第二,正在工作的系统如若遇到突然失掉负载的情形,桨叶必须拥有稳定的制动性,使其能足以应付大风力情形,并安稳停机,此种情况一般依靠叶尖扰流器。  定距失速调节优点:结构极其简易,不要求复杂的控制策略,高安全系数;缺点:桨叶结构复杂,工艺流程困难。容量的不断增加,使其任意失速的性质不易控制,并且需要配备附带装置,所以基本很少使用在大容量(兆瓦级以上)系统中。变浆距系统中,桨叶的节距角可变,通常通过调节此参数工作。可以利用改变浆距,即调节相关攻角,使其无论在风速高低时都能获得足够的启动转矩并保持恒稳的输出功率;变距调节优点:启停性能好,运行稳定;缺点:安插了相关控制策略以控制浆距,提高了控制难度。  以上两种方式各有千秋,适应于相异的环境和条件。随着近年风电容量的持续上升,变桨距调节拥有着谁与争锋的优势[24]。 
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第2章 永磁直驱风电系统工作原理 
 
通常,并网型永磁直驱风电系统如图 2-1 所示,由风机、直驱永磁同步发电机(Direct drive permanent magnet synchronous generator, DDPMSG)、背靠背变流系统和变压器形成[20]。其中,风机将风的动能转化为旋转的机械能,从而拉动发电机转动[21]。发电机则将机械能变化成电能。背靠背变流系统分列为电机侧和电网侧,发电机发出的交流电被机侧变流装置转换成直流电,并依靠调控输出功率,捕获最佳风能;上一步发出的直流电一旦经过网侧变流装置就被转换成交流电,并与电网同频同幅,使功率因数可控,电能质量稳定。滤波器可滤掉低次谐波,变压器主要功能为升压并网。这一章将深入细致阐述永磁直驱风电系统中各部分的理论和原理,为下文的后续研究奠定基础。
 
2.1 风机的特性 
风机将风的动能转换为旋转机械能,直驱风电系统中,风机与发电机不经过变速箱连接,因此其功率特性、转速特性对设计和工作运转影响巨大。按具体情况限定扰动的最小值 min??,避免计算时溢出。如此一来,实际计算得出的扰动值将在最大值与最小值之间,每个运行周期都有且只有一个转速扰动改变转速,这样奇数(或偶数)周期中,风机的转速都不同,因此计算出的功率斜率总是有意义的。扰动的大小直接决定最大功率的追踪速度。如果在风速较小或者平稳不变的风速下,扰动相当小,使得风机转速平稳;如果在风速很大的情况下,扰动很大,功率追踪速度也相当快。     即使运用变步长算法,阶梯状波动的指令导致转速急剧波动,为得到能够快速响应的 MPPT 控制,需使MPPTK 足够大,但这样一来,会大大影响风机转速的稳定性。此外需在 MPPT 控制系统的输出段安装一个滤波器来起平滑作用,其截至频率不能高于控制环节的频率段。利用数学建模方法,将这个低通滤波器等效于一阶差分方程。上述方法的目的是快捷安稳的追踪风机最大功率点。但是,当遇到大型风机时,由于大型风机的桨叶具有超出平常很多的惯性,因而其输出功率受到其储存的势能影响,运用以上两种登山算法寻求最大功率,忽略了转速和最大功率之间的关系,而且需要反复求解,会大幅降低效率[42-44]。 
.......
 
2.2 永磁同步发电机原理和模型 
永磁同步发电机是整体中能量变换的核心装置。通过控制机侧整流装置,达到能量最大化的效果。现代控制理论中,永磁电机的控制方法普遍釆用基于d、q 旋转坐标下的定向控制。本小节依据坐标变换理论,把静止坐标系(A、B、C)变换至同步旋转系(d、q),并阐述发电机在 d、q 坐标下的模型[26]。依据线性变换原理,可将三相坐标系下对称的物理量转换至两相坐标系下(任意速度)。根据不同的约束条件,坐标变换有两种途径,即恒定功率变换和恒定幅值变换。我们选用后者。
.........
 
第 3 章 最佳电流登山算法及其控制策略 ............ 30 
3.1  登山算法的演变历程 ..... 30 
3.1.1  定步长登山算法 ...... 30 
3.1.2  变步长登山算法 ...... 30 
3.1.3  智能登山算法 .......... 31 
3.2  最佳电流控制登山算法 ........... 32 
3.2.1  扰动的相关原理 ...... 32 
3.2.2  流程算法图 .... 34 
3.2.3  最佳电流登山算法控制方案 ...... 36 
3.3  永磁直驱风电机组的控制方案 ......... 36
3.4  本章小结 ..... 40 
第 4 章 风力发电系统最大功率控制仿真 ............ 41 
4.1  风机仿真模型 ....... 41 
4.2  最佳电流控制仿真模型 ........... 43 
4.3  仿真参数的调节 ............. 45 
4.4  最佳电流登山算法仿真 ........... 49 
4.5  本章小结 ..... 51 
 
第4章 风力发电系统最大功率控制仿真  
 
4.1 风机仿真模型
最初的风机采用模拟,用软件方法,上世纪 90 年代 U. S. Sandia 实验室利用程序从本体、控制、结构方面进行软件仿真。随着计算机科学与技术、电力电子技术和自动控制技术的不断进步,风机从单纯的软件仿真发展成硬件等效模拟,运用多种多样的电机等效模仿风力机。风机控制模拟方案包含两方面:一方面运算模拟风机,求解参考量(转矩);另一方面则是参考量(转矩)调节。依据输入模拟风速和模拟反馈转速,解析模型便得出参考量(转矩)。注意,求解参考量时,需要把反馈量m依照实践中的变比 N 折算,控制图如下:依据图 4-1 用 Matlab/simulink 构造用直流电机模拟风机的仿真如图 4-2。主要由四部分构成:而求得风力机参考量转矩mT ,图 4-3 所示为 Matlab 中的风机模块: 2.  脉冲发生器。功能:把输入转矩和被反馈的电机电磁转矩间的偏差量经PI 调制器及信号转换,得到最终的触发脉冲信号,以操控 IGBT 的开关状态,达到持续调节由斩波电路发出的电压的目的。 3.  斩波电路。功能:把调制过的电压导向直流电机,为电机供电。 4.  其他部分为选择的直流电机模型和观测模块,观测模块具有两段输出:第一段:电机转子角速度m;第二段:电机电磁输出转矩eT 。 
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结   论 
 
最大限度捕捉风能取决伺服机构控制,现阶段成熟的变速恒频技术使得风机无需恒速运转。伴随控制技术深入发展,形成基于登山算法下最大功率跟踪思想。 本文重点研究系统最大功率的最佳捕捉方式,从分析风力机的相关理论入手,研究了最大功率控制理论,提出风电系统最大功率控制方案,通过Matlab/Simulink 对系统仿真,校验了上文所提出控制策略的正确性,并验证了其可靠性。主要结论如下: 1. 在研究几种变速恒频系统及两种追踪算法特点基础上。提出了新型登山算法和建立发电机和变流器的数学模型进而给出了一种最佳电流给定控制方案。 2. 建立了风机的模型,通过仿真得出风机特性曲线。根据风机特性和登山算法的分析扰动的参量、扰动原理及扰动方式导出扰动计算方法,最后,将新型登山算法成功运用于最佳电流控制策略。 3. 利用直流机可控易于实现的优点作为风机的模型,通过控制电机转速和转矩模拟风机输出转速和转矩,进而利用 Simulink 建立该系统仿真模型,通过仿真研究了新型登山算法在永磁直驱式风力发电系统中的运用,得出最佳电流给定登山算法优于传统登山算法方法。  
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参考文献(略)
 

电气自动化硕士论文范文篇六

 
第1章 绪论 
 
1.1 本研究课题的背景和意义
随着国家验证自助领取彩金的快速发展,工业用电和国民用电的需求逐年提高,电力系统作为先行行业,近年来得到了长足的发展。主要表现为电网输电量不断提高,并有向超高电压,特大容量方向发展的趋势。电力变压器是电力系统主要的电气设备之一,其能否安全可靠运行对电力系统整体的安全性和稳定性影响巨大[1-3]。 目前,我国的电力变压器市场,民营企业份额在 50%左右,外企占 30%,国企占 20%。跨国企业如 ABB、阿海珐、西门子、东芝等在我国均已建厂,并且常州东芝变压器有限公司、重庆 ABB 变压器有限公司等均有能力生产 500KV级大型电力变压器。所以,目前国内变压器市场竞争十分激烈,如何在保证变压器质量的前提下降低生产成本就显得意义重大[4]。降低成本的主要方法有:(1)缩小变压器体积,降低结构钢和冷却油的使用量;(2)提高绕组的利用率,减少铜的使用量;(3)提高铁心平均磁密,降低硅钢片使用量。但以上做法无疑对变压器热承载能力又产生了新的要求。 大型电力变压器一般为强迫油循环结构,通过油泵强迫冷却油内部循环,带出绕组和铁心热量。该冷却回路主要包括冷却器、冷却回路连接结构和绕组油路,整体油路所占体积大,结构复杂[5]。一般说来,变压器绕组平均温度每降低 6°C,绝缘乃至变压器寿命就可延长一倍。因此,研究如何优化变压器散热性能,降低绕组温度,在验证自助领取彩金效益和实际应用等方面,都有着极其重要的意义。 目前变压器绕组温度计算主要使用解析法和数值分析法。在具体应用中,前者多采用经验公式,计算误差大,温度预测结果常不准确。而后者建模困难,计算量大,边界条件不易确定。 本文以大容量油浸式电力变压器为例,提出了一种基于流体网络的绕组温度计算方法。该方法局部进行流体场数值分析,整体通过全域流体网络模型计算,在保证计算准确的前提下,降低了建模难度,减少计算量,有着较大的工业应用价值和现实意义。
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1.2 国内外研究现状及发展趋势 
根据实际经验,很多变压器短路事故都是由绝缘老化引起的,而绝缘寿命与绕组热点温度关系密切。《油浸式变压器负载导则》中指出:“绕组最热区域内达到的温度,是变压器负载值的最主要限制因素”,变压器所能达到的最大寿命,往往取决于绕组最热点的绝缘寿命[6]。绕组热点温度计算的意义,就在于通过此类计算,达到变压器安全长期运行和节约制造材料之间的最优平衡点,并对变压器在不同条件下的工作寿命和安全指标有正确的评估。 一般说来,变压器热点温度计算的主要方法包括解析法和数值分析方法。解析法又分为热路法和国标模型计算方法。 热路法是用电路的模型来模拟变压器内热传导的过程,如 SWIFT 提出顶层油温计算模型[7-8]和继而出现的改进温度计算模型。此类方法能够较为精确直观的表现变压器内部传热散热过程,但整体计算准确性依赖于能否正确确定热阻和油流量。 国标计算方法一般采用 IEEE  Std  C57.91-1995 和国家标准 GB  1094.2-1996《电力变压器,温升》(等效采用 IEC 76.2-1993)中给出的油浸式电力变压器内部温度计算模型。在该模型中,有如下假设: 1.绕组油路中油温从底部到顶部线性升高。 2.绕组沿高度任何位置上的温升,从底部到顶部线性增加,此变化线为直线,且与绕组油路油温温升直线平行,两平行线之间的差值为常数 g,g 为用电阻法测出的绕组平均温升和油平均温升之间的差值。 根据以上假设,顶层油温可由其相对于环境温度的温升计算得到;同样,绕组热点温度可以通过其相对于顶层油温的温升计算得到。这种简化的经验计算公式应用简单,总的来说可以表现绕组油路和绕组的平均温升,在工业生产中得到了较为广泛的应用。但由于变压器冷却结构复杂,而这种线性温升模型本身过于简化,基本假设过于理想,因此不能准确的预测绕组热点温度。关于此点,结合本文提出的公式,在后文会有进一步的说明。 
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第2章 流体网络模型及热源计算 
 
电力变压器是电力网中的主要电气设备,如升高发电机组产生的交流电压,向电力网输出电能的升压变压器、供火力发电厂启动机组用的厂用电变压器、降低电压,输入电器设备的配电变压器、以及联络不同电压网络的联络变压器等。 因此,电力变压器的正常稳定工作,与电网安全运行密切相关。根据国家电网对变压器运行事故的统计,有相当比例的变压器事故的原因是绕组热点热升超标,烧损绝缘,最终导致短路。因此,准确分析变压器热性能,通过优化设计减少热事故,具有重要的实际意义[33-35]。下文即对变压器油路结构进行分析,建立相应的流体网络模型,并初步计算网络热源参数。 
 
2.1 油路结构 
大型电力变压器损耗巨大,发热严重,工作时需要将大量热量传至空气中,因此一般采用体积较大的冷却器进行散热。并且常在冷却回路中安装变压器油泵,利用油泵来提高变压器油回路中油的流速,并克服提高油的流速后增加的油的阻力,以提高变压器内部油路热交换和冷却器侧散热的能力。如图 2-1 所示,在绕组中被加热的油沿着路径 a 与顺着油箱壁未被加热的并联油路 b 的油流混合,进入冷却器将热量散入空气。此时器身的传热仍以自然循环为主,传热性能受油泵的影响较小,且传热量远低于冷却器散热量[36]。
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2.2网络构架
在油浸式变压器流体网络中,热结构为绕组和冷却器。其中,ABC 三相绕组互为并联。单相绕组油路包含并联的高中低压绕组,相互间有不利于散热的围屏结构,因此也采取并联的构建方式。由于 ABC 三相绕组的结构完全相同,故仅需对一相绕组油路进行分析,即可得到绕组油路整体的流体和热特性。整体网络如图 2-5 所示,由于绕组沿垂直方向损耗密度分布不均匀,故将绕组线饼作为发热单元,在网络中予以体现。 冷却油从绕组油路流出,带走绕组热量后流入冷却部分。对于本文所用样机,其冷却部分由四组 YFZL3-315 冷却器构成。网络中作为热源的绕组损耗,在后文通过三维电磁仿真得出,计算中考虑铁心及结构件所产生的的漏磁对绕组损耗的影响。作为网络串联变量的油流量以场路耦合的方法得到,根据样机的实际结构,将整体油路分段建模,进行局部三维流体有限元仿真,结果代入流体网络。最终根据以上数据,结合绕组结构重复性,确定变压器绕组热点温度及位置。  
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第 3 章 油路流量计算 ...... 17 
3.1 油路结构模型 ..... 17 
3.2 油路分段流阻计算 ....... 19 
3.2.1 数学模型建立 .... 20 
3.2.2 流场数值计算 .... 21 
3.3 本章小结 ............. 28 
第 4 章 绕组温度场计算 ............ 29 
4.1 绕组冷却过程 ..... 29 
4.2 单段绕组温度场计算 ............. 30 
4.2.1 基本假设 ............ 32 
4.2.2 求解条件 ............ 32 
4.2.3 温度场求解 ........ 33 
4.3 流体网络计算 ..... 36 
4.4 实验数据对比分析 ....... 38 
4.5 本章小结 ............. 41 
 
第4章 绕组温度场计算 
 
变压器内发热部件多,热交换过程复杂,常有多重冷却方式并行存在。一般说来,变压器热特性与流体动力学、传热学、电磁学和制造工艺等均有相关。尤其对于大型电力变压器,其热校核是一个重要的问题,但又常常难于准确计算。目前常用研究方法主要包括 IEEE 线性温度模型、热网络法和电磁-热耦合有限元计算。前文已经讨论过 IEEE 温度模型关于线性假设的缺陷,此类模型仅适用于厂用温度粗略估计;热网络法准确度依托于是否能准确估计网络热阻,而热阻又依赖于经验公式,因此热网络法精度有限;耦合有限元计算显然可靠度最高,但该可靠性建立在模型准确的基础上,且计算耗时大,设备要求高,计算过程繁杂。 在通常的网络计算中,由章节 2 中的式(2-1)可以算出网络中单个绕组线饼两端截面的平均油温。但在计算绕组温度时,需要得到式(2-2)中的每个线饼上的平均换热系数k 和散热面积ΔA 。换热系数由油流速,流固材料,散热面形状决定,而变压器循环油路中,油流动复杂,换热面形状不规则, k 值很难采用经验公式计算。本文结合热网络法和有限元计算的优点,采取绕组分段建模、数值分析的方法计算换热系数,得到准确的网络热阻,即解决了网络计算中过于依赖经验公式的问题,又避免了仿真模型过大引起的计算困难。 
 
4.1 绕组冷却过程 
变压器绕组中热源主要分为两个部分,第一部分是电流流经绕组时,由铜导线电阻引起的电阻损耗,这是变压器热量的主要来源。第二部分是漏磁场在绕组内部产生的涡流损耗,虽然涡流损耗所占比例较小,但同样会影响到绕组的温升。绕组产生的热量一部分提高自身温度,一部分散发出去。 绕组主要散热形式为热传导和对流散热[44]。当两个温度不同物体相接触或者一个物体的两端温度不同时,热量就会从高温侧沿物体向低温侧传递,这种传热方式叫做热传导。热量传导的速率与材料的物理性质和温差大小有关,材料传热系数和温度差越大,热传导越快。该过程在变压器内主要表现为绕组线饼与绝缘、绝缘与垫块间的接触传热。 
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结论 
 
以往变压器内温度场及热点计算中,解析法过分依赖经验公式,计算误差大,温度预测结果常不准确;数值分析法在具体应用中建模困难,计算量大,边界条件不易确定。本文针对这些实际问题,提出了基于流体网络的绕组温度计算方法。将局部有限元分析与流体网路结合起来,对变压器内流体场及温度场进行了研究,阐述了全域流体场与其温度分布之间的内在关系,给出了详细的计算公式,并得到以下结论: 
1.根据大型电力变压器冷却油路结构,采用流体网络的方法对其绕组温度进行了计算。将冷却油路分为绕组油路,冷却器和连接结构三部分,局部进行流体场数值分析,整体通过全域流体网络模型计算,降低了建模难度,减少计算量。以一台 330k V,容量为 240000k VA 的油浸式电力变压器高压绕组为例,三维有限元模型可减少 3/4,理论计算与实验数据最大相对误差为 3.57%,计算结果验证准确。 
2.绕组温度场建模分析时,仅对典型绕组结构部分建模计算,其他绕组段考虑其轴向油路的重复性,在油流的作用下通过流体网络予以求解,场路耦合计算绕组全域温度分布。绕组表面换热系数通过温度场分析动态确定,保证了计算的准确性。 
3.采用的全域流体网络的耦合变量是变压器油的流量。通过对冷却结构进行建模和有限元计算,分析了各处流阻特性及对油流的作用,确定了油流对整体温度分布的影响。采用这种油路分段有限元计算,局部流阻与油泵扬程通过流体网络联立确定油流量的方法,改变任意段油路结构模型,便可反映局部设计变化对全域流场状态的影响,而不需要对油路整体重新建模,有利于变压器冷却结构的优化设计。 
4.在电磁计算中,考虑了拉板和夹件等结构件对漏磁分布和绕组损耗的影响,依照样机结构建立了切合实际的电磁仿真模型。避免了以往计算中,由二维模型和过分粗糙的三维模型导致的计算精度降低。同样,在绕组油路计算中,考虑了撑条、垫块和绝缘纸等结构对流体场和温度分布的影响,给出了详细的边界条件,提出了一系列合理的假设,对单段绕组油路 1/16 流场进行了分析计算。 
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参考文献(略)
 

电气自动化硕士论文范文篇七

 
1 绪论 
 
1.1  引言 
伴随着我国社会主义现代化验证自助领取彩金建设的全面向前推进,在验证自助领取彩金快速、猛进地增长同时,我们国家也面临着前所未有的能源与发展的双重考验。能否平衡好发展与能源的关系,将直接影响我国未来验证自助领取彩金的可持续发展。 现如今在中国,化石类不可再生能源的短缺、环境污染严重以及社会对于电能需求增大等问题尤为突出。根据科学家统计数据显示:按照目前的能源消耗速度来看,我国可开采的石油储量,将在二十年后耗尽,而煤炭是我国能源的主要形式也维持不下 100年[1,5,7],并且石油、天然气、煤炭等能源是不可再生能源,如果消耗殆尽,不可能在短期内重新恢复相当储量。另外,不可再生能源的开发利用很容易给生态环境带来破坏,比如,煤炭的不充分利用导致大气雾霾的出现,同时,还会引起温室效应的发生。因此,开发新能源,实现我国能源的可持续利用迫在眉睫。 目前,可开发利用的新能源较多,像核能、风能、潮汐能、地热能等,都是现在,研究的热点新能源。这些新能源相比于传统的化石类能源都有着相当大的优势,但和太阳能比较起来还是有显著地缺点,如风能稳定性不好,发出的电能质量不够高;潮汐能利用起来不方便;地热能受到地域的限制;核能则一旦泄漏危害很大[6,7];而太阳能不存在上述问题,它具有能量巨大,发电时不出现污染,在任何区域都能实现发电等特点,故人们认为太阳能发电是我国未来能源结构中,最具有发展潜能的能源形式。 单相并网逆变器作为公共电网侧与太阳能发电系统连接的中间环节,它对光伏发电系统能否顺利、高效地并网起着决定性作用。为了使太阳能发电系统高性能并入电网,则需对单相太阳能并网逆变器进行深入研究,充分掌握单相并网逆变器在不同并网环境中的运行情况,从中提出合理地设计方案,最终实现单相并网逆变器高效运行。
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1.2  单相光伏并网逆变器的国内外研究现状及发展趋势 
控制技术以及电力电子器件的不断革新,促使单相光伏并网逆变器蓬勃发展。早在二十世纪五六十年代,伴随着世界上第一个晶闸管 SCR 的出现,人们可以通过功率器件产生正弦波的时代到来了[9],这也为逆变器创造了发展条件;逆变技术的应用及发展是在七十年代,双极性晶体管 BJT 和可关断晶闸管 GTO 诞生之后;八十年代又陆续出现了功率场效应管、MOS 控制晶闸管等大功率器件,为大容量逆变器的研发开拓了平台[10];九十年代控制技术在逆变器上得以应用,促成了逆变器的智能化进程;二十一世纪逆变器更是朝着高效率、高频化、高可靠性、高功率密度、智能化方向突飞猛进[8,13]。目前,国外光伏并网逆变器的发展已经达到比较成熟的水平,也产生出一些国际知名品牌,如:SMA、Sputnik、Sun  Power 等逆变器品牌,其中的 SMA 更是占到了最大的市场份额,据统计大概能占 49%以上[14,15,16]。下面将通过一些典型的国际知名品牌,来阐明目前国际研究光伏并网逆变器的现状。 在 SMA 的众多产品系列中,单条以及多条支路的光伏并网逆变器被应用的较为广泛。这两款产品有着共同的特点及优势它们分别是:效率高,功率因数能接近 1;谐波含量特别低;最大功率跟踪模块采用软件控制实现,使得系统的稳定性非常完美;在现实工作中,SMA 的这两款产品能自我优化调节,让系统始终处在最佳工作模式,同时,在工作状态指示上,它采用的是 LED 灯显示,操作者在操作时能更加直观的了解系统运行情况;独创的自诊断模式,随时随地发现系统故障,提醒工作人员尽快排除;在逆变器兼容性方面,做到极致,它可以任意串并联使用,方便了逆变器的扩充[17,26]。 
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2  单相光伏并网逆变器的基本原理及拓扑结构分析 
 
2.1  光伏并网发电的运行流程及工作原理 
光伏发电系统通常来说由光伏阵列、升压电路、全桥逆变电路、滤波器、蓄电池、保护电路、控制单元等组成如图 2.1 所示。图 2.1 框架的运行过程为:单相并网逆变器通电后,并网逆变器进入初试化阶段,经过几秒后初试化阶段结束,单相并网逆变器开始工作。首先,光伏矩阵发出的直流电会经过滤波处理后,送到升压电路上,同时主控电路根据采样电路采集回来的经滤波处理后的光伏矩阵发出的直流电,给出相应驱动信号控制升压电路 IGBT 的开断。此过程可将光伏矩阵输出的电压上升到 400V 的直流电,其次,主控电路经过相应计算后,会输出 PWM 信号来控制全桥逆变电路,这个阶段 400V 的直流电将变成 220V 的交流电。最后,主控电路还会对逆变器输出的交流电频率相位与电网电压的相位频率进行比较,依据它们的误差大小输出相应的 PWM 信号,最终使单相并网逆变器输出的电流和电网电压的频率和相位同步[37]。 
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2.2  单相光伏并网逆变器功率电路分析与选择 
光伏发电系统的运行,离不开光伏并网逆变器的设计,在光伏并网逆变器的设计过程中,需要充分考虑光伏并网逆变器的拓扑结构,以求设计出最高性价比的逆变器。 并网逆变器的拓扑结构层次不穷,并且不断更新变化中,是目前研究单相光伏并网逆变器的热点之一,但无论光伏并网逆变器拓扑结构如何多样,总体框架形式都可归纳为如下:并网逆变器依据是否电气隔离可以把它们分为:无变压器隔离型和变压器隔离型,在有变压器隔离型的并网逆变器中又可分:工频型和高频型,工频型变压器隔离单相并网逆变器的显著特点是,它很适用于大功率用电场合,因在网侧和并网逆变器之间有了工频变压器作为隔离电气,当大功率设备和电网出现故障时,工频变压器起到了很好的电气隔离效果,减少了单相并网逆变器的冲击,提高了光伏发电系统的安全性和整体稳定性,但因为有了变压器的存在,无形中增加了单相光伏并网逆变器的体积、设计成本以及模块的增多造成的系统效率降低等因素[38],工频隔离型单相光伏并网逆变器如图2.3 所示: 
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3  电流输出型单相光伏并网逆变器的控制方案研析 .......... 21 
3.1  并网调控对象和方法 ........ 21 
3.2 SPWM 技术应用 ........ 22 
3.3  电流型跟踪控制技术 ........ 24
3.4  电流型跟踪控制数学建模 ........ 26
3.5  双闭环控制策略的调节器设计 ........ 29
3.6  锁相环 ........ 32 
3.7 Park 变换的基本原理及应用 ..... 33
3.8  本章小结 .... 36 
4  并网逆变器硬件设计 .......... 37 
4.1  系统控制硬件结构 .... 37 
4.2  主控单元 TMS320F28035 原理图及其功能 ........... 37 
4.3  主控单元 TMS320F28035 辅助电路设计 ....... 38
4.4  系统供电电源设计 .... 41 
4.5  驱动电路设计 .... 42 
4.6  采样电路设计 .... 44 
4.7  本章小结 .... 47
5  单相光伏并网逆变器控制方法仿真与验证 ...... 48 
5.1  光伏电池数学模型及仿真 ........ 49 
5.2  扰动观察法实现 MPPT 跟踪仿真 ........... 51 
5.3 boost 升压电路与 MPPT 相结合仿真 ....... 54 
5.4  三种滤波器的 Bode 仿真 ......... 56 
5.5 SPWM 仿真 ........ 57 
5.6  改进型 Park 变换与自适应滤波器相结合仿真 ....... 57 
5.7  改进型单相光伏并网逆变器仿真 .... 61 
5.8  软件算法设计 .... 62 
5.9  本章小结 .... 63 
 
5  单相光伏并网逆变器控制方法仿真与验证 
 
单相光伏并网逆变器装置在实际中的稳定运行是离不开单相光伏并网的控制策略的。以往传统的单相光伏并网逆变器装置由于控制策略不够完善,相应的控制系统稳定性普遍不高,导致单相光伏并网逆变器装置在并网输出交流电流信号时,不能完全的使得输出电流的频率与相位跟电网电压的频率与相位同步,造成了电网的瞬时冲击。新型的单相光伏并网逆变器控制策略由于结合了目前比较先进的模糊自适应锁相环控制技术和双闭环控制策略,输出电流和系统运行的稳定性都有较大程度的提高,而在电网电压跌落、谐波注入等非理想电网电压情况下,仍能够跟踪、锁定电网电压频率及相位,保证了单相光伏并网逆变器装置的稳定输出。 下面就如下仿真的步骤做一简要说明,第一步光伏电池数学模型及其仿真,是搭建单相光伏并网逆变器的基础,它的作用在于实现光能与电能的转换,此模块的能量输出直接受温度与光照的影响,因此,对光伏电池在不同温度与光照下的伏安特性进行仿真研究,能为进一步达到光伏电池最大功率点输出控制策略提供研究思路。第二步最大功率点输出策略的仿真,研究单相光伏并网逆变器的意义在于,能使逆变器的输出功率在任何时刻都保持在最大输出点,而本文设计的单相光伏并网逆变器定位在中小型功率逆变器上,在此类型的并网逆变器中,应用扰动观察法实现 MPPT 控制是众多控制策略中,反应速度最快、效率最高的一种方法,所以,对扰动观察法的 MPPT 控制仿真能说明选择此方案的可行性,同时,实现 MPPT 控制与 boost 升压电路的融合奠定理论仿真模型基础,第三步 MPPT 控制与 boost 升压电路相结合的仿真,本文采用两级式非隔离型拓扑结构,它与单级式结构的最大区别,就是在单相并网逆变器的硬件中加入了直流升压模块 boost 电路,要想在两级式结构的逆变器上实现 MPPT 跟踪,就必须将 MPPT 控制与 boost 升压电路结合起来进行仿真,观察因不同负载情况下,光伏电池的输出是否还能达到最大输出,只有这样才能在接下来的逆变环节,使逆变器的输出能量始终达到最大值,第四步逆变环节,这里的逆变环节采用了 SPWM 脉冲宽度调制技术,它是依据调节不同的占空比,来获得所需波形。
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结论 
 
本文首先对国内外单相光伏并网逆变器的研究现状以及未来的发展趋势做了详细地综述,然后对单相光伏并网逆变器的拓扑结构及运行特性进行研究分析,并在此分析的基础上设计了 BOOST、LCL 型滤波器的元器件参数;其次,本文研究了目前应用较为广泛的单相光伏并网逆变器的脉冲宽度调制控制方法,并对基于电压外环、电流内环的双闭环控制策略进行了改进,最后深入研究了同步旋转坐标变换锁相环原理,给出将park 变换与频率自适应滤波器相结合的控制方法来实现单相光伏并网逆变器的锁相,并运用仿真软件对上述控制方法进行了仿真。完成全部工作后得出如下结论: 
(1)LCL 型两级式非隔离型单相光伏并网逆变器数学理论证明是可行的。对典型的单相光伏并网逆变器几种拓扑结构进行了细致分析,总结它们的优缺点,最终设计出适合本论文研究方案的单相光伏并网逆变器两级式非隔离型拓扑结构方案。在逆变器的前级加入 boost 电路实现升压,后级则采用单相全桥逆变电路实现并网逆变功能。而在单相光伏并网逆变器的滤波上,为最大限度减少能量损耗,设计有阻尼滤波,通过 L 型、LC 型、LCL 型三种滤波器比较研究,应用具有较强谐波抑制功能的 LCL 型滤波器,并依据其约束条件完成对其参数的设计,还对该设计方案的电路运用 protel 软件进行硬件搭建模拟。据数学理论中的比较法分析,此方案的并网逆变器能大幅度提高工作效率。 
(2)改进型外环 PI、内环预测无差拍控制策略可有效针对稳定的电网电压进行同步跟踪。重点研究逆变器控制策略,就传统双闭环电流控制策略的缺陷,进行了深入研究。找出了一种外环采用 PI、内环采用无差拍的改进控制策略,并进一步提出预测型无差拍控制方案,通过 Simulink 软件仿真实验显示,应用此方案的单相光伏并网逆变器,能很好的实现逆变器输出电流与电网电压同步,同时解决了硬件延时效应问题。 
(3)自适应滤波器与 PARK 变换相结合的锁相环能快速、稳定、准确的实现非理想电网状态下的电网频率及相位锁定。为提高逆变器的跟踪和锁定精度,解决常规并网逆变器锁相环,因自身锁相自由度不足引起锁相误差的问题。深入分析研究了同步旋转坐标变换锁相环原理,提出一种频率自适应且基于改进型 park 变换的单相并网逆变器锁相环。经仿真实验说明,应用此方法的单相并网逆变器,在电压跌落、谐波注入等非理想电网电压情况下,仍能精确地跟踪、锁定电网电压频率及相位的优势。 
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参考文献(略)

 

电气自动化硕士论文范文篇八

 
1  绪论 
 
1.1  背景及研究意义 
今年来我国工业和社会验证自助领取彩金得到了迅猛的发展,能源在国民验证自助领取彩金和工业生产中的作用也越来越重要[1]。世界上使用的能源绝大多数是非再生传统能源,并且储量在逐渐减少,传统能源的大规模使用造成得能源危机、环境污染问题越来越严重,因此急需开发新能源,微电网发电技术是解决这一问题的有效途径之一[2]。 微电网是在以风、光、储、微型燃气轮机、燃料电池作为发电单元的基础上结合电负荷和热负荷组成的热电联供系统。根据微电网与外部电网的连接方式的不同,微电网系统的运行方式有并网运行和孤岛运行。当微电网与外部电网链接时,微电网可以作为大电网的一个可调控负荷,又可以作为发电系统,能为用户提供较高质量的电能或热能,是外部电网的有力补充,改善了外部电网的峰谷性能,保障了供电的可靠性。微电网能比较完善的应对电力系统中负荷的增长,能较大的降低传统能源的消耗,提高了能源利用率,降低了系统的发电成本实现了节能减排。同时为分布式发电单元与带电网的链接提供了较好的平台,充分的利用了分布式电源的发电优势。随着微电网发电技术的不断成熟许多国家都已经开始对微电网进行研究和开发,并在理论和实验方面且取到了一定的成果。 然而,实际中微电网在优化调度、能量管理方面仍然有很多问题没有得到解决,微电网调度与主电网调度有所不同,微电网的调度方案因微电网的运行方式不同而有所差异,使得微电网调度更加困难复杂,微电网的存在能很好的处理能源利用和环境污染之间的矛盾,并且是未来智能电网的核心,因而有比较好的发展前景。现阶段微电网存在技术难题主要是能量分配和调度[3,5],主要是因为微电网中发电单元的组成方式比较灵活,输出电能波动比较严重。所以制定优化调度策略比较困难,同时对优化调度策略研究的标准也更加严格。 微电网技术和分布式电源能较好应对当今世界面临的能源危机和环境恶化两大难题,因此微电网在优化调度、能量管理方面的研究具有重要的理论意义和工程价值。 
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1.2  国内外研究现状
微电网发电系统有高效性、智能化、高可靠性的优势[6]。利用微电网发电的能够很好的解决当前能源危机的问题,微电网的运行方式比较灵活,既可以孤岛运行又能并网运行降低了分布式电源与主网直接连接时对电网的冲击。微电网优化调度是比较复杂的,是一个包含众多目标优化的问题[8],由于微电网中各分布式电源的输出容易受到环境因素的影响,其输出具有较大的波动性,当微电源输出不稳定时微电网系统内的功率平衡受到影响,在保证环境污染最低和微电网的综合效益最大的前提下制定优化的调度策略,故在求解微电源的出力时更加困难。可以看出微电网系统的优化调度问题远比主网系统的调度复杂。 国内外许多学者提出了微电网的多目标优化调度。文献[9]研究了基于微电网系统中风能、太阳能发电的特点,建立降低微电网的运行费用和环境治理费用为目标函数,采用模糊控制理论的优化调度策略对微电网模型求解。文献[13]建立了微电网系统中分布式电源的数学模型,综合环境污染罚款和微电网发电费用,采用多通道迭代粒子群算法对模型求解。文献[14]建立了考虑微电网运行验证自助领取彩金性和可靠性优化调度模型,采用了线型加权系数法进行求解。文献[18]研究了微电网的发电特点、用电负荷的不规律性运,用蒙特卡罗模拟遗传算法对微电网模型求解。文献[20]分析了发电系统运行成本最低的机组组合模型,对发电成本和排放成本取不同的加权系数,采用遗传算法进行了求解。文献[22]采用混沌量子遗传算法优化问题的解,在很大程度上克服了微电网系统的输出功率随自然资源变化带来的不确定性。文献[24]在分析了微电网中各发电单元的输出特性和优化模型的基础上,采用混沌蚁群优化算法对微电网模型进行求解。文献[33]对各类微电源的发电原理和发电费用的数学模型进行了介绍,对微电网在收到气候变化等不定因素影响时,采用禁忌粒子群算法对模型进行求解。
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2  微电网发电单元的特性及数学模型 
 
微电网中分布式电源的种类很多,主要包括风能、太阳能、微型燃气轮机、燃料电池及储能装置。并且各个微电源的运行特性不尽相同,因此对微电源中各分布式发电单元的数学模型进行研究分析是微电网优化调度的基础,本章主要对系统中几种常见的微电源进行说明。 
 
2.1  风能发电的基本原理及模型 
 
2.1.1  风能发电的基本原理 
风能属于可再生的清洁能源,有较好的发展前景。风能发电单元主要组成分有风机、变压器、发电机、电子开关接口以及齿轮箱。风能发电单元组成结构如图 2.1 所示。风能发电的基本原理[6]是:风能发电机(Wind Turbine,WT)把风的动能经过风机旋转转化成机械能,然后风能发电机在风机带动下开始工作并将风机的机械能转化成磁能,再由磁能转化成电能。风机的输出功率随风速变化曲线如图  2.2 所示。当风速小于切入风速,风能发电机的有功功率输出为 0;如果风速小于发电机的额定值又大于切入值,则机组的输出与风速大小成线性关系;如果风速小于切出值大于额定值,风能发电机的工作状态输出为额定工作状态;如果风速大于切出值时风能机组将停止工作,风能发电机的输出为 0。 在建立风能发电单元的数学模型时,通常不考虑风机的安装高度、测量风速与实际风速的误差等因素对风能发电机输出功率的干扰。因此,通过对某时刻的风速进行预测,依据风电机组功率与风速特性的关系,即可求得该时刻风能发电机组的出力。 
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2.2  太阳能发电的基本原理及模型
太阳能是在世界上应用很广泛的清洁能源,传统的能源在使用时产生污染并且储存量在逐渐减少,而当今社会发展对能源需求量在逐年递增,在比较重视环境问题的今天,清洁能源越来越受到青睐,并在今后的社会发展中扮演着重要的角色。太阳能发电(photovoltaic cell,PV)[41]也是微电网系统中不可或缺的主要组成部分。由于太阳能收集比较方便,使用比较便捷资源也比较丰富,所以太阳能发电技术在未来的有着比较好市场前景。
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3  微电网系统优化调度模型 .......... 16 
3.1  建立微电网优化调度模型的目标函数 .... 16
3.2  微电网运行约束方程 ........ 19
3.3  微电网的运行模式 .... 20 
3.3.1  孤岛运行方式 .......... 20
3.3.2  并网运行方式 .......... 21 
3.4  微电网的优化调度控制策略 .... 21 
3.4.1  微电网并网运行调度策略 ...... 21 
3.4.2  孤岛调度策略 .......... 22 
3.5  本章小结 .... 22 
4  微电网的优化调度模型求解 ...... 24 
4.1  粒子群算法的简介 .... 24 
4.2  粒子群算法运算及改进过程 .... 25 
4.3  模型的算法求解 ........ 27 
4.4  本章小结 .... 28 
5  算例分析 ...... 30 
5.1  微电网系统组成模型及参数 .... 30 
5.2  微电网系统孤岛运行时仿真分析 .... 34
5.3  微电网系统并网运行时仿真分析 .... 37 
5.4  本章小结 .... 40 
 
5  算例分析 
 
本文构建了包括风能发单元、太阳能发电单元、微燃气轮机单元、燃料电池以及蓄电池分布式电源等的微电网系统。根据用电负荷的实际用电情况将一天分为用电高峰期、用电低估期、用电均衡期三个阶段。由于风速、温度、光照强度在一天内是逐渐变化的,所以其发电单元的出力也是不确定的,以一个小时为单位来划分微电网系统的优化调度时间,可以将一天设为 24 调度时段,而将一天作为微电网的一个调度周期,进行调度分布式单元的出力更加合理。以满足微电网系统运行的约束为前提,以优化调度策略为原则,微电网的微电网运行综合效益最大化为目标函数,用改进粒子群优化算法对微电网的目标函数进行求解。分别对微电网并网运行和孤岛运行进行仿真,仿真时以某典型日提供的参数作为依据进行仿真,并在并网运行时和孤岛运行时的调度策略下确定微电网中各分布式电源的最优出力,使整个优化调度周期运行最小成本费用,进而实现微电网系统的最优化运行。
 
5.1  微电网系统组成模型及参数 
本文以风、光、微型燃气轮机、燃料电池、储能装置为单元构建的微电网系统。微电网系统结构包括额定功率 40kW 风能机组、额定功率 20kW 的太阳能机组、额定功率50kW 的燃料电池组、额定功率 65kW 的微型燃汽轮机及额定功率 40kW 的储能装置。将微电网中负荷构成按照其的对供电可靠性的要求分为三个等级,其中一级负荷的额定容量为 60kW、二级负荷的额定容量为 50kW 及额定容量为 50kW 的三级负荷。微电网处于并网模式时应能保证系统中所有负荷用电的可靠性,当系统工作在孤岛模式下,微电网系统所提供的电能达不到负荷的用电要求时,应根据的负荷的重要程度进行依次切除以使微电网系统达到的供需平衡。微电网系统结构组成图如图 5.1 所示.
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结论 
 
由于微电网中分布式电源的输出具有波动性和不稳定性在微电网并网运行时将会给主网的安全运行带来影响,也直接影响负荷,本文建立了风、光、微型燃气轮机、燃料电池、储能装置等组成的微电网系统。并制定了微电网在不同运行方式下的调度策略和该策略下的目标函数,给出了微电网在运行时约束微电源出力的条件,确定微电源的出力,并对微电网的优化调度作进一步的研究主要成果如下所述: 
(1)建立了微电网系统中各个分布式单元的发电成本、损失费用数学模型,分析了工作特性微电网的总运行成本考虑了环境污染治理费用及设备运行维护费用。建立微电网优化调度的目标函数,环境成本函数,制定了微电网并网运行时的调度方案和孤岛的调度方案。 
(2)以某典型日负荷参数、自然参数为基础用改进的 PSO 算法对建立的数学模型进行求解,制定了分时段优化调度方案,并确定了微电网孤岛运行时在峰、谷、平三个阶段的出力,分析比较了微电网采用常规调度策略和采用优化调度策略的综合效益;分析当微电源并网运行时,微电源在不同阶段内的出力和不同调度策略下微电源的综合效益。最终验证了算法的正确性和优化调度方案的可行性。 
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参考文献(略)
 

电气自动化硕士论文范文篇九

 
第 1 章 绪论
 
1.1 课题研究背景及意义
近年来,我国智能电网得到了迅速的发展,电力系统对高压开关设备的智能化提出了迫切要求。为了满足电网发展需求和提高自身性能,高压开关的智能化已经成为开关电器领域发展的新趋势[1]。电机操动机构是一种以电动机作为直接动力输出的新型操动机构,将电机转轴与高压断路器传动杆相连,通过三角拐臂连动驱动断路器触头进行分合闸,传动可靠性得到了提高;其以储能电容作为电源,采用了现代控制理论和电力电子技术相结合的智能控制系统,可实现人机信息通讯、实时数据监测和机构故障诊断等功能[2,3]。这种操动机构不仅从原理上简化了运动系统结构,而且能充分利用特种伺服电机良好的调控特性,并结合高性能伺服控制系统的智能控制特性,具有运动零部件少、结构简单、可靠性高、可控性好等特点。电机操动机构良好的操动稳定性和灵活的随动调控性对实现高压断路器智能控制具有重要意义,是提高高压断路器可靠性的重要基础,也是高压断路器智能化、节能化操作的发展方向[4]。有限转角永磁无刷直流电机凭借其运行可靠、结构简单、启动转巨大、体积紧凑等优点被作为驱动电机广泛应用于电机操动机构中。有限转角永磁无刷直流电机是在一定角度范围内做快速旋转运动的伺服电机,它采用电力电子换相技术,替代常规电机的机械换相装置,使得直流电动机自身机械特性良好、调速范围宽和启动转矩大等优点被保留。驱动电机作为电机操动机构的动力输出装置,其控制技术是影响电机操动机构运动特性的重要因素。虽然国内相关学者对有限转角电机的控制方法进行了探索研究,但是应用于电机操动机构的控制方法大都尚处于仿真分析阶段,通过试验验证其控制方法实用性的少有报道[5]。
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1.2 国内外研究现状
电机作为机电能量转换装置,经过两个多世纪的不断发展,适用于不同工作条件的各种类型电机如燎原之势出现,已经被广泛应用到航空航天、医疗、工业等的各个领域中。19 世纪初期,法拉第发现电磁感应现象,为现代电机理论奠定了基础,随后第一台直流电机被研制成功[7]。20 世纪 30 年代,研究人员开始研制将电机中的机械换相装置用电子元件代替,经过不断努力,终于在 1962 年研制成功了采用霍尔元件作为换相装置的无刷直流电机[8]。随着新型永磁材料的出现、微电子技术的进步以及数字信号处理技术和现代控制理论的不断发展,无刷直流电机的发展得到了很大的推进。1978年,在汉诺威贸易展览会上原联邦德国 MANNESMANN 公司正式推出其 MAC 永磁无刷直流电机及其驱动系统,这一新产品的出现引领了电动机的发展方向,标志着永磁无刷直流电动机实用时代的到来[9]。近年来,以稀土为励磁材料的中小型功率电机得到了不断发展和应用,极大的促进了电机产品的多样化发展,有限转角稀土永磁直流电机就是其中的一种[10]。有限转角永磁无刷直流电机绕组嵌放在定子槽内,转子上固定有永磁体,因此电机转子结构简单,转动惯量较小[11,12]。该类电机的机电时间常数较小,能够承受较大的角加速度,可以在固定的角度范围内做快速旋转和准确定位。由有限转角永磁无刷直流电机组成的伺服系统具有输出转矩大、速度调节范围广、定位准确度高等特点,被广泛的应用于航空航天等领域高要求、高精度的电气伺服系统中[13]。
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第 2 章 有限转角永磁无刷直流电机及其系统建模
 
2.1 电机结构及工作原理
高压断路器电机操动机构驱动电机是永磁直流电机的一种,可在一定角度内直接驱动断路器进行快速运动。驱动电机是由永磁无刷直流电机本体、检测转子位置的传感器和实现换相的控制器三部分组成的典型机电一体化器件,如图 2.1 所示。驱动电机的本体结构如图 2.2 所示,主要由一台永磁电机加一个限位器和一只编码器组成。转子上装配有稀土永磁体,采用瓦形永磁体径向充磁结构,由于电枢磁势通过永磁体,永磁体磁导率接近空气,所以这种电机电枢反应小,对气隙磁场畸变影响弱,机械特性硬。定子上嵌放电枢绕组,通入直流电流绕组产生电枢磁势与永磁体产生的转子磁势相互作用,生成转矩驱动电机转动。定子上装有限位装置,当电机转动到一定角度时,限位装置对电机转子进行机械限位[44],本课题所研究的有限转角永磁无刷直流电机基本参数如表 2.1 所示。
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2.2 电机动态方程
电机操动机构驱动电机运动是一个快速的机电能量转换过程,在驱动电机运动过程中,电气过程和机械过渡过程同时存在,两者交叠在一起,又相互影响,驱动电机的输出特性满足高压断路器电机操动机构的特性要求。为了简化驱动电机模型分析,在不影响控制性能的前提下,结合电机自身特点,做出如下假设:(1)设电机的磁路是线性的,忽略饱和效应。(2)不考虑电机的涡流损耗和磁滞损耗。(3)不计电枢反应和齿槽效应。(4)绕组等效电感为常数。操动机构作为断路器中重要的驱动装置,对断路器的发展有着极大的影响。例如永磁机构的出现,提高了断路器的可靠性,满足了免维护的要求,对同步断路器的发展起了至关重要的作用,现代高压断路器智能化分合闸操作的实现,主要也是由于操动机构改进的结果[46]。当电力系统正常工作时,高压断路器能够容易实现合闸操作。高压断路器的合闸过程有两个阶段:刚合前阶段和刚合后阶段。高压断路器动触头从分闸位置运动到刚合点位置的这段阶段成为刚和前阶段,断路器动触头在这个阶段内有较高的刚合速度,减小了触头间的预击穿电弧对断路器触头的烧损损坏[47]。
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第 3 章 有限转角永磁无刷直流电机控制方法研究...........20
3.1 有限转角永磁无刷直流电机控制系统...........20
3.1.1 电机双闭环控制..... 20
3.1.2 电机控制策略分析......... 21
3.2 常规 PID 控制系统建模与仿真......22
3.2.1 常规 PID 控制器设计.....22
3.2.2 仿真结果及分析..... 24
3.3 RBF-PID 控制系统建模与仿真....... 25
3.4 本章小结...........30
第 4 章 电机操动机构控制系统的实现.......31
4.1 硬件系统组成...........31
4.2 硬件电路设计...........31
4.3 软件程序总体要求...........36
4.4 软件程序设计...........36
4.5 本章小结...........40
第 5 章 联机试验与结果分析.......41
5.1 试验平台组成...........41
5.2 电机操动机构操作试验...........42
5.3 电机操动机构调控试验...........43
5.4 电机操动机构智能控制试验...........44
5.5 本章小结...........46
 
第 5 章 联机试验与结果分析
 
5.1 试验平台组成
为了验证本文所研究的控制装置和智能算法在高压断路器电机操动机构中的实用性,以 40.5kV 高压断路器电机操动机构为试验对象,开展联机试验,试验现场如图 5.1所示。试验平台由 40.5kV 高压断路器、有限转角永磁无刷直流电机电机、控制装置和检测装置等组成,其中检测装置主要包括光电编码器、霍尔电流传感器、转子位置传感器和数字示波器等。光电编码器直接与驱动电机转轴连接,驱动电机的旋转状态可以通过光电编码器的输出信号进行判断;控制器中三相逆变桥的引出线直接通过霍尔电流传感器,为防止外部电磁干扰影响电流测量的准确性,在霍尔电流传感器外面套上屏蔽罩。有限转角永磁无刷直流电机的旋转轴与断路器的传动主轴通过法兰直接连接,当电机操动机构执行动作指令时,首先控制系统发出操作指令导通逆变桥,使电机绕组按照一定顺序通电,使电机往指定的方向进行旋转,电机驱动断路器传统主轴动作。通过断路器中主轴、拐臂和传动连杆的相互作用带动动触头进行动作,完成断路器的分、合操作。
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结论
 
本文以电机操动机构驱动电机为研究对象,结合有限转角永磁无刷直流电机特性方程,对电机可控性进行了深入分析,提出 RBF-PID 调节电机速度的控制方法,建立40.5kV高压断路器电机操动机构联机试验平台并开展试验研究,取得如下研究成果:
(1)建立有限转角永磁无刷直流电机运动方程,分析电机运动特性,对电机运动可控性进行研究。分析可知,驱动电机工作在启动状态时,电机的角速度呈指数函数上升,其大小与自身基本参数和绕组端电压有关,通过控制绕组端电压可以控制电机的运动过程。利用数值仿真软件搭建驱动电机仿真模型开展仿真研究,验证了上述推论的正确性,为实现电机运动过程控制奠定了基础。
(2)建立了常规 PID 控制器和 RBF-PID 控制器电机操动机构仿真模型,并开展仿真实验研究。结果表明,在常规 PID 控制控制过程中,当电机加入负载后,控制系统不能很好的抑制负载扰动,最大速度跟踪误差为 0.31m/s。采用 RBF-PID 控制器时,控制系统对参数进行快速调节,抑制负载扰动效果明显,在整个运动过程中最大速度跟踪误差为 0.17m/s。与传统 PID 控制相比,误差降低了 0.14m/s,验证了 RBF-PID控制的有效性和正确性,同时为进一步实现智能控制系统提供了参数参考和理论依据。
(3)研制以 TMS320F28335 理器为核心的电机操动机构控制装置,设计控制系统软件程序。硬件控制装置主要包括:电源充放电控制单元、隔离驱动单元、电流检测单元、速度检测单元等。以 CCS3.3 为软件开发环境,采用模块化设计思想,设计完成并调试电机控制系统主控制程序和各子程序。
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参考文献(略)
 

电气自动化硕士论文范文篇十

 
第 1 章 绪论
 
1.1 合成回路试验的意义
随着现代电网向着高电压、大容量的发展趋势发展,作为为电网提供安全保障的高压断路器的作用日益提高。在电力系统的发电、输变电和配电设备中,可能发生各种短路,当发生短路时就要求断路器需要迅速切除故障,避免造成巨大损失。由于电力系统实时运行时对整个系统的可靠性要求非常高,因此高压断路器在投入使用之前必须进行相应参数性能的检验和认证。目前的科技发展水平还不十分完善,高压断路器的开断过程及涉及到的一些问题极为复杂还不能完全依靠理论分析和定量计算的方法设计出符合各项开断性能和其他要求的断路器。所以对于高压电器产品的研制必须通过型式试验和预防性试验提供信息和经验,最终通过试验来鉴定是否可以定型和生产[1]。因此如何在高压断路器进行生产和投入运行以前,通过试验系统对高压断路器的各项开断性能进行准确、可靠的试验是十分重要的。对高压断路器开断性能进行验证有很多方法,在保证试验条件与被试断路器在实际系统中应用相等价性前提下,试验方法按照试验电路分类,可以分为直接试验和间接试验[1]。直接试验是一种短路试验法,其中外试电流、电压、瞬态及工频恢复电压都由一个电源回路提供[2]。直接试验法包括网路试验法和直流发电机试验法,其中网路试验法的电源直接由给电力网配电的试验站提供,这种试验方法试验费用高昂,而且会产生大功率的短路冲击,对电网的稳点性产生影响;直流发电机试验法由大容量发电机组供电,投资巨大、维护困难,并且试验次数和容量受到很大的限制。因此,直接试验方法应用的不是很广泛。合成回路也是一种短路试验,属于间接的试验方法,其中电流和电压分别来自两个独立源。试验电流主要由电流源回路提供,试验电压主要由电压源回路提供[1]。
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1.2 合成回路试验的国内外发展及现状
从上世纪 30 年代开始,世界各国提出了多种合成回路方案,其中很多方案都申请了专利,一些国家还建立了工业性或半工业性的合成回路试验站[3]。从 60 年代初开始,为了产品发展的需要,各国对合成回路试验系统进行了广泛的研究,证明合成试验法对断路器开断试验是等价的,很适用于型式试验和验收试验。由于合成试验法验证自助领取彩金、灵活、对试品的破坏性小以及能按需要广泛调节试验参数,因此它也是高压电器发展理想的研究工具。1968 年 IEC“高压开关设备和控制设备”分委会决议以 IEC 标准的形式推荐给各国使用,1973 年在 IEC-427 出版物上正式提出《关于高压交流断路器的合成试验报告》,使其成为实验室合成试验系统的运行与监测的标准[3]。目前,随着计算机技术、电力电子技术、半导体技术、传感器技术、电子测量技术以及信息处理技术的迅猛发展,世界各大开关试验站都采用计算机作为合成试验控制系统的核心,以提高试验控制和测量的水平,而且取得了较大的进展[4]。例如,荷兰的 KEMA 试验站采用了微机测试系统;ABB 公司也扩建了它在瑞典路德维卡强电流试验站,并使之设备实现现代化,扩建后的短路容量达到了 7500MVA,可产生 1600kV的电压,短路电流有效值可达到 80kA,拥有最新的测试、控制和监视技术及最现代化的数据处理设备;日本东芝公司的研究人员在用合成回路试验对真空断路器开断性能方面开展了很多研究工作,并取得了一定的研究成果[3]。
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第 2 章 合成试验原理及主回路分析
 
2.1 断路器开断原理及过程
合成回路试验是在断路器的开断特性上建立起来的,因此,首先介绍一下断路器的开断原理。断路器开断时会在断口间出现电弧电流,当电弧电流过零时,电弧功率也随之变为零,此时电弧间隙得不到能量输入,却以辐射、对流、传导等方式散出能量。以致使电弧间隙内的带电粒子消游离过程增强,电弧间隙的温度迅速下降,电弧会在电弧电流过零点时暂时熄灭。在电弧电流过零以后,电弧可能出现就此熄灭完成电路的开断和再次重新燃烧两种现象。因此交流电弧电流的过零时,电弧最容易熄灭。只要在电弧电流过零时,断开断路器且开断后弧隙通道不发生重燃,电弧就会最终熄灭。从流过断路器断口的电弧电流过零时开始,在电弧间隙上将发生电压恢复和介质强度恢复两个过程。在流过断路器断口的电弧电流过零电弧熄灭的瞬间,弧隙上的电压为熄弧电压。在电流过零后断路器开断,弧隙上的电压应从熄弧电压变化到相应时刻的电源电压。由于实际的电力系统中总存在着一些电感、电容等储能元件,使回路中的电压值不能突然发生变化,因此在电弧电流过零的瞬间,断路器电弧间隙上的电压将从熄弧电压逐渐变到电源电压即发生电压的过渡过程,电压过渡过程又称为弧隙的电压恢复过程。在电压恢复过程中,弧隙两端出现的电压就称为弧隙的恢复电压。电路的电容、电感参数和弧隙性能决定了电压恢复的过程,该过程可以是周期的,也可以是非周期的。当电弧电流过零后电弧熄灭时,电弧间隙逐渐从原来的导电通道转变成绝缘通道的过程被称为介质强度恢复过程。从电压恢复和介质强度恢复的过程可知,这两个过程的作用是相反的。在电压恢复过程中,弧隙上的电压不断升高,最终达到电源电压。在这一过程中,当恢复电压超过弧隙上的击穿电压时,将可能引起弧隙的再次击穿从而使电弧重新燃烧,影响断路器的正常开断。而在介质强度恢复过程中,弧隙的介质强度不断增加,导致电弧间隙间的绝缘强度不断增强,提高弧隙间的击穿电压,防止电弧间隙的再次击穿从而使电弧熄灭。因此,断路器断口的电弧是否能够正常熄灭,就取决于电弧间隙的电压恢复过程和绝缘强度恢复过程之间的相互竞争[4]。当电压恢复过程快于绝缘强度恢复过程时,可能引起电弧重燃,反之,电弧则能正常开断。实际上断路器的大容量开断试验就是模拟上述的开断过程。
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2.2 合成回路试验原理
检验断路器开断能力的试验方法有很多种,其中按照试验所需电路分类,可以将试验分为直接试验和合成试验。直接试验是一种短路试验方法,直接试验的电流、外试电压、瞬态及工频恢复电压全部取自同一个电源回路,该电源回路可以由电力网、短路试验发电机提供,在一定的条件下,也可以由单频振荡回路提供。合成试验法与直接试验法的本质区别在于合成试验由两个电源代替直接试验法的一个电源。由图 2.1断路器的开断过程可知,电弧电流在过零点以前,电弧电压幅值很低。电弧电流过零前后,电弧电压依然保持很小的数值,但电弧电流过零后弧隙上的电压逐渐变得很高。可见在高压断路器开断的过程中,作用在弧隙上高电压和大电流并不是同时产生的,由于以上高压断路器开断的特点,对断路器进行开断试验时可以采用两套独立的电源,由电压值很低电流值很高的电源构成短路电流回路,简称电流源。由电流值很低电压值很高的电源构成电压回路,简称电压源[5]。用以上两个相对独立的电源代替直接试验法的一个电源,并由同步合成控制装置在电流过零区对电流和电压进行合成。这种对电流和电压进行合成的试验系统被称为合成回路试验系统。由于合成试验需要对电压源和电流源在电弧电流过零前后进行合成,因此在进行合成试验时,能否保证电弧电流在过零合成时,即电流源与电压源相互作用阶段,断路器的开断和直接试验的实际开断具有相同的等价性,是进行合成试验的关键问题。
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第 3 章 合成试验电流源试验参数计算及分析....12
3.1 故障电流分析..........12
3.1.1 开断的短路电流分析..........12
3.1.2 电流源回路放电电流分析.........14
3.2 电流源参数计算......16
3.3 延弧回路分析..........22
3.4 本章小结....24
第 4 章 合成试验电压源试验参数计算及分析....25
4.1 电压源回路瞬态及工频恢复电压分析.....25
4.2 电压源放电回路参数计算....27
4.2.1 放电回路等价性分析..........27
4.2.2 放电回路参数计算.......28
4.3 电压源回路调频二参数计算.......29
4.3.1 二参数调频回路计算..........29
4.3.2 二参数调频回路参数仿真与分析....30
4.4 电压源回路调频四参数计算.......32
4.5 本章小结....37
第 5 章 参数自动计算界面设计.......38
5.1 主界面简介.......38
5.2 输入参数模块..........39
5.3 电流源相关参数模块.....39
5.4 电压源相关参数模块.....41
5.5 本章小结....44
 
第 5 章 参数自动计算界面设计
 
5.1 主界面简介
由于 MATLAB 软件强大的科学计算与图形显示功能,能够满足本合成回路试验系统的电路分析和计算的所有要求,因此,本试验应用 MATLAB 软件对电路参数进行计算。但是,目前利用 MATLAB 软件计算高阶动态电路主要是编写大量的 M 文件函数并通过相互调用计算电路所需数值,这就造成每次计算电路时需要重复的编写大量的计算函数,程序使用不具备通用性且容易造成函数调用混乱,计算的数据错误率和误差率高,同时造成进行合成试验前准备工作进行时间过长。借助于 MATLAB/GUI 模块设计开发出合成回路试验参数分析计算平台,只要将所需的试验方式、试验电流和试验电压及相关参数输入,就能在该平台上显示试验所需参数数值,并且将结果可视化,并对所计算的参数值进行动态仿真,明确参数的误差,可手动调节各个参数,减小进行试验时由于参数产生的误差。基于 MATLAB/GUI 的参数计算平台为以后进行合成试验提供了极大的方便,并提高了合成试验计算参数的准确性。本合成试验参数计算界面主要包括:参数输入界面、电流源相关参数、电压源相关参数、波形显示四个主要的模块。实现整个合成回路试验系统的振荡放电参数、调频参数的确定和仿真,并给出相应元件的组合方式,确定元件的接线抽头。简化合成回路试验前的准备工作,大大提高了试验效率。该参数计算界面的系统结构图如图 5.1所示。
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结论
 
本文在详细的分析合成回路试验原理和过程的基础上,应用计算机对合成回路整个系统的试验参数进行辅助分析和设计。本文主要得出结论如下:(1)要想得到试验所需的电流源电流值,只需要改变电流源回路中的充电电容器的电压值、电抗器电抗值、充电电容器电容值,其中充电电容器电压值决定电流的幅值,电抗器电抗值和电容器电容值决定电流的频率。(2)决定电流源调频参数大小的主要因素为电路的固有振荡频率和辅助断路器的瞬态恢复电压上升率,在根据不同试验时可相应确定电流源调频回路参数。(3)决定延弧回路的主要因素为:投入脉冲延弧时,脉冲电流要远远大于该时刻的电流源电流;同时还要求脉冲电流的衰减时间大于触发时到电弧过零的时间。(4)电压源四参数调频回路的瞬态恢复电压的波形由三个不同的分量组成,包括一个直流分量与两个频率和衰减系数都不相等的余弦函数分量。(5)合成回路参数自动计算界面,在明确试验方式、试验电流和试验电压的基础上能够自动计算出电流源回路的相关参数和电压源回路的相关参数,动态显示瞬态恢复电压的波形,明确每个参数对瞬态恢复电压的影响。简化试验前人工匹配试验参数,提高试验效率。
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参考文献(略)

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