石油钻采设备通常工作于公共电网所不及的沙漠、海洋和陆地等环境场合，其中的电站子系统由数台柴油发电机组及其相应的控制系统构成，为石油钻机提供动力电源（小电网供电系统）。石油钻机中的钻井设备（绞车、泥浆泵和转盘等）由大功率的交流或直流电动机驱动，根据钻井工艺需要调节转速和控制转矩，因此，通常采用VFD变频调速系统或SCR直流调速系统来满足钻井工艺要求。众所周知，电力电子装置（VFD变频传动系统和SCR直流传动系统）对电力系统带来谐波污染，尤其是对柴油发电机组小电网系统，谐波污染的问题将更为严重，而且SCR电驱动系统的功率因数较低，也给小电网系统带来额外负担，影响供电质量。因此，对石油钻机电驱动系统进行谐波抑制和提高功率因数，显得尤为重要。本论文正是针对此问题进行的研究和实践。 本文对石油钻机电驱动系统的构成及其工作原理作了介绍，重点分析了SCR和VFD电驱动系统谐波和无功功率产生的原因及危害，结合国内外的研究成果，提出对石油钻机电驱动系统进行谐波抑制和无功补偿的方案，并将其应用到实际的工程项目中。 石油钻机电驱动系统为典型的多谐波源系统，本文对各个谐波源进行了详细地分析，并且将多个谐波源进行了合成叠加和计算，来确定对电网系统总的影响（电压畸变率）；针对SCR和VFD电驱动系统的结构和特点，提出了对SCR和VFD系统进行谐波抑制和无功功率补偿的不同解决方案，即：对SCR电驱动系统，采用有源滤波器+动态无功功率补偿的办法，来消除谐波和改善功率因数；而对VFD电驱动系统，采用有源滤波器来消除谐波即可。 对石油钻机SCR和VFD电驱动系统谐波进行的分析和计算，为两系统谐波抑制的方案选型和系统优化提供了设计依据。本文选用适合于柴油发电机组小电网供电系统的有源滤波器（额定电压为690V）来滤除谐波，在系统结构上，采用一个谐波源配置一个有源滤波器的方法，主要解决了CT和PT连接的问题，实践证明系统配置合理，滤波效果良好。同时对SCR电驱动系统设计了动态无功补偿装置，通过实测数据验证了本文对SCR电驱动系统的无功进行了有效地补偿。
上传时间： 2013-04-24
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随着电力电子技术的发展，高压换流设备在工业应用中日益广泛。其核心元件晶闸管（SCR）的电压与电流越来越高（已达到10KV/10KA以上），应用场合要求也越来越高。在国际上，晶闸管的光控技术发展日益成熟。根据对国内晶闸管技术发展前景和需求的展望，本文采用自供电驱动技术与光控技术相结合，研发光控自供电晶闸管驱动控制板，然后与晶闸管本体相结合即形成光控晶闸管工程化实现模型，其可作为光控晶闸管的替代技术。 在工程应用中，光控晶闸管的典型应用场合为四象限高压变频器和国家大型直流输变电系统等。随着国家节能工程的实施，高压变频器的应用范围越来越广泛，已成为工业节能中的重要环节。高压直流换流系统难度大，技术复杂，要求高，本论文研究的光控晶闸管替代技术只作为其储备技术之一。本论文以电流源型高压变频器作为该光控晶闸管替代技术的应用背景重点阐述。 电流源型高压变频器为了提高单机容量，通常是数个SCR串联使用。随着系统容量越来越大，装置对高压开关器件的要求也越来越高。如果一组串联SCR中某一个SCR该导通时没有导通，那么加在该组SCR上的电压都将加到该SCR上形成过电压，造成该器件的击穿损坏，甚至于一组串联SCR都被烧坏。为了克服上述问题，保证高压变频器中串联晶闸管能够安全可靠的工作，提高系统可靠性，有必要为晶闸管配备后备驱动系统。本文提出了给SCR驱动电路增设自供电驱动系统——SPDS （Self—Powered Drive System）的解决办法。SPDS基本功能是通过高位取能电路利用RC缓冲电路中的能量为监测电路和后备触发电路提供正常工作所需要的能量。它的优点是由于缓冲电路与晶闸管同电位，自供电驱动系统要求的电压隔离水平可以从几千伏降低到几百伏，节省了高压隔离变压器，节省了成本和体积，提高了系统可靠性。国外对相关内容已经有了深入研究，并将其应用在高压变频器产品中。在国内，目前还没有查到相关文献。本文为基于晶闸管的电流源型高压变频器设计了一种高压晶闸管自供电驱动系统，填补了国内空白，为自供电驱动系统的推广应用和其他高压开关器件自供电驱动系统的研制提供了参考。 本文详细介绍了串联高压晶闸管驱动系统的要求和RC缓冲电路的工作特 点，进而提出了SPDS的工作原理和具体实现方式，阐述了SPDS各部分组成及其功能。SPDS的核心技术是取能回路和触发方式的设计。本文在比较各种高压取能方式和触发方式优缺点的基础上，选择采用RC缓冲取能方式和光纤触发方式。 论文基于Multisim10仿真软件，结合高压晶闸管自供电驱动系统取能电路的原理，对高压晶闸管自供电驱动系统的核心部分——SPDS取能电路进行了仿真。通过搭建带SPDS取能电路的单相晶闸管仿真电路和电流源型高压变频器前侧变流电路的仿真模型，详细讨论了影响RC取能回路正常工作的各种因素。同时，通过设定仿真电路的参数，分析了其工作状况。根据得到的仿真波形图，证明了高压晶闸管自供电驱动系统可以达到有效触发晶闸管导通的设计目标，具有可行性。 为考察SPDS的实际工作性能，本文搭建了简易的SPDS低压硬件实验平台，为其高压条件下的工程化应用打好了基础。 在论文的最后，对高压晶闸管自供电驱动系统的发展方向进行了展望。 关键词：高压变频器；晶闸管驱动；自供电系统；高压换流；光控晶闸管
上传时间： 2013-05-26
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风能作为一种清洁可再生能源，迅速发展，已经成为世界新能源最主要的发展方向之一。风力发电系统按照容量可以分为小型风力发电系统和大型风力发电系统，按照是否并网又分为离网系统和并网系统，文章着重研究小型并网风力发电系统。 本文在分析国内外风力发电系统的现状以及风电产业现状的基础上，研究了风力发电系统的总体结构、风力机的主要机型以及发电系统的分类。通过研究风力机和永磁同步发电机各自的特性，基于它们的数学模型分别建立了各自的仿真模型。基于上述仿真模型，分别建立了整个电压源型逆变器并网风力发电系统和电流源型逆变器并网风力发电系统的仿真模型。 在风力发电并网系统中，并网逆变器是核心部分，可以分为电流源型逆变器和电压源型逆变器。本文研究了三相电压源型逆变器实现并网所采用的控制方法，包括空间矢量调制法和锁相环技术。针对电流源型并网逆变器风力发电系统，研究了PWM电流源型整流器的空间矢量调制和PWM电流源型逆变器的三种脉宽调制策略。 文中电压源型逆变器并网风力发电系统的仿真模型，采用BOOST变换器稳定逆变器输入直流电压，采用SPWM方法控制电压源型逆变器实现风机的并网；在电流源型逆变器并网风力发电系统仿真模型中，用空间矢量调制方法控制PWM电流源型整流器和用SPWM控制电流源型逆变器的方法实现了系统的并网。本文对采用的控制方法进行了仿真验证，比较了两种并网系统的并网优缺点，最后对两种并网逆变器的区别进行了总结。
上传时间： 2013-06-29
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轻型高压直流输电系统在解决交流系统非同步互联、向偏远地区的无源负荷供电、满足保护环境要求等方面具有很大的优势。在传统的基于两电平或三电平电压源型换流器的轻型高压直流输电系统中，换流器交流侧需要使用体积庞大和笨重的滤波装置，桥臂的高电压需要功率开关器件直接串联来实现等，增大了换流站的占地空间，降低了换流器的工作效率。 本文针对传统轻型高压直流输电系统所存在的缺点，采用一种新的模块化多电平换流器作为轻型高压直流输电系统的换流器。分析了模块化多电平换流器的工作原理，并提出将其应用于轻型高压直流输电系统的调制算法和控制策略。最后对控制系统的具体实现方案进行一定的探讨。通过仿真验证所提出的调制算法和控制策略的正确性。具体说来，全文的主要工作体现在以下几个方面： 1、详细讲述模块化多电平换流器的拓扑结构、子模块的具体实现形式及工作原理，并提出适合该换流器的调制算法。 2、详细介绍组成轻型高压直流输电系统的电压源型换流器的工作原理，分析电压源型换流器的间接电流和直接电流控制策略。 3、对基于模块化多电平换流器的轻型高压直流输电系统进行仿真，验证所提出控制策略的正确性。 4、探讨解决模块化多电平换流器子模块直流侧电容电压的均衡问题，提出一种较为简单有效的控制方法。 5、提出基于模块化多电平换流器结构的轻型高压直流输电控制系统的实现方法，并重点讲述子模块的数字逻辑电路的实现方法。
上传时间： 2013-04-24
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在能源枯竭与环境污染问题日益严重的今天，新能源的开发与利用愈来愈受到重视。太阳能是当前世界上最清洁、最现实、最有大规模开发利用前景的可再生能源之一。其中太阳能光伏利用受到世界各国的普遍关注。而太阳能光伏并网发电是太阳能光伏利用的主要发展趋势，必将得到快速的发展。在并网型光伏发电系统中，逆变器是系统中最末一级或唯一一级能量变换装置，其效率的高低、可靠性的好坏将直接影响整个并网型系统的性能和投资。按照不同的标准光伏并网逆变器的拓扑结构分为很多种，本文主要研究单相非隔离型光伏并网逆变器。 文章首先概述了光伏并网系统的发展情况并分析了当前国际金融危机对光伏产业的影响。其次，分析了当前国际市场上主要的光伏逆变器产品的特点，概括了光伏并网系统中光伏阵列的配置。随后，本文以单相全桥拓扑为模型分析了非隔离型并网系统在采用不同的PWM调制策略下的共模电流，指出了抑制共模电流需满足的条件。对于全桥和半桥拓扑，分析了不同的滤波方式对共模电流抑制的影响。总结了能够抑制共模电流的实用电路拓扑并提出了一种能够抑制共模电流的新拓扑。对不同拓扑的损耗情况在文章中进行了比较。 对于非隔离型并网系统中的逆变器易向电网注入直流分量的问题，首先分析了直流分量产生的原因及其导致变压器产生的直流偏磁饱和现象。在此基础上，总结了抑制直流分量的方法，指出了半桥拓扑能够抑制直流分量。对于并网电流的控制，工程上通常采用比例积分控制器，而比例积分控制器在理论上无法实现无静差控制，因此，本文对能够实现无静差控制的比例谐振控制器进行了简要分析。最后，在非隔离型1.5kW实验平台上对共模电流和直流分量的抑制方法进行了验证。
上传时间： 2013-07-30
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世界环境的日益恶化和传统能源的日渐枯竭，促使了对新能源的开发和发展。具有可持续发展的太阳能资源受到了各国的重视，各国相继出台的新能源法对太阳能发展起到推波助澜的作用。其中，光伏并网发电具有深远的理论价值和现实意义，仅在过去五年，光伏并网电站安装总量已达到数千兆瓦。而连接光伏阵列和电网的光伏并网逆变器便是整个光伏并网发电系统的关键。 本文根据逆变器结构以及光伏发电阵列特点，提出了基于DC-DC和DC-AC两级并网逆变器的结构。基于DC-DC和DC-AC电路的相对独立性，分别对DC-DC和DC-AC进行详尽分析，并提出了新的控制策略。在DC-DC转换器中，采用了Boost电路对太阳能阵列输出电压进行调制，并对系统进行最大功率点跟踪。针对固定电压法和扰动法跟踪最大功率点的缺点，提出三点最小二乘最大功率点跟踪的新算法，实验证明了该算法能够准确而迅速的跟踪系统最大功率点，从而提高系统的利用率，稳定系统的输出电压。在DC-AC转换器中，采用输出电流控制，根据正弦脉冲宽度调制的缺点，提出空间矢量脉冲宽度调制方法对逆变器进行控制，从而提高直流侧电压的利用率，减少谐波。基于SVPWM的控制原理，建立系统模型，结果表明输出电流与电网电压保持同相位，从而证明了该控制算法的可行性。 在提出新的控制策略的基础上，对2kW的三相并网逆变器进行硬件设计，包括主电路DC-DC和DC-AC，驱动电路以及电压电流检测电路，过零检测电路等，为类似结构的光伏并网逆变器提供了设计参考。
上传时间： 2013-07-16
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随着电力电子技术的迅速发展，电力电子装置正在向着高频化、大容量、小体积的方向发展，其电磁环境也变得更为复杂，随之带来的辐射电磁干扰也日益严重。在电力电子装置设计初期开展电磁兼容数值仿真和预测对解决复杂的电磁干扰问题意义重大。 本文介绍了国内外电力电子装置电磁兼容的研究现状。针对电力电子装置电磁兼容的复杂性，讨论了使用仿真软件进行电力电子装置电磁兼容分析的策略，主要面向电源印制电路板(PCB)、控制箱和变流器机柜全波电磁仿真的具体应用进行了研究。 首先对PCB电源板进行电磁兼容预测。采用软件Protel99SE和CST微波工作室(R)(CST MICROWAVE STUDIO(R)，简称CST MWS(R))相结合进行分析，得到．PCB板的表面电流和电场分布图。根据分布图，分析电源板的辐射特性，提出提高PCB电磁兼容性的优化设计的设想，在PCB设计过程中加入对PCB电磁兼容性分析的场仿真，使PCB的电磁兼容分析有一个直观的参照物，有助于指导PCB的布局布线，对PCB优化设计，提高产品性能有重要作用。根据仿真结果将PCB电源板近似等效成电偶极子模型。 其次应用CST MICROSTRIPESTM软件计算控制箱的屏蔽效能，并在控制箱插入PCB电源板后进行辐射特性分析。 最后应用全波电磁仿真软件CST MWS(R)对变流器机柜进行电磁辐射干扰瞬态仿真，分析过程中考虑到了IGBT的开关尖峰、线缆和易产生干扰的电子元器件以及整个机箱机柜。运用线性网络理论对仿真结果进行标定，由此提出改进措施—采用unit cell和微扰理论设计屏蔽网，有效地抑制了电磁辐射。
上传时间： 2013-04-24
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统一潮流控制器(UPFC)作为一种典型的FACTS装置，综合了FACTS元件的多种灵活控制手段，能同时或选择地控制线路的基本参数(电压、阻抗、相角)，也可交替地控制线路上的有功和无功潮流，还可独立地提供可控的并联无功补偿。因此UPFC被认为是最有创造性，功能最强大的FACTS元件。 首先，本文详细分析了统一潮流控制器的基本结构和工作原理。采用开关函数法建立了电压源型变流器的数学模型，并推导了统一潮流控制器在abc三相坐标系和dq旋转坐标系下的数学模型，该模型考虑到直流环节电容储能的动态变化过程，从而使其更适合于系统的动态特性分析。本文讨论的UPFC控制采用基于两相旋转坐标系下的非线性解耦控制方案，在UPFC的精确模型下具有可快速跟踪给定值的优点，且在dq坐标系下可以实现有功和无功功率的独立控制；在电容电压PI调节中加入电流反馈，使其更接近真实值。 其次，本论文在分析UPFC数学模型的基础上建立了UPFC在MATLAB平台上的仿真模型；然后利用MATLAB建立了三相环形电力系统，将UPFC模型应用到该系统中，着重研究了UPFC对电网电能质量的影响。首先研究了UPFC对故障系统中电网功率的影响以及UPFC对提高故障系统功率稳定性的作用；同时，对UPFC能够抑制无故障系统中系统接入电网时的功率冲击进行了研究。最后，通过仿真波形研究了UPFC对电网故障中电压跌落的补偿作用以及UPFC对正常系统电压的影响，结果发现，UPFC可以保持故障中的系统电压为正弦波。
上传时间： 2013-04-24
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使用二极管和晶闸管实现的不控和可控整流器，电流波形畸变给电网注入大量谐波和无功功率，造成严重的电网污染。随着电力电子技术的发展，人们开始研究PWM整流技术。电压型PWM整流器具有交流侧电流低谐波、高功率因数、直流电压输出稳定等诸多优点，因此，成为当前电力电子领域研究的热点课题之一。由于PWM整流器具有以上优点，在电力系统有源滤波、无功补偿、潮流控制、太阳能发电以及交直流传动系统等领域，具有越来越广阔的应用前景。本论文对三相PWM整流器进行了研究，主要完成以下工作： 首先，对PWM整流器的工作原理做了介绍，给出了三相PWM整流器的拓扑结构，分析了PWM整流器的换流过程，给出了PWM整流器的数学模型，对交流侧电感和直流侧电容进行了设计。 其次，对电流滞环控制、电流PI控制、空间电压矢量控制三种控制方法分别进行了介绍、模型搭建和仿真分析。在直流电压的控制中加入分段PI控制，使超调量和稳态误差限制在很小的范围以内。在起动过程中串接入限流电阻，使起动电流限定允许范围以内。 最后，在进行了以上三种控制方式仿真后，针对电压空间矢量控制存在的电流误差问题，采用电流超前给定策略和基于旋转坐标系的空间电压矢量控制策略解决了电流误差问题。 仿真结果表明，论文所设计的三相电压型PWM整流器实现了高功率因数运行，实现了直流电压的稳定控制，解决了传统意义上的整流电路中存在谐波含量大、功率因数低等问题，具有良好的工程实用价值。
上传时间： 2013-06-16
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静电除尘器是环保行业的重要设备，在工业粉尘的回收处理方面有着非常重要的应用。课题的主要内容是研制用于静电除尘的高频大功率高压直流电源，满足国内市场的需要。本文从实际应用的角度出发，对该高压直流电源进行研究并给出了主要研制过程。 第一章首先介绍了静电除尘器的工作原理和除尘器的电特性，然后介绍了几种当前工业界常用的除尘电源的供电方式，并指出了静电除尘电源的发展方向是高频逆变化。在分析了高频化静电除尘电源在国内外的研究现状和发展趋势后，结合课题的要求，提出了本文需要解决的问题。 第二章首先对逆变电路的功率变换技术进行了分析。接着分析了除尘电源采用PWM硬开关方式的电路特性，并利用PSpice软件进行了仿真分析，估算出了采用这种方式开关管的损耗。然后重点分析了采用串联负载串联谐振和LCC串并联负载串联谐振这两种谐振软开关工作方式时的电路特性，推导了电路所满足的条件。在利用PSpice软件仿真分析的基础上估算出了开关管的损耗。最后通过电路损耗和可行性的比较，选择LCC串并联负载串联谐振电流断续的软开关工作方式应用于大功率高频高压电源。 第三章首先确定了三相晶闸管可控整流，电压型全桥IGBT逆变，高频变压器升压和高压硅堆全桥整流的主电路拓扑结构。然后给出了高压直流电源的整流电路、逆变电路、主功率回路以及高频升压变压器的设计过程。整流电路的设计包括晶闸管的选取以及交流电抗器和直流母线滤波电容的设计；逆变电路选用IGBT并联来实现开关管，并详细分析了IGBT驱动器的选择以及在并联形式下的应用；主功率回路的设计主要是包括迭层母线板的设计。 第四章首先简单介绍了高压直流电源在静电除尘应用中的控制策略。然后详细分析了各部分保护电路的工作原理。 第五章给出了样机的实验结果和重要波形，验证了设计的可行性。
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