级联多电平高压变频器控制策略研究及其在电厂风机改造中的应用

摘要

变频调速是指改变电源频率，使电机转速发生变化，起到调节负荷的作用，能够降低设备功耗，减小损耗。随着电力电子技术、智能控制理论的发展，通过开发经济可靠的变频装置既能达到节能的效果，又能实现调速精度高、调速范围广的要求，适应我国现阶段节能减排的需求。
　　论文主要以徐矿电厂2×300MW火力发电厂引风机节能改造为基础，研究确定了引风机变频改造方案。重点对改造过程中多电平高压变频器的拓扑结构、调制策略和控制方法进行详细研究。通过仿真和工程改造实例的相关数据分析，得出方案的可行性。
　　本文首先阐述了课题的研究背景和意义，介绍了引风机调速系统和高压变频器的发展现状。针对引风机的工作性质，对比分析变频调速和液力耦合器调速这两种调速方式的节能原理，综合比较得出变频调速的经济性远高于液力耦合器调速，确定了变频改造为徐矿电厂引风机改造的最佳方案。
　　其次分析了变频器的几种拓扑结构，通过优缺点的比较，最终选取了级联型多电平结构，其可靠性更高，控制方法简单且无均压问题。根据拓扑分析的结果，研究了级联多电平变频器的调制策略，在分析CD-SPWM(Carrier Disposition-Sinusoidal Pulse Width Modulation，载波层叠正弦脉宽调制)和CPS-SPWM(Carrier Phase-Sinusoidal Pulse Width Modulation，载波移相正弦脉宽调制)两种调制策略后，选取CPS-SPWM这种更适合于级联型的调制策略。然后研究了FOC（Field Orientated Control，磁链定向控制）矢量控制策略，来实现异步电机的转速及磁链控制。
　　本文重点对采用FOC矢量控制方式的异步电机进行仿真。首先搭建了仿真模型，并且详细介绍了其各个模块的内部结构，通过多次程序运行，最终确定了整个调速系统的四个PI（Proportional Integral，比例积分）调节器的参数，仿真结果验证了所采用的控制方法可以实现异步电机的稳定、快速控制，且级联H桥变频器输出线电压波形质量较佳、转矩脉动较小、转速波形较好。此外，转子磁链的幅值观测较为准确，最终实现了整个控制系统良好运行。
　　最后结合作者在徐矿电厂实际工作中引风机液偶调节效率低下的问题，进行变频改造方案设计。采集改造前后不同工况下的数据进行对比分析，得出变频改造后节能效果更优的结论，另外系统的可靠性以及自动控制程度等方面都有所提高。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及选题意义

1．2 引风机调速系统的发展现状

1．3 高压变频器技术的发展现状

1．4 论文主要的研究内容

第2章 徐矿电厂引风机节能方案研究

2．1 液力耦合器调速研究

2．1．1 液力耦合器的调速原理

2．1．2 液力耦合器的运行经济性分析

2．1．3 液力耦合器的优缺点

2．2 变频调速研究

2．2．1 变频器的调速原理

2．2．2 引风机变频调速的节能原理

2．2．3 变频调速的技术特点

2．3 电厂引风机液力耦合与变频调速节能方案比较

2．4 本章小结

第3章 高压变频器分类及拓扑结构分析

3．1．3 按主电路工作方式分类

3．2 电压型变频器拓扑结构

3．2．1 二极管钳位型

3．2．2 飞跨电容型

3．2．3 级联型

3．3 本章小结

第4章 级联多电平变频器的调制策略及控制方式

4．1 级联多电平变频器的调制策略

4．1．1 CD-SPWM调制策略

4．1．2 CPS-SPWM调制策略

4．1．3 CD-SPWM及CPS-SPWM调制策略谐波特性比较

4．1．4 CD-SPWM及CPS-SPWM组合调制策略谐波特性比较

4．2 级联多电平变频器的控制策略

4．2．1 按照转子磁链定向的矢量控制策略

4．2．2 转子磁链计算模块

4．3 本章小结

第5章 基于MATLAB软件的仿真研究

5．1 PI调节器

5．2 转子磁链计算模块

5．3 PWM控制器

5．4 矢量控制系统仿真波形

5．5 本章小结

第6章 引风机变频工程改造实例

6．1 工程概况

6．2 改造前引风机工作情况

6．3 改造方案及实测数据

6．3．1 改造方案

6．3．2 改造前后运行数据测量及比较

6．3．3 综合效益分析

6．4 本章小结

第7章 总结与展望

致谢

参考文献