博士研究生学位论文开题报告

学号： 069496 东 南 大 学 研究生学位论文开题报告 及论文工作实施计划 院（系、所） 电气工程学院 学 科 （专 业） 电力系统及其自动化 研 究 生 姓 名 学科门类与学位级别 工学博士 导 师 姓 名 入 学 年 月 2006 年 9 月 开 题 报 告 日 期 2008 年 6 月 日 东南大学研究生院 填 表 须 知 1、 论文开题报告由研究生本人向审议小组报告并听取意见后，由研究生本人填写此表。 2、 论文开题报告填写完成后，必须经导师审批，通过后方能提交。 3、博士生应在入学后第二学期结束前、硕士生应在第三学期结束前完成此开题报告。研究生院培养 与学籍管理办公室收到此开题报告至少半年后方受理答辩申请，因迟交开题报告影响答辩而超过学制规 定年限，由研究生本人负责； 4、研究生开题前宜填写查新报告。查新报告对理、工、医、管等学科博士生作为必要环节。博士生 查新工作可委托图书馆负责，也可在完成网络文献检索类研究生课程的学习或参加学校组织的网络文献 检索培训后，自行组织查新检索，自行组织查新需要详细文献查新述评作为附件。自行查新报告须经导 师审查后由开题报告审核专家组审核签字（或盖章） 。硕士生和文科博士生开题查新参考上述办法，不作 硬性要求。 5、本表一式两份，一份研究生自留放入本人“研究生档案材料袋” ；一份由院（系、所）保存并归 入院（系、所）研究生教学档案。 6、学科门类与学位级别指的是工学（或理学等）博士、硕士。 7、本表下载区：/down/1.asp 。本表电子文档打印时用 A4 纸张，格式不变，内 容较多可以加页。 1 一、学位论文开题报告 论 文 题 目 基于四象限双 H 桥变流器级联型大容量 DSTATCOM 关键技术的研究 研 究 方 向 电力电子技术在电力系统中的应用 国家部委省市厂、矿自选 有无合同经费数备注题 目 来 源有300 万 题 目 类 型 理论 研究 应用 研究 工程 技术 跨学科 研究 其他应用研究 论文开题 前上网检 索情况 （硕士生可 不作要求； 理、工、医、 管学科博士 生应填写并 附查新报告） 2 开题报告内容（具体要求见东南大学研究生选题、开题报告的原则和要求 ） 1 课题背景介绍 随着我国国民经济及科学技术的迅速发展，一方面，配电网中快速冲击型负荷（如电弧炉、轧机、 绞车等） 、大容量电力电子非线性负荷的急剧增加，引起电网电压波动与闪变、三相供电不平衡和电压电 流波形畸变等，造成电网电能质量的严重恶化；另一方面，随着各种复杂的、精密的、对电能质量敏感 的用电设备不断普及，如高性能家用电器、办公设备、精密试验仪器、自动控制设备等，人们对电能质 量的要求也越来越高。上述矛盾越突出，对电网和配电系统造成的直接危害和可能对人类生活和生产造 成的损失也就越大。因此，研究相关电能质量控制技术与装置，改善和提高电能质量，不仅是社会生产 和人民生活正常进行的重要保证，也是节能减耗、提高电能使用效率、可持续发展的必要条件，直接关 系到国民经济的总体效益，具有巨大的经济与社会效益。 为了改善配电系统中由于冲击性非线性负荷引起的电压闪变、三相不平衡、谐波等电能质量问题， 一方面可着眼于负荷本身的优化设计和运行工况的改善，从根本上降低所引起的电能质量问题；另一方 面是在干扰源接入点安装合适的补偿装置来消除无功冲击，滤除高次谐波，平衡三相电网。目前综合解 决上述电能质量问题的补偿装置主要有两种：一种是广泛应用的晶闸管相控电抗器（TCR）附加谐波滤 波器（FC）组成的静止无功补偿装置（SVC） 。该装置可动态跟踪负荷的无功变化，能有效改善系统的功 率因数、补偿中性点偏移、滤除高次谐波。但由于装置本身固有的特性，一般实用的 SVC 装置对电压波 动与闪变的改善效果并不理想，且由于 TCR 相控角度的改变产生的畸变电流会造成电网的二次污染；另 外一种装置是配电网静止无功补偿器（DSTATCOM） ，它是结合大功率电力半导体器件和先进控制理论 的新型电力电子装置。与传统的 SVC 相比，DSTATCOM 具有以下优点：动态响应速度快，响应时间短， 对电压波动、闪变补偿率较高；补偿电流不依赖系统电压，补偿范围宽；体积小，重量轻，消耗材料少， 功耗小；具有较好的滤波效果，不受电网频率影响，没有谐波放大作用和谐振问题。因此，随着 IGBT 等 电力半导体器件技术性能的不断提高，价格不断下降，以及控制理论和控制策略的不断完善， DSTATCOM 在配电系统中的应用将越来越广泛，将逐步取代 SVC 而成为今后电力系统补偿装置发展的 方向。 从 1986 年至 1999 年，三菱公司至少有 200 台 DSTATCOM 投入运行，容量从 0.1-60MVar 不等，应 用场合包括钢铁公司、电气化铁路、水电站等。西门子公司 1998 年在美国德州投运了一套 80MVar 的装 置，采用三单相桥结构，三相电容共用，用于电弧炉闪变和谐波抑制，功率因数校正以及负荷平衡。 ABB 的 DSTATCOM 采用基于 IGBT 的三电平三相桥逆变器，开关频率 1kHz 以上。近几年来，国内也已 对 DSTATCOM 进行了广泛的研究，但仅限于试验样机的水平，还没有应用于工业现场的产品出现，特 别是高压大容量装置，其总体设计及其他关键技术仍掌握在国外大型企业手中。为了打破技术垄断，我 国必须通过自主攻关研究，掌握中、高压大容量 DATATCOM 装置设计、生产制造等关键技术，掌握完 全的自主知识产权。 2 课题进展情况 本课题依托“十一五”国家科技支撑计划重点项目（2007BAA12B03） 、江苏省电力公司重点科技项 目（J2008057） 。 本课题研究的高压大容量 DSTATCOM 主要用来解决配电网中诸如电弧炉、轧钢机、卷扬机、电力 机车等非线性冲击性特殊负荷供电点的电能质量问题。通过抑制上述配电网特殊供电点的电压波动与闪 变、三相不对称、谐波等电网污染，提高电网安全稳定性和电网供电质量，提高电网的经济运行效益。 该装置的成功研发，将对中低压电网（终端变电站）无功电压和电能质量的动态、暂态、线性补偿产生 深远的影响，为电能质量已大面积污染的特殊地区提供保护变电站和电网设备安全可靠运行的解决方案。 本课题研究的主要内容包括： 高压大容量 DATATCOM 的主电路拓扑的选择设计、主电路参数的研究设计；控制理论、控制 策略与算法的研究；检测技术的分析研究；装置故障机理与容错控制方法的分析研究。装置结构 的设计及控制系统的软、硬件的规划设计；1.14kV/100kVA 级联型 DSTATCOM 样机的开发研制。 3 本课题研究的高压大容量 DSTATCOM 主电路结构形式，如图 1 所示。各功率单元模块由对称的 两个单相 H 桥变流器构成 AC-DC-AC 的结构模式。其中直流电容右侧 H 桥为主逆变器，完成装置的 主要功能目标；右侧 H 桥为辅助电路，运行在四象限单位功率因数(UPF)整流器的工作模式下，主要 功能是通过多绕组变压器与直流电容并联工作充当 H 桥逆变器直流侧独立电源，并通过能量双向流动 稳定直流侧电容电压，各单元整流器独立运行。 A1 A2 An B1 B2 Bn A C B A B L C1 C2 Cn LL B C C A N 图 1 级联型 DSTATCOM 主电路结构 本课题研究的难点与要点： 主电路拓扑选择设计、参数的研究设计 目前应用在高压大容量 DSTATCOM 装置的主电路结构有多种形式，如西门子公司的三单相桥结 构和 ABB 公司的基于 IGBT 的三电平三相桥逆变器结构，以及基于链式逆变器1（H 桥级联多电平逆 变器）的结构。国内也有学者提出诸如二极管箝位多电平逆变器与 H 桥级联多电平逆变器组成的主从 式结构等混合型结构2的思路。比较上述各主电路结构，本课题选用级联 H 桥多电平逆变器的主电路 结构，主要在于其结构简单、易于模块化设计，变流器单元工作对称、开关负荷平衡，输出电压谐波 小等优点3。 关于级联 H 桥高压大容量变流装置级联方式目前研究较多的主要有两种，一种为 ROBICON 公司 提出的各级联单元采用独立直流电源、交流侧直接相连的结构模式，独立电源由三相不控制整流器加 直流电容通过多重化移相变压器连接到交流电网；另一种为直流侧共用直流电源，而交流侧通过移向 变压器的方式连接的结构模式。两种方式各有优缺点，第一种方式涉及到直流侧泵升电压无法通过整 流器回馈问题，第二种方式直流侧需采用较大容量的直流电容器，且都要使用多重化变压器。 本文提出了一种基于四象限双 H 桥变流器的级联型多电平 DSTATCOM 主电路结构，如图 1 所示。 直流电容左侧 H 桥为单位功率因数（UPF）四象限整流器，作为稳定直流电容电压的辅助电路，各单 元整流器通过多绕组变压器隔离连接交流电网；右侧为级联 H 桥逆变器单元。该结构采用基于 IGBT 的对称化设计、结构简单，各级联单元直流电压均压稳压相互独立、简单可靠。 主电路参数设计主要涉及功率开关器件的选型，直流侧电容容量以及连接电抗的确定。其中开关 器件参数选择主要根据装置的容量、补偿谐波的次数以及系统电压等级等来确定；对于连接电抗的设 计，总结各文献资料4，主要有 3 个设计依据：满足稳态条件下滤波器的功率指标，满足电流快速跟 踪的指标，满足电感高频谐波抑制指标。 关于直流侧电容容量的确定，从目前相关文献所报道的来看，都没有给出明确的具有指导意义的 计算方法，也没有统一的数学公式，但总体上来说主要从直流侧稳压性能以及电压控制响应速度两个 4 方面 来考虑。 基于四象限双H桥变流器级联型DSTATCOM主电路结构模式，本课题详细分析了对应于不同补偿 电流分量（无功、负序及谐波）条件下DSTATCOM直流侧电流变化规律，推导出直流侧电压数学模型， 并据此给出了一种电容容量的精确设计方法。 检测技术的研究 快速准确地检测出负荷电流中谐波、无功、不对称分量，是装置实现有效补偿的先决条件。因此， 选择合适的检测方法是决定装置性能的关键技术之一。关于快速检测电流中谐波等分量，人们已经发 展了很多方法，较早成功应用的主要是基于瞬时无功功率理论的各种快速谐波检测方法及其衍生方法， 此类方法实现简单，但效果受低通滤波器性能的影响较大。随着数字处理技术的发展，一些数字化的 快速检测方法得到了成功应用，如基于傅立叶变换（FFT）5的数字分析法、基于神经网络、小波分析、 自适应等检测方法5-7以及它们的混合方法的应用研究也层出不穷。此外，基于 FBD 的检测方法、基 于鉴相原理和补偿电流最小原理的谐波与无功电流检测方法也见报道，此类方法理论性较强，但目前 实际工程应用难度较大。但从 DSTATCOM 装置开发和工程应用的角度出发，检测方法主要的研究方 向应具备快速、准确、适应性强、易于实现的特点。 控制策略与算法的研究 本课题研究的 DSTATCOM 所涉及到的控制算法主要有电流快速跟踪控制算法和装置在电网电压 不对称状态下的运行控制策略。 电流跟踪控制技术，即根据检测到的负载谐波、无功以及负序电流，实时产生相应的补偿电流， 使得系统只向负载提供基波正序有功功率。该项技术也是影响 DSTATCOM 装置性能的关键技术之一。 比较常见的电流跟踪控制方法主要有瞬时值比较方法（滞环电流控制）和三角载波比较控制方法。其 中滞环电流控制方式属于实时控制方式，响应速度快，跟踪精度高，易于实现；而三角载波比较方式 的特点是器件的开关频率固定，但电流响应比瞬时值慢，实现过程中可结合 PI、模糊逻辑、自适应、 神经网络等控制策略。另外，一些新的电流跟踪控制方法也不断涌现，如空间矢量法、无差拍控制法、 预测电流控制、广义积分法等8-11。而应用在级联型 DSTATCOM 中较为简单适用的电流控制技术主 要是基于载波移相 SPWM（CPS-SPWM）技术以及错时采样空间矢量（STS-SVM）技术12。 由于系统故障或大容量负载不平衡的影响，系统难免会出现三相不对称的状态。当 DSTATCOM 运行在不对称情况下时，会在装置的直流侧出现二倍频的电压波动，而在交流输入电流中出现负序和 三次谐波等非特征谐波，这些非特征谐波降低装置的性能和效率，增加损耗，功率因数恶化，引起装 置的过流、过电压保护动作等13。因此，研究装置在系统不对称条件下的运行机理及相关控制策略的 设计是装置可靠运行、提高装置性能的重要保证，也是 DSTATCOM 装置研究开发过程中解决的技术 难点之一。 模块失效机理与冗余控制技术的研究 当 IGBT 器件或 H 桥模块出现故障，应快速启动与模块并联的旁路电路让该故障模块处于旁路状 态，而其余健全模块在当前冗余水平条件下，结合理想的控制策略而进入相应工作状态，或全额运行， 或降额运行。故障期间的检测、报警和控制以及故障机理的分析研究是整个装置在故障条件下可靠运 行的保证，是技术难点之一。 合理的旁路电路以及相应旁路后的控制策略是整个模块失效冗余技术的关键。关于旁路电路实现 技术，无论国内外都有相关文献的研究和应用，较为常见的为晶闸管复合开关快速旁路电路。而冗余 控制方法，国外同类产品中有采用中性点移相技术14-15。国内同类产品只实现了故障单元以及与故障 单元同级的其他单元一起旁路的容错技术，电压利用率大大降低，中性点移相技术尚未实现。中性点 偏移的实现方式通常有以下两种方法，一种为重新调整三相调制波的相位关系，使得故障单元被旁路 后，三相线电压仍然对称；另一种为按故障单元旁路数，调整三相调制波的幅值比，减去共模分量， 达到削减峰值的作用。 5 本课题研究的级联型 DSTATCOM，由于其功率单元是基于 UPF 四象限整流器双 H 桥级联的电路 结构，因此，当故障电路被旁路后，可以考虑在直流侧电容容量允许的范围内，控制整流器让直流电 容充电提高直流电压，使得健全模块总的输出电压与故障前相当。这样，一方面直流电压利用率不会 降低，另一方面，由于各功率单元整流电路相互独立而不影响其他各相的正常运行。 装置控制系统的软、硬件设计 控制系统是整个 DSTATCOM 装置核心部分，控制着装置的正常运行，而控制系统的硬件与软件 是控制策略与算法得以实现的载体。一方面，控制环节算法较多且流程复杂；另一方面，级联型 DSTATCOM 要求控制系统具有较高控制精度，且由于装置较小的时间常数要求，采样频率较高，很 小的误差就会造成装置补偿性能的下降，如采样电路的相位移、脉冲宽度的偏差、脉冲传输导致的相 移偏差等。因此，控制系统硬件电路的规划设计、软件程序的规划设计是 DSTSTCOM 开发应用中关 键部分之一。 本课题研究的 DSTATCOM 装置控制系统采用纯数字化嵌入式控制平台，其中处理核心控制算法 的主处理器采用运算速度快、精度高、控制功能强大的 DSP 芯片 TMS320F2812，而采用规模大、集 成度高、可靠性强、编程灵活的 FPGA 芯片 EP2C20 来完成触发脉冲生成、分配、传输、驱动、逻辑 综合与控制等功能，具体控制框图如图 2 所示。其中，主控制系统与底层各功率单元的控制系统通过 光纤编码通讯。 中央控制系统保护系统 数据采集系统 人机对话 触发监控系统 光纤 整流控制 触发监控 单元A1 整流控制 触发监控 单元An 整流控制 触发监控 单元B1 整流控制 触发监控 单元Bn 整流控制 触发监控 单元C1 整流控制 触发监控 单元Cn 图 2 级联型 DSTATCOM 装置控制框图 本课题研究主要步骤： 理论研究与仿真分析 理论研究工作是本课题的重要组成部分。本课题所涉及的理论研究主要包括装置主电路拓扑的研 究、主电路参数设计的研究、控制策略与算法的研究，检测理论与技术的研究以及装置故障机理与容 错控制方法的分析研究等。首先对国内外现有的课题相关理论资料进行收集整理、消化吸收，在此基 础上，结合本课题的研究方向与特点，通过仿真软件工具（如MATLAB、PSCAD 等）的仿真分析，研 究并确定本课题 DSTATCOM 装置的结构选型、参数设计方法以及各种理论算法与控制策略等。最后， 对试验样机的运行数据进行分析研究，分析综合装置在各种试验条件下、模拟故障状态下的运行状况 和效果，以便对所用各种理论策略进行验证以及发现和解决新的问题。 试验样机的研制 本课题所研究的 DSTATCOM 的相关理论算法、控制策略等关键技术，最后必须经过实际装置的 运 6 行试验来验证。 该阶段主要工作包括：装置整体结构布局的规划设计、基于 IGBT 功率单元模块的设计、控制系 统硬件电路、软件程序的规划设计、装置的保护、自诊断监测方法设计、元器件的选型采购、各功能 模块的调试、样机试运行。 课题研究的 DSTATCOM 试验样机相关参数如表 1： 表 1 试验样机相关参数 电压等级1140V 总容量100kVA 最高谐波补偿次数13 次 级联单元数4+1 样机的试制委托江苏安方电力科技有限公司。该公司承担江苏省电力公司重点科技项目 （J2008057） ，是一家专门进行电能质量治理等相关产品研发、生产的公司，主要产品电网无功电压优 化运行集中控制系统、电能质量监测与数据管理分析系统、动态无功补偿装置（SVC）等，拥有完善 的电力试验设备和一支专业、经验丰富的研发生产队伍，为试验样机的成功研制提供了重要保证。 7 参考文献： 1 刘文华，宋强，等. 基于链式逆变器的 50MVA 静止同步补偿器的直流电压平衡控制J. 中国 电机工程学报，2004, 24(4): 145-150. 2 王江，王明，K. .M. 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Predictive current control of a shunt active power filter. In: 35t“ annual IEEE power electronics specialists conference. Aachen Germany, 2004, 3567-3572. 11 Paolo Mattavelli. A closed-loop selective harmonic compensation for active filters. IEEE Trans On Industry applications, 2001, 37(1):81-89. 12 王立乔，邬伟扬 . 错时采样空间矢量调制的级联型多电平变流器及其在并联有源电力滤波器中的应 用. 电工技术学报，2006, 21(12):90-96. 13 姜齐荣. 新型静止无功发生器建模及其控制的研究 博士论文. 北京:清华大学电机工程与应用电子 技术系，I 997.6. 14 Peter W. hammond. Enhancing the reliability of modular medium-voltage drives. IEEE Trans On Industry Electronics, 2002, 49(5):948-954. 15 Dan Eaton, John Rama, P