海港岸电兆瓦级变流核心技术及应用

海港岸电兆瓦级变流核心技术及应用港口吞吐能力与船厂造船能力,是国家实力和科技水准的重要标志,也是各港口国家经济发展的重要推动力,但同时也是能耗和污染大户。长期以来,靠港船舶采用燃油辅机自行发电,船厂则采用变频发电机组给船舶供电,港口、船厂的高能耗和高污染日趋严重的问题,愈来愈受到各港口国家的重视。海港岸电系统能给靠港船舶提供高精度的可靠供电,停止船舶柴油机电站运转,达到节能减排的目的,是港口和船舶供电领域的一次革命性进步。然而海港岸电兆瓦级变流技术目前并不成熟。为此,论文针对海港岸电兆瓦级变流系统的系列核心技术进行了细致深入的研究,主要内容包括：(1)研究了海港岸电电站的应用现状和发展趋势,针对海港岸电兆瓦级变流系统的电路拓扑结构、控制、并联、热设计等方面技术难题,分析了兆瓦级变流系统的技术现状和发展趋势,阐述了课题的背景意义和作者在课题中所负责的科研任务(2)通过对海港岸电兆瓦级变流系统主电路拓扑结构的分析,从是否连接电网角度,将变流器分为电网连接型PWM整流器和无源PWM逆变器两部分,建立了电网连接型PWM整流器基本数学模型,及其在双旋转坐标系下的数学模型和瞬时功率模型,建立了三相无源逆变器的基本数学模型,及其在两相坐标系、双旋转坐标系数学模型,并给出了两种变流器的解耦数学模型,为系统控制分析和算法研究奠定基础。(3)针对电流瞬时值准确采样难题,提出了基于小波神经网络滤波的电流采样方法,利用小波元来代替神经元,通过作为一致逼近的小波分解来建立起小波变换与神经网络的连接,使得系统既有小波变换的优点也有神经网络良好的学习功能,并通过实验证实了该方法的准确性。针对PWM整流器对网侧电流的谐波含量限制和逆变系统带非线性负载时的输出波形畸变的问题,提出了基于神经网络内模的复合控制策略,采用神经网络预估器作为变流器的内部模型,用神经网络辨识预估变流器正模型及其逆模型,在线修正、补偿内部模型与被控变流器之间的模型失配。在各种情况下进行了相关实验,证明算法的有效性。(4)针对兆瓦级变流系统并联难题,提出了不同功率要求的系列化功率扩展方法。研究了IGBT器件并联的影响因素,提出了IGBT并联的基本原则,采用IGBT器件级并联将逆变容量扩展到500kVA；研究了功率级并联环流来源,设计了采用无功功率调节逆变器幅值差和两级异步型锁相控制调节相位差的算法,将逆变并联容量扩展1000kVA,但该方法只能用于逆变器并联而不能应用于整流器并联；提出了模块级并联的概念,指出并联功率模块之间开关时刻的差异是模块级并联环流产生的根源,外加电感可以起到抑制环流的作用,采用模块级并联,将逆变并联容量扩展到3000kVA,该方法既能用于逆变器并联也能应用于整流器并联,可满足工程应用需要。(5)针对兆瓦级变流系统散热难题,推导和建立了易于计算的变流器IGBT模块热损耗模型,提出从采用优化控制技术以尽量减少发热量和采用有效散热方法以提高散热效率两方面进行热设计。研究了空间矢量脉宽调制技术的特点,提出了灵活应用零矢量的优化空间矢量脉宽调制技术,以减少开关次数,从而有效降低发热量。将单一／交替零矢量调制方法的相电压调制波显化,然后应用双重傅里叶变换,得到了其频域数学模型,并对其谐波特性进行了定量的数学分析,得出了交替零矢量调制方法比单一零矢量调制谐波含量更小的结论。给出了散热器热阻的实用计算公式,在此基础上设计了一套采用强迫风冷的散热系统,计算结果与试验结果的对比,验证了该设计方法的准确性与实用性。(6)以设计和开发的2000kVA岸电电站为例,给出了基于多模块并联组合的岸电电站主电路框图,设计了主控制器及其与各从机的高速现场总线通讯方法；重点研究了网侧和负载侧滤波系统,给出了参数计算方法。抗干扰设计是兆瓦级岸电设计难点,针对通讯部分容易受到干扰的难点,设计了光纤通讯模块；针对功率模块易于因干扰造成损坏的问题,提出了层叠母排解决方案,提高系统抗干扰能力。实际工程运行结果表明该岸电电站技术指标优良,完全能满足港口岸电供电要求。本课题开发的系列化岸电产品,整机性能指标达到预期的设计目标,