海港岸電兆瓦級變流核心技術(shù)及應(yīng)用

海港岸電兆瓦級變流核心技術(shù)及應(yīng)用港口吞吐能力與船廠造船能力,是國家實(shí)力和科技水準(zhǔn)的重要標(biāo)志,也是各港口國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要推動力,但同時也是能耗和污染大戶。長期以來,靠港船舶采用燃油輔機(jī)自行發(fā)電,船廠則采用變頻發(fā)電機(jī)組給船舶供電,港口、船廠的高能耗和高污染日趨嚴(yán)重的問題,愈來愈受到各港口國家的重視。海港岸電系統(tǒng)能給靠港船舶提供高精度的可靠供電,停止船舶柴油機(jī)電站運(yùn)轉(zhuǎn),達(dá)到節(jié)能減排的目的,是港口和船舶供電領(lǐng)域的一次革命性進(jìn)步。然而海港岸電兆瓦級變流技術(shù)目前并不成熟。為此,論文針對海港岸電兆瓦級變流系統(tǒng)的系列核心技術(shù)進(jìn)行了細(xì)致深入的研究,主要內(nèi)容包括：(1)研究了海港岸電電站的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢,針對海港岸電兆瓦級變流系統(tǒng)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制、并聯(lián)、熱設(shè)計等方面技術(shù)難題,分析了兆瓦級變流系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢,闡述了課題的背景意義和作者在課題中所負(fù)責(zé)的科研任務(wù)(2)通過對海港岸電兆瓦級變流系統(tǒng)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析,從是否連接電網(wǎng)角度,將變流器分為電網(wǎng)連接型PWM整流器和無源PWM逆變器兩部分,建立了電網(wǎng)連接型PWM整流器基本數(shù)學(xué)模型,及其在雙旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型和瞬時功率模型,建立了三相無源逆變器的基本數(shù)學(xué)模型,及其在兩相坐標(biāo)系、雙旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型,并給出了兩種變流器的解耦數(shù)學(xué)模型,為系統(tǒng)控制分析和算法研究奠定基礎(chǔ)。(3)針對電流瞬時值準(zhǔn)確采樣難題,提出了基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)濾波的電流采樣方法,利用小波元來代替神經(jīng)元,通過作為一致逼近的小波分解來建立起小波變換與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接,使得系統(tǒng)既有小波變換的優(yōu)點(diǎn)也有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)良好的學(xué)習(xí)功能,并通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該方法的準(zhǔn)確性。針對PWM整流器對網(wǎng)側(cè)電流的諧波含量限制和逆變系統(tǒng)帶非線性負(fù)載時的輸出波形畸變的問題,提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)模的復(fù)合控制策略,采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)估器作為變流器的內(nèi)部模型,用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識預(yù)估變流器正模型及其逆模型,在線修正、補(bǔ)償內(nèi)部模型與被控變流器之間的模型失配。在各種情況下進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn),證明算法的有效性。(4)針對兆瓦級變流系統(tǒng)并聯(lián)難題,提出了不同功率要求的系列化功率擴(kuò)展方法。研究了IGBT器件并聯(lián)的影響因素,提出了IGBT并聯(lián)的基本原則,采用IGBT器件級并聯(lián)將逆變?nèi)萘繑U(kuò)展到500kVA；研究了功率級并聯(lián)環(huán)流來源,設(shè)計了采用無功功率調(diào)節(jié)逆變器幅值差和兩級異步型鎖相控制調(diào)節(jié)相位差的算法,將逆變并聯(lián)容量擴(kuò)展1000kVA,但該方法只能用于逆變器并聯(lián)而不能應(yīng)用于整流器并聯(lián)；提出了模塊級并聯(lián)的概念,指出并聯(lián)功率模塊之間開關(guān)時刻的差異是模塊級并聯(lián)環(huán)流產(chǎn)生的根源,外加電感可以起到抑制環(huán)流的作用,采用模塊級并聯(lián),將逆變并聯(lián)容量擴(kuò)展到3000kVA,該方法既能用于逆變器并聯(lián)也能應(yīng)用于整流器并聯(lián),可滿足工程應(yīng)用需要。(5)針對兆瓦級變流系統(tǒng)散熱難題,推導(dǎo)和建立了易于計算的變流器IGBT模塊熱損耗模型,提出從采用優(yōu)化控制技術(shù)以盡量減少發(fā)熱量和采用有效散熱方法以提高散熱效率兩方面進(jìn)行熱設(shè)計。研究了空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)的特點(diǎn),提出了靈活應(yīng)用零矢量的優(yōu)化空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù),以減少開關(guān)次數(shù),從而有效降低發(fā)熱量。將單一／交替零矢量調(diào)制方法的相電壓調(diào)制波顯化,然后應(yīng)用雙重傅里葉變換,得到了其頻域數(shù)學(xué)模型,并對其諧波特性進(jìn)行了定量的數(shù)學(xué)分析,得出了交替零矢量調(diào)制方法比單一零矢量調(diào)制諧波含量更小的結(jié)論。給出了散熱器熱阻的實(shí)用計算公式,在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一套采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱系統(tǒng),計算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比,驗(yàn)證了該設(shè)計方法的準(zhǔn)確性與實(shí)用性。(6)以設(shè)計和開發(fā)的2000kVA岸電電站為例,給出了基于多模塊并聯(lián)組合的岸電電站主電路框圖,設(shè)計了主控制器及其與各從機(jī)的高速現(xiàn)場總線通訊方法；重點(diǎn)研究了網(wǎng)側(cè)和負(fù)載側(cè)濾波系統(tǒng),給出了參數(shù)計算方法?？垢蓴_設(shè)計是兆瓦級岸電設(shè)計難點(diǎn),針對通訊部分容易受到干擾的難點(diǎn),設(shè)計了光纖通訊模塊；針對功率模塊易于因干擾造成損壞的問題,提出了層疊母排解決方案,提高系統(tǒng)抗干擾能力。實(shí)際工程運(yùn)行結(jié)果表明該岸電電站技術(shù)指標(biāo)優(yōu)良,完全能滿足港口岸電供電要求。本課題開發(fā)的系列化岸電產(chǎn)品,整機(jī)性能指標(biāo)達(dá)到預(yù)期的設(shè)計目標(biāo),