調(diào)頻式諧振特高壓試驗電源的研制及應用

   隨著我國特高壓交流輸電工程的發(fā)展和特高壓交流電氣設備國產(chǎn)化能力的提升,無論是在特高壓交流輸電技術的研究上,還是在特高壓交流電氣設備的絕緣考核上都離不開特高壓交流試驗電源。因而展開特高壓交流試驗電源的研究具有重大意義,可推動我國特高壓電網(wǎng)的發(fā)展和提高其運行的穩(wěn)定性。目前,我國在特高壓交流試驗電源理論、關鍵技術和其工程應用方面的研究較少。

   本公司以國家電網(wǎng)公司1000kV級交流特高壓輸變電工程關鍵技術—調(diào)頻式諧振特高壓試驗電源(Ultra High Voltage Frequency Tuned Resonant Test Power Supply, UHV-FTRTPS)項目為依托,以調(diào)頻式諧振特高壓試驗電源的理論研究和工程應用為主線,研究內(nèi)容涵蓋了調(diào)頻式諧振特高壓試驗電源的基本工作原理、拓撲結構、主要結構部件設計與制作、控制算法和特高壓交流輸電現(xiàn)場工程應用等方面,形成了一套較為完善的關于調(diào)頻式諧振特高壓試驗電源的理論、關鍵技術、裝置研制與應用方案。

   在對調(diào)頻式諧振特高壓試驗電源通用結構和基本諧振方式介紹的基礎上,對本公司提出的基于模擬放大器的UHV-FTRTPS基本原理和結構進行了詳細闡述,深入研究了該類型特高壓試驗電源主要部件的電路及工藝特點、工作原理和關鍵參數(shù)的選取。并分析了被測試品容值(即特高壓電氣設備)的大小、整個電源重量與負載容性無功之間的關系、特高壓諧振電路品質因數(shù)與UHV-FTRTPS輸出電壓信號頻率上限之間的關系,從理論上指出UHV-FTRTPS輸出信號頻率上、下限分別為30和300 Hz較為合適。同時結合基于模擬放大器的UHV-FTRTPS電路的特點,對其調(diào)幅、調(diào)頻控制方法進行了深入研究。提出的智能調(diào)頻控制算法可以依據(jù)頻率誤差對頻率進行先‘粗調(diào)’后‘細調(diào)’,精度可達0.1 Hz。

   提出的模糊優(yōu)非線性PI調(diào)幅控制策略,在大偏差范圍內(nèi)采用模糊控制,以獲得更好的瞬態(tài)性能；在小偏差范圍內(nèi)采用優(yōu)非線性PI控制,以獲得更好的穩(wěn)態(tài)性能及超調(diào)抑制性能。整個控制算法具有響應速度快、魯棒性強的特點。隨著電力電子技術的發(fā)展,各種功率開關器件不斷面世,借鑒現(xiàn)代電力電子技術,本論文提出一種基于不可控整流-H橋逆變的調(diào)頻式諧振特高壓試驗電源,介紹了它的基本工作原理和諧振原理。并對其大功率H橋逆變器的緩沖電路和輸出濾波器進行了優(yōu)化設計,從緩沖電路抑制IGBT關斷過電壓能力、自身損耗和器件投資三個方面出發(fā),建立了緩沖電路優(yōu)化設計的目標函數(shù)；從大功率H橋逆變器輸出濾波器初期投資、輸出濾波器輸出電壓和電流信號畸變率、輸出濾波器基波壓降幾個方面出發(fā),建立了輸出濾波器優(yōu)化設計的目標函數(shù)；采用模糊優(yōu)化方法來求解這兩個多目標優(yōu)化函數(shù)。對于該類型UHV-FTRTPS的調(diào)幅控制提出了電壓調(diào)節(jié)自調(diào)整PI控制方法、調(diào)頻控制提出了一種新的PI鎖相自動調(diào)頻控制方法,不僅具有計算量小、易于工程應用的特點,而且還省去了頻率設定值。為了保證特高壓試驗電源整流輸入側電壓與電流同相位,大程度消除UHV-FTRTPS對電網(wǎng)的影響,本論文提出基于可控PWM整流-H橋逆變的調(diào)頻式諧振特高壓試驗電源結構。

    針對可控PWM整流電路,提出了電源電壓辨識的PWM整流器控制策略。針對逆變器及特高壓諧振電路,提出以特高壓諧振電容電壓有效值為外環(huán),以逆變器輸出濾波器電容瞬時電流為內(nèi)環(huán)的調(diào)幅、調(diào)頻控制策略,因內(nèi)環(huán)被控量為正弦量,故采用一種多模遞推PID控制算法,能很好地消除周期變化信號所產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差。為了得到特高壓試驗電源輸出信號佳波形,在167-300Hz高頻率段采用同步SPWM調(diào)制,使逆變器輸出濾波器在具有較小體積的情況下,獲得佳載波比N；在30-167Hz低頻率段,采用特定次諧波消除方法在線計算各開關角度,消弱低次諧波,利于輸出濾波器濾除高次諧波；同時,還引入虛擬電阻到LCL輸出濾波器中,增強其濾波性能。本論文所研究的幾種不同結構UHV-FTRTPS都擁有一個共同部分—特高壓無局放產(chǎn)生電路,包括：中間勵磁升壓變壓器、高壓諧振電抗器、高壓補償電抗器、高壓測量諧振電容器和均壓環(huán)。

    從工藝制作和現(xiàn)場需求出發(fā),給出了特高壓無局放產(chǎn)生電路各個部件的詳細參數(shù)和制作過程,并保證了各個部件具有很小的局部放電量。同時對特高壓無局放產(chǎn)生電路的各個部件進行了型式試驗,試驗結果表明各個部件設計合理、符合標準要求。針對特變電工衡陽變壓器廠生產(chǎn)的特高壓變壓器的局部放電試驗,本論文提出了相應的試驗方案；還針對特高壓交流試驗示范工程荊門變電站的1100kV等級GIS裝置的交流耐壓試驗,本論文也提出了相應的試驗方案；使用本文研制的基于模擬放大器的大功率UHV-FTRTPS分別對特高壓變壓器和GIS進行了工程現(xiàn)場試驗,工程試驗結果表明該特高壓試驗電源裝置能夠很好地完成特高壓電氣設備試驗需求；并總結了基于模擬放大器的UHV-FTRTPS在工程實際應用中的關鍵問題,給出了解決方法。

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