大功率整流系统能效评估与在线监测方法及其应用研究

摘要

大功率整流系统广泛应用于化工、冶金、轨道牵引等高耗能工业和交通领域。新型大功率整流系统以节能为主要特征。为了推广该节能技术，还必须开展大功率整流系统的能效分析与在线监测研究。其关键研究内容包括：系统能耗模型建立、直流大电流测量、海量数据传输与抗干扰、多通道同步数据采集、并行与远程校准、装置研发与工程应用。
　　结合传统和新型大功率整流系统的接线方案，分别建立了计及谐波影响条件下两种整流系统中变压器、滤波器及整流器的损耗计算模型，理论和仿真结果表明：新型大功率整流系统具有显著的节能效果。
　　基于阀侧交流电流与直流电流的对应关系，提出了一种直流大电流间接反演与计算新方法，仿真与实际工程应用结果表明，该方法正确；由于阀侧电流和电压信号含有丰富的谐波分量，电压及电流信号的采样频率高、数据存储量巨大，针对这一问题，本文提出了一种基2FFT快速傅里叶变换算法的数据压缩算法；同时，结合大功率整流系统能效监测系统测量点多、抗干扰能力要求高、数据同步采集要求高、通信距离远等问题，提出一种基于光纤以太网的大功率整流系统能效分析与在线监测系统，并通过与基于常规电能质量分析仪的能效测试方法进行对比，验证了新方法具有突出的技术性能。
　　为了确保能效监测装置的测量精度，分析了能效监测装置的测量系统的静态和动态性能的预估方法；并提出了通过非线性自校正、自校零与自校准、自补偿等多种软件手段来提高测量系统的稳定性和量测精度；针对多测量点数据同步性能问题，结合传统测试方法，提出了一种基于改进的正弦曲线拟合收敛算法的同步性能测试方法，为能效监测装置的多通道同步采集性能的评估提供了有效测评方法。
　　针对传统校准方式存在校准周期长、校准费用高及无法实现在线校准等不足，分析了能效监测装置中互感器、信号调理电路、A/D转换器及同步采集的误差与处理方法，在此基础上，提出了一种基于光纤以太网通信的新型多通道远程并行校准技术，详细分析了能效监测装置远程校准系统的软件功能及实现过程；并通过对能效监测装置的多个通道终端进行远程并行校准，验证了本文提出的能效监测装置远程并行校准技术及系统的稳定性和优异性能。
　　结合某新型12脉波大功率电解锰整流系统的拓扑结构，对其基于光纤以太网的能效分析及在线监测系统进行了工程设计；详细分析了能效监测装置的软硬件的实现过程；重点对采集终端、光纤以太网通信、上位机系统、通信前置机进行了设计，并开发了一套大功率整流系统能效分析软件平台，可实现对整流系统三大部件的在线能效分析与评估。
　　为了进一步验证本文提出的新算法、新技术及能效监测系统方案的正确性和可行性，结合实验室现有设备和条件，搭建了新型12脉波整流系统能效监测系统的实验平台；并基于该实验平台，对直流大电流间接反演算法、数据采集终端的并行采集性能、数据压缩及远程校准技术、系统各部件的能效在线分析与监测等功能进行了功能性验证；最后，并将该套系统成功移植到新型12脉波电解锰整流系统工程项目中，有效实现了大功率整流系统及各部件的效率核算。
　　所研发的多套大功率整流系统能效监测装置已成功应用于电解锰整流系统，稳定运行近2年。为用户评价装备效率及节能效果提供了一种重要的技术手段，加速了节能新技术的推广。

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附表索引

第1章 绪 论

1.1 大功率整流系统技术研究现状与发展

1.2 大功率整流系统谐波抑制方法与理论研究现状与发展

1.3 大功率整流系统能效分析及计量现状与发展

1.4 论文的研究背景、目的及意义

1.5 论文的主要内容与结构

第2章 大功率整流系统能效分析

2.1 大功率整流系统能效分析方法

2.2 传统直流供电与新型直流供电两种方案的能效对比分析

2.3 推广新型大功率整流技术的社会经济意义

2.4 推广过程中遇到的关键问题

2.5 本章小结

第3章 大功率整流系统能效监测机理及算法分析

3.1 大功率整流系统能效监测装置功能需求分析

3.2 直流大电流间接测量方法

3.3 基2FFT快速傅里叶变换算法的数据压缩算法

3.4 大功率整流系统电能质量及能效分析算法

3.5 基于电能质量分析仪的大功率整流系统能效测试方法

3.6 基于光纤以太网的大功率整流系统能效分析与在线监测系统

3.7 两种能效监测方法的性能比较

3.8 本章小结

第4章 能效监测装置测量系统的构建与性能评定

4.1 能效监测装置测量系统的基本构建原则

4.2 能效监测装置测量系统的智能化处理策略

4.3 多通道数据同步采集系统同步性能评价及测试方法

4.4 数据压缩原理与压缩性能评价

4.5 本章小结

第5章 大功率整流系统能效监测装置远程校准技术

5.1 传统校准方式的不足

5.2 能效监测装置的误差分析与处理

5.3 能效监测装置远程校准技术

5.4 能效监测装置远程校准系统的实现

5.5 本章小结

第6章 大功率整流系统能效在线监测系统的工程设计

6.1 能效监测装置终端系统设计

6.2 光纤以太网通信线路设计及采集终端IP地址设置

6.3 主站上位机系统关键软件技术

6.4 主站上位机系统设计

6.5 本章小结

第7章 大功率整流系统能效监测装置的实验室调试与工程应用

7.1 大功率整流系统能效监测系统实验环境的搭建与调试

7.2 能效监测装置的工程应用

7.3 能效监测系统的指导意义

7.4 本章小结

结论

1、本文完成的工作

2、今后研究工作展望

参考文献

附录A 攻读博士学位期间所发表的主要学术论文目录

附录B 攻读博士学位期间联合申请的发明专利及软著

附录C 攻读博士学位期间承担的主要科研项目

致谢