10kV固态转换开关控制的关键技术研究

摘要

现代工业和科技飞速发展，越来越多对电压敏感的负荷投入使用，如精密仪器制造工艺、计算机信息设备、连续生成过程的自动控制设备等，这些生产工艺和用电设备对供电系统的电能质量提出了更高的要求;与此同时，电网中大量的冲击性负荷以及非线性负荷投入使用，严重污染了供电系统的电能质量。因此，有效治理电能质量问题成为国内外研究的热点。
　　统计表明，在所有电能质量问题中电压跌落与电压短时中断占所有电能质量问题的70～80％[1]，因此治理电压跌落与电压短时中断成了当务之急。在众多治理电压跌落和短时中断的方案中，固态转换开关(SSTS)是性价比最好的一种方案[2]。固态转换开关通过利用大功率电力电子技术和基于微处理器、数字信号处理和光纤通信技术，有效实现敏感负荷的不间断供电。
　　固态转换开关(SSTS)系统由主电路和控制系统组成。主电路和控制系统的硬件相当于人的身体，而控制算法相当于人的灵魂。控制算法的性能直接影响固态转换开关的运行特性，因此研究出一套好的控制算法有着极其重要的意义。文章的研究重点就是控制系统的算法设计。
　　本文首先简单介绍了固态转换开关(SSTS)的工作原理和主要器件的参数设计，在此基础上对系统的控制算法进行了详细分析研究。控制算法主要包括电压跌落检测算法和双电源切换控制算法。电压跌落检测算法的主要功能是快速、准确地判出电网的工作状态，尤其是要及时判断电网是否发生电压跌落故障。鉴于电压跌落检测算法应用广泛，目前国内外学者提出的电压跌落检测算法也是多种多样，包括常见的三相dq坐标变换检测算法、αβ坐标变换检测算法、单相电压跌落检测算法、正负序双旋转坐标变换检测算法。在对这些算法详细的理论和仿真分析的基础上，综合各算法的优点和缺点，提出单相电压跌落检测算法与三相dq变换检测算法的结合作为固态转换开关的电压跌落检测算法。双电源切换控制算法的主要功能是当检测到电网发生电压跌落情况下，安全、快速、可靠地将敏感负荷转移到备用电源上，保证对敏感负荷的供电不受影响。目前，国内外对于固态转换开关的切换控制算法主要有两种，分别是自然过零BBM(Break-Before-Make)切换算法和强迫切换MBB(Make-Before-Break)切换算法。本文详细分析了这两种算法，并针对这两种算法的缺点提出安全区投切SSZ(Switching in Security Zone)切换算法，最后通过仿真验证该算法的有效性。第五章针对实现控制算法的载体——控制系统的硬件设计进行简单介绍。
　　出于安全性考虑，固态转换开关(SSTS)控制系统首先在380V样机上完成电压跌落检测和电源切换验证试验。在确定控制算法的可靠性和整个控制系统硬件的运行稳定性基础上，完成了最后的10kV系统试验。
　　文章最后给出了380V样机试验和10kV系统的试验结果，结果表明该系统完成预定的技术指标要求，达到了改善电能质量的日的。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．1．1 电能质量的主要问题

1．1．2 电压跌落的影响

1．1．3 电能治理装置概述

1．2 国内外研究现状及发展趋势

1．3 本文主要内容

第二章 固态转换开关工作原理及参数设计

2．1 固态转换开关系统结构

2．1．1 电源系统

2．1．2 晶闸管单元

2．1．3 控制系统

2．2 固态转换开关工作原理

2．3 固态转换开关主要器件参数设计

2．3．1 10kV固态转换开关技术参数

2．3．2 晶闸管参数计算

2．3．3 串联晶闸管器件数目的确定

2．3．4 晶闸管串联均压计算

2．3．5 晶闸管串联结构

2．3．6 晶闸管驱动

2．3．7 串联晶闸管BOD保护

2．3．8 熔断器选型计算

2．3．9 器件选型总结

第三章 电压跌落检测算法

3．1 基本三相dq变换检测算法

3．2 改进三相dq变换检测算法

3．2．1 不对称短路电压序分量分析

3．2．2 改进dq变换算法分析

3．3 单相电压跌落检测算法

3．3．1 dq电压跌落检测盲区

3．3．2 单相电压跌落检测算法分析

3．4 三相αβ坐标变换检测算法

3．5 正负序双旋转坐标变换检测算法

3．6 改进单相电压检测算法

3．7 仿真分析及比较

3．7．1 滤波器截止频率对检测时间影响

3．7．2 A相接地短路

3．7．3 BC相故障

3．7．4 ABC三相跌落30％

3．7．5 仿真结果及分析

3．8 本章小结

第四章 双电源切换控制

4．1 自然过零切换(BBM)

4．1．1 BBM切换流程

4．1．2 BBM切换关键点

4．1．3 BBM切换总结

4．2 强迫切换(MBB)

4．2．1 MBB切换策略A

4．2．2 MBB切换策略B

4．2．3 MBB切换关键点

4．2．4 MBB切换总结

4．3 安全区投切(SSZ)

4．3．1 SSZ切换策略分析

4．3．2 SSZ切换关键点

4．3．3 SSZ切换总结

4．4 仿真分析

4．4．1 BBM切换仿真

4．4．2 MBB、SSZ切换策略仿真

4．4．3 仿真总结及分析

4．4 本章小节

第五章 固态转换开关控制系统硬件设计

5．1 电源电路设计

5．2 信号调理电路设计

5．3 主控制器设计

5．4 光纤通讯设计

第六章 固态转换开关试验

6．1 380V固态转换开关样机搭建

6．2 380V固态转换开关样机试验

6．2．1 电压跌落检测试验

6．2．2 切换试验

6．3 10kV固态转换开关应用试验

第七章 论文总结与展望

7．1 论文总结

7．2 展望

致谢

参考文献

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