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输电线路覆冰是严重威胁电网安全运行的一种自然灾害,也是电力部门长期以来亟需解决的重要问题。鉴于此,本文根据发热融冰法基本原理,提出了一种中频谐振除冰法,重点研究中频谐振除冰法可行性,以及四象限级联型除冰装置的设计和控制等问题。全文通过一系列仿真和实验展开,得到的主要结论有:
(1)首先,本文根据等效面积相等原理把钢芯铝绞线简化为一种便于有限元软件计算的等效模型,并通过Ansoft-Maxwell有限元软件的仿真证明:中频电流下,钢芯铝绞线单位长度电阻值增加明显,且钢芯铝绞线的铝线层数越多,电阻值增加趋势越明显。上述仿真结论证明了中频电流集肤效应可加快线路融冰速度。此外,为有效降低中频除冰时线路电感的无功消耗,本文利用线路等值电感和串入电容器的串联谐振降低中频融冰装置容量,同时提出了二分法和软件锁相环相结合的复合型串联谐振控制策略。二分法可加快谐振频率搜索速度和避免失锁现象,而软件锁相环可克服谐振点小范围转移问题,相应的仿真证明了该方法可实现谐振点的快速正确跟踪。
(2)针对除冰装置的多用途目标,本文根据功率单元出力、直流电压可控性和四象限运行等要求确定了三相PWM整流器十单相H桥逆变的功率单元方案。此外,为实现三相PWM整流器直流电压和交流侧功率冈数可控,提出了准定频一时间预测型滞环电流控制策略,该策略直接控制解耦的线电流,并利用实时调整的滞环环宽和线性预测开关动作时刻来稳定开关频率,通过一系列仿真分析证明,上述控制策略可实现直流电压、交流电流可控和开关频率稳定的效果。
(3)根据级联型逆变器功率单元的结构特点,提出了错时采样三电平SVPWM方法;同时,针对级联型逆变器故障率高的特点,本文综合利用过调制和冗余基矢量重构技术,提出了基于三电平SVPWM的容错控制策略,通过理论和仿真分析证明,该方法比中性点偏移策略输出电压更高,且程序编写简单,执行效率也高。
(4)从主电路和控制系统方面进行了首台除冰装置软硬件工程化设计,完成一套2000kW/10kV的样机。主要包括功率单元、核心控制器系统、功率单元控制系统、高速光纤通讯接口等硬件设计;还包括SolidWorks三维结构,高速通讯模块、驱动脉冲模块、核心控制器和上位机实时通信模块、触摸屏多画面状态显示等软件设计。
(5)针对除冰装置仅作除冰用途时投资成本和闲置浪费率高的问题,本文分析了除冰装置非覆冰期的其他用途。通过分析相关文献证明,仅需简单改变除冰装置接线方式,并同时调整相应程序,除冰装置还可以实现STATCOM、SSSC、UPFC或储能系统等功能。
(6)最后,通过一系列的样机实验证明:中频电流的集肤效应可以明显提高钢芯铝绞线的单位长度电阻,加快融冰速度,同时依靠除冰装置的输出频率的控制可以实现串联谐振,优化装置容量;相应的电流控制策略可以实现功率单元直流电压和输入功率冈数控制,且能稳定开关频率;所提的错时采样三电平SVPWM调制技术可以满足级联型逆变器正常运行要求,且在故障条件下,利用容错控制策略能实现逆变器的最大电压输出。以上实验结果表明,本文提出的中频谐振除冰法及其除冰装置是一种可行的方案,其必会在未来的冰灾和电力系统补偿中发挥一定作用。