Моделирование статического компенсатора реактивной мощности и мощности искажений на базе каскадного многоуровневого инвертора
На правах рукописи
КАРНАВСКИЙ ИВАН АЛЕКСАНДРОВИЧ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАТИЧЕСКОГО КОМПЕНСАТОРА РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ И МОЩНОСТИ ИСКАЖЕНИЙ НА БАЗЕ КАСКАДНОГО МНОГОУРОВНЕВОГО ИНВЕРТОРА Специальность 05.09.12 - Силовая электроника
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Нижний Новгород - 2012
Работа выполнена на кафедре "Теоретическая и общая электротехника" ФГБО УВПО «Нижегородский государственный технический университет им.
Р.Е.Алексеева».
Научный руководитель доктор технических наук, профессор Алтунин Борис Юрьевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Голембиовский Юрий Мичиславович кандидат технических наук, доцент Копелович Евгений Альбертович Ведущая организация Опытное конструкторское бюро машиностроения им. И.И. Африкантова (Н. Новгород)
Защита состоится 26 апреля 2012 г. В 14 часов в аудитории №1258 на за седании диссертационного совета Д 212.165.02 в Нижегородском государствен ном техническом университете им. Р.Е. Алексеева (603950, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24).
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организа ции, просим направлять по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24, НГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.165.02 или по факсу (831)436-93-79.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБО УВПО «Ниже городский государственный технический университет им. Р.Е.Алексеева».
Автореферат диссертации размещен на сайте:
http://www.nntu.ru/rus/aspir_doktor/avtoreferat Автореферат разослан 22 марта 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент В.В. Соколов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность При развитии электроэнергетики требуются более сложные системы управ ления. Новые подходы построения электроэнергетических узлов получили на звание интеллектуальных сетей, которые позволяют эффективно управлять и по вышать пропускную способность сети, а также улучшать качество электроэнер гии. Концепция создания интеллектуальных сетей официально объявлена в Рос сии в 2006 году по приказу РАО «ЕЭС России» № 380 «О создании управляемых линий электропередач и оборудования для них».
Интеллектуальная сеть – это совокупность подключенных к генерирующим источникам и потребителям интеллектуальных устройств, одним из которых яв ляется активное электротехническое сетевое оборудование, способное гибко ме нять характеристики передачи или преобразования электроэнергии для оптими зации режимов сети по нескольким критериям: пропускная способность, уровень технологических потерь, устойчивость, перераспределение потоков мощности, качество электроэнергии и пр. Оборудование для гибких линий, позволяет повы сить пропускную способность линий (по некоторым оценкам – до 20%), обеспе чить устойчивую работу энергосистемы, обеспечить заданные параметры сети, что снижает потери электроэнергии до 40%. Силовые устройства гибких линий являются основными для построения интеллектуальных сетей. К таким устрой ствам относятся различного рода статические преобразователи в электропереда чах переменного тока, устройства регулирования напряжения и компенсации ре активной мощности.
В настоящее время существуют компенсаторы реактивной мощности раз личных топологий и принципов действия. Компенсаторы типа СТАТКОМ име ют ряд преимуществ над другими типами устройств регулирования качества электроэнергии. Они применяются для динамической стабилизации напряжения, увеличения пропускной способности в линиях электропередач, повышения ус тойчивости при электромеханических переходных процессах, демпфирования колебаний в энергосистеме. В России создан первый образец, установленный на подстанции «Выборгская», в тоже время за рубежом – компенсаторы СТАТКОМ имеют широкое распространение.
Одна из перспективных топологий построения СТАТКОМ – многоуровне вый каскадный инвертор. Данная топология построения не широко используется при проектировании и построении компенсаторов, однако она имеет ряд пре имуществ. Увеличенное выходное напряжение многоуровневого инвертора до пускает его прямое подключение в сетях до 10кВ в точке компенсации без ис пользования трансформатора. Выходное напряжение многоуровневого инверто ра имеет меньше высших гармоник, благодаря чему снижены массогабаритные и ценовые показатели фильтров.
Большой вклад в решение проблем качества электроэнергии, разработки алгоритмов управления, исследования устройств и электромагнитной совмести мости элементов системы электроснабжения внесли отечественные ученые: Ро занов Ю.К., Зиновьев Г.С., Жежеленко И.В., Вагин Г.Я., Голембиовский Ю.М., Белов Г.А., Шакарян Ю.Г. и д.р. Однако устойчивость работы в установившихся и переходных режимах компенсатора на базе каскадного многоуровневого ин вертора изучена недостаточно.
Связь работы с научными программами Работа выполнена в рамках:
1. ГОСУДАРСТВЕННОГО КОНТРАКТА № 16.526.12.6016 на выполне ние опытно-конструкторских работ в рамках федеральной целевой про граммы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям разви тия научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы».
2. Государственного единого заказ-наряда Минобрнауки РФ № «Теория энергосбережения. Новые принципы автоматизации, микропроцес сорного управления, построения энергосберегающих систем электроприво да и устройств преобразовательной техники».
Объект исследования Компенсатор реактивной мощности и мощности искажений на базе кас кадного многоуровневого инвертора (КМИ).
Предмет исследования Передаточные функции, алгоритмы управления, устойчивость работы корректора коэффициента мощности (ККМ) в статических и динамических режимах.
Цель работы Разработка математических и компьютерных моделей для всестороннего исследования режимов компенсатора реактивной мощности и мощности иска жения на основе каскадного многоуровневого инвертора.
Решаемые задачи 1. Анализ способов и устройств компенсации реактивной мощности и мощ ности искажений.
2. Создание комплекса математических и компьютерных моделей для ис следования электромагнитных процессов КМИ.
3. Разработка новых алгоритмов управления КМИ и исследование на устой чивость установившихся и переходных режимов работы корректора коэффици ента мощности (ККМ).
4. Разработка методик расчета параметров силовой части и системы управ ления ККМ.
Методы исследования При выводе основных математических зависимостей ККМ были исполь зованы основные положения теории нелинейных импульсных систем. При опре делении компенсирующих токов ККМ применены положения теории мгновен ных значений токов в синхронной системе dq координат, ориентированной по вектору напряжения питающей сети. При исследовании на устойчивость ККМ по передаточным функциям использован критерий Боде из теории автоматиче ского управления.
В качестве инструмента для анализа статических и динамических про цессов в исследуемых системах использованы методы компьютерного мо делирования. Имитационное моделирование выполнено с использованием среды MatLab и системы визуального проектирования Simulink.
Научная новизна 1. Предложен универсальный алгоритм компенсации реактивной мощ ности и мощности искажений одним устройством на базе каскадного мно гоуровневого инвертора, отличающийся от существующих тем, что за счет вве дения в систему управления дополнительного регулировочного звена в канале тока, обеспечивается устойчивая компенсация как реактивной мощности, так и мощности искажений. Новизна подтверждена свидетельством о государ ственной регистрации программы для ЭВМ.
2. Разработаны математические модели каскадного многоуровневого инвертора в синхронной dq системе координат, ориентированной по векто ру напряжения сети, что позволило упростить исследование на устойчи вость и разработку регуляторов компенсатора реактивной мощности и мощ ности искажения.
3. Получены аналитические передаточные функции токов в dq-координатах для анализа устойчивости ККМ в стационарных и переход ных режимах, позволяющие учесть время запаздывания в системе управле ния и повысить устойчивость с помощью регуляторов.
Практическая ценность 1. Разработанный алгоритм управления каскадным инвертором является универсальным, позволяет формировать многоуровневое выходное напряжение независимо от области применения и рекомендуется к использованию при про ектировании ККМ данного типа, в том числе с увеличенным количеством уров ней.
2. Разработано математическое описание и комплекс прикладных программ имитационного моделирования ККМ в пакете Matlab Simulink для исследования на ЭВМ работы ККМ в статических и динамических режимах.
3. Предложена методика расчета параметров силовых реактивных элемен тов и параметров регуляторов системы управления для оптимизации проекти руемого ККМ на базе КМИ, а также устройств на их основе.
4. Разработаны принципиальные схемы силовых узлов и системы управле ния ККМ, использованные при создании узлов макета.
5. Результаты диссертационной работы использованы, а также в учебном процессе при чтении лекций по курсам: «Энергетическая электроника» и «Осно вы промышленной электроники» студентам кафедры «Промышленная электро ника» НГТУ им. Р.Е.Алексеева.
Реализация результатов работы Полученные результаты использованы в ГОСУДАРСТВЕННОМ КОНТРАКТЕ № 16.526.12.6016 на выполнение опытно-конструкторских ра бот в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического ком плекса России на 2007-2013 годы», в ЗАО «НПО «Промэнерго» при разработ ке моделей промышленных энергообъектов с резкопеременной нелинейной на грузкой и устройств регулирования параметров качества электроэнергии, а так же при создании узлов макетного образца корректора коэффициента мощности на базе КМИ.
Основные положения, выносимые на защиту 1. Комплекс математических и компьютерных моделей в пакете Matlab Simu link компенсатора реактивной мощности и мощности искажений на базе КМИ.
2. Алгоритм компенсации реактивной мощности и мощности искажений одним устройством на базе КМИ.
3. Результаты анализа устойчивости автоматической системы управле ния ККМ в установившихся и переходных режимах, по передаточным ха рактеристикам ККМ в dq координатах.
4. Методика расчета силовых реактивных элементов и параметров микро процессорной системы управления ККМ.
Апробация работы Основные теоретические положения и результаты диссертационной работы были доложены на VII Всероссийская научно-техническая конференция "Дина мика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем" (Че боксары, 2007), XIII Нижегородская сессия молодых ученых (Нижний Новгород, 2008), IX Международная молодежная научно-техническая конференция "Буду щее технической науки" (Нижний Новгород, 2010).
Публикации По результатам исследований опубликовано 12 работ. Получены свидетель ство о государственной регистрации имитационной модели в прикладной про грамме для ЭВМ № 2009613526 от 30.06.2009г.
Структура и объем диссертационной работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литера туры из 104 наименований и 9 приложений. Основная часть диссертации изло жена на 140 страницах, содержащая 94 рисунка и 19 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы и основные задачи исследования, которым посвящена диссертация, изложены подходы и методы исследования, показана новизна работы, дана её общая характеристика.
В первой главе рассмотрено влияние на качество электроэнергии энерго емких потребителей, характеризующихся большим потреблением реактивной мощности и значительным искажением формы потребляемого тока. На основе режимов работы универсальной дуговой печи постоянного тока ДППТУ-12 было исследовано ее негативное влияние на энергетические характеристики сети. На (рис.1) представлена схема электропитания данной печи.
ina Ua inb Ub inc Uc ДППТУ- Ls Ls Ls Cfa Cfb Cfc Тиристорный коммутатор выпрямитель UbN UaN UcN ib ia ic + + + uaN МКcN ubN ucN МКbN печь CaN CbN CcN + + + МКc ub2 uc ua МКa2 МКb Ua, Ub, Uc Ca2 Cb2 Cc Система Ina, Inb, Inc управления + + + МКc1 Ia, Ib, Ic uc МКb1 ub МКa1 ua Ca1 Cb1 Cc Каскадный многоуровневый инвертор Рис. 1. Схема электропитания дуговой плавильной печи постоянного тока Реактивная мощность ухудшает показатели работы энергосистемы, так как при загрузке реактивными токами увеличиваются потери в подводящих сетях и приемниках, увеличивается падение напряжения в сетях. Крупные электротех нологические установки характеризуются:
неравномерным потреблением реактивной мощности в течение суток и по отдельным суткам, при котором средневзвешенное значение tg может быть на 20—25% выше значения отношения реактивной мощности к актив ной в часы пик нагрузки энергосистемы;
резким колебанием реактивной мощности, приводящим к значительным ко лебаниям сетевого напряжения;
генерированием в питающую сеть высших гармонических составляющих, вследствие чего коэффициент несинусоидальности сетевого напряжения и потребляемого тока может достигать 7-8%;
неравномерностью потребления активной и реактивной мощности по от дельным фазам, вызывающей возникновение токов обратной последова тельности и несимметрию питающих напряжений.
Высшие гармоники напряжения и тока вызывают искажение формы пи тающего напряжения, резонансные явления на частотах высших гармоник, по вышенный акустический шум в электромагнитном оборудовании, нагрев и поте ри в трансформаторах и электрических машинах и др.
Проанализировано качество электроэнергии при нелинейной нагрузке ДППТУ-12. Одним из основных показателей энергосистемы является коэффици ент мощности, характеризующий эффективность использования энергосисте мы. Напряжение на электроде ДППТУ-12 изменяется от 300 В до 600 В при из менении угла управления в диапазоне регулирования от 0 эл.град.
до ~60 эл.град. Как показали исследования, при работе ДППТУ-12 изменяется от 0,91 до 0,48 при изменении угла регулирования от 0 до ~60 эл.град., что сви детельствует о малоэффективном использовании сети при глубоком регулирова нии. Причем потребление активной мощности уменьшается более чем на 50 %, а изменение мощности искажения относительно полной мощности практически не меняется и составляет 29 % от полной потребляемой мощности ДППТУ-12, (рис.2).
Рассмотрены особенности промышленных устройств повышения коэффи циента мощности, таких как автоматические компенсаторы, выполненные на ба зе конденсаторных установок, статические компенсаторы на базе управляемых реакторов, фильтрокомпенсирующие устройства и статические компенсаторы на базе инверторов напряжения. Для потребителей с изменяющейся потребностью в реактивной мощности, постоянно включенные конденсаторные батареи непри емлемы, т.к. при этом возникают режимы недокомпенсации или перекомпенса ции. Релейные компенсаторы с набором конденсаторных батарей при возможно сти ступенчатого регулирования величины компенсируемой реактивной мощно сти обладают низким быстродействием, высоким уровнем помех вследствие бросков тока в момент коммутации, что приводит к износу конденсаторов. Ста тические тиристорные компенсаторы характеризуются естественной коммутаци ей тиристоров, которая обуславливает генерацию в питающую сеть высших гар монических составляющих тока и напряжения. Фильтрокомпенсирующие уст ройства могут вызвать резонансные явления в системе, которые могут привести к дополнительным искажениям синусоидальности тока и напряжения.
Рис. 2. Графики изменения полной мощности S (МВА), активной мощности P (МВт), реактивной мощности Q (МВар) и мощности искажения Т (МВА) Все емкостные компенсаторы реактивной мощности критичны к гармони ческим искажениям тока. Перегрузка конденсаторов высшими гармониками мо жет быть исключена, если конденсаторы включены последовательно с установ кой, как в случае компенсационных выпрямителей. Впервые на возможность осуществления компенсационного режима работы выпрямителей указал Г.И. Бабат. К их основным недостаткам, помимо невысокого значения коэффи циента эффективности использования конденсаторов и наличия существенных потерь в реакторах, можно отнести и ограниченное значение критического угла регулирования при превышении которого резко снижается величина генерируе мой выпрямителем реактивной мощности, а также нарушается устойчивость ра боты самой схемы выпрямления.
Весьма вредное влияние оказывают высшие гармонические составляющие тока на работу электрооборудования и питающей сети. Наиболее распростра нённый способ компенсации мощности искажений это применение пассивных фильтрующих устройств. Использование таких фильтров может вызвать резо нансные явления в системе, которые, в свою очередь, могут привести к дополни тельным искажениям синусоидальности тока и напряжения. Наличие пассивных элементов увеличивает потери в фильтре и в системе электропитания в целом.
При фильтрации большого числа гармоник массогабаритные показатели и затра ты на изготовление фильтра значительно увеличиваются.
Во второй главе рассмотрены многоуровневые топологии построения ком пенсаторов реактивной мощности и мощности искажений. Современные устрой ства, имеющие в своем составе выпрямитель, зачастую выполняются с использо ванием схем коррекции коэффициента мощности. Вместо тиристоров в устрой ствах с фазовым управление или диодов в неуправляемых выпрямителях исполь зуются полностью управляемые силовые ключевые элементы. Вопросами иссле дования и разработки активных выпрямителей в нашей стране занимаются Ю.К. Розанов, Г.С. Зиновьев, Р.Т. Шрейнер, А.А. Ефимов и др., а за рубежом H. Akagi, A. Nabae, M. Lindgren, J.L. Duarte и др. Однако замена активными вы прямителями функционирующие выпрямительные установки с невыработанным ресурсом является экономически нецелесообразным и иногда даже невозмож ным.
В этих случаях предлагается использование устройства, предназначенного для компенсации реактивной мощности и мощности искажения, обусловленных работой потребителей. В настоящее время существует несколько типов уст ройств, позволяющих выполнить данную задачу. Автором предлагается ККМ, который возможно подключать напрямую без трансформатора на сетевые на пряжения до 10 кВ (рис. 1). Данный тип корректора относится к СТАТКОМ па раллельного типа.
В устройстве ККМ перспективно использовать КМИ, т.к. данный класс ин верторов:
имеет больший диапазон использования по напряжению, складывающий ся из допустимых напряжений отдельных модулей;
имеет лучший гармонический состав выходного напряжения из-за при ближения его синусоидальной форме;
позволяет использовать низковольтные ключевые элементы в инверторах модулей;
не требует повышающего трансформатора.
При топологии КМИ эквивалентная частота ШИМ выходного линейного напряжения увеличивается в два раза из-за геометрического сложения фазных напряжений.
При модульном строении КМИ можно гибко расширять допустимую мощ ность преобразователя, изменяя количество последовательно включенных моду лей. Каждая ячейка КМИ имеет идентичную структуру – мостовой однофазный инвертор и независимое подключение. Структура ККМ позволяет компенсиро вать реактивную составляющую тока и высшие гармонические составляющие тока.
Сложность управления КМИ прямо пропорциональна числу мостовых мо дулей в фазе. При увеличении числа модулей возникает проблема разбаланси ровки напряжений на конденсаторных батареях. Ограничения на количество мо дулей в фазе накладывается быстродействием системы управления.
Пассивные компоненты, используемые в ККМ на базе КМИ, определяют работу системы. Проанализировано влияние параметров реактивных компонен тов на основные критерии системы, такие, как Кг, диапазон рабочих мощностей и др. Предложена методика выбора номиналов пассивных компонентов.
При исследовании КМИ были сделаны выводы, что минимальная емкость конденсаторного накопителя определяется допустимыми пульсациями выходно го напряжения, а максимальная – стоимостью. Кроме того, емкость конденсато ра не зависит от частоты коммутации ключей. При большей емкости конденса торной батареи, Кг значительно не уменьшается. (Рис. 3) представляет опти мальную область для выбора номинала конденсатора.
Uc Uc =E + Uп/ Umax E Uп C Cmin Cmax Рис. 3. Критерий выбора конденсатора Рис. 4. Критерии выбора фазного реактора Минимальная индуктивность фазных реакторов определяется гармониче скими искажениями тока, а максимальная индуктивность ограничена диапазо ном действия системы и, конечно, стоимостью (рис. 4).
Третья глава диссертационной работы посвящена исследованию и разра ботке комплекса математических моделей ККМ на базе КМИ с ШИМ на высо кой частоте. В главе рассмотрены принципы функционирования устройства, вы ведены обобщённые аналитические зависимости для токов ККМ в статических АВС (фазных) и синхронных(ортогональных) dq координатах для усредненной и малосигнальной моделей. Получены передаточные функции КМИ в синхронных координатах для токов ККМ и напряжений на конденсаторных накопителях (уравнения (1)-(3)):
~ ~ N E ( Rs pLs ) iq id Wiqq Widd Ls 2 p 2 2 Ls Rs p ( Rs 2 2 Ls 2 ), (1) ~ ~ q d ~ ~ N E Ls id iq Widq Wiqd Ls 2 p 2 2Ls Rs p ( Rs 2 2 Ls 2 ), (2) ~ ~ q d ~ Y L p Y L Y R Ej dj s qj s dj s WEidj 2CL 3 pCR Y Y N, (3) ~ 3p s s dj qj id где j=1..N, N – число мостовых инверторов в фазе, Rs и Ls – параметры фазного реактора, – частота сети в радианах, С – емкость накопителя, Y – коэффициент заполнения, E – напряжение на конденсаторных накопителях в мостовых инвер торах.
Задержка выходного сигнала N-уровневого КМИ, обусловленная математи ческими расчетами в системе управления и ШИМ, зависит от используемого микропроцессора и частоты коммутации, вследствие чего в выражениях (1)–(3) добавляется задержка Tз. В работе показано, что наличие задержек в реальном устройстве ККМ не влияет на амплитудную передаточную функцию, однако приводит к фазовому смещению высших гармоник, поэтому при проектировании устройства необходимо учитывать влияние задержек в системе.
На основе полученных передаточных функций в диссертации исследован ККМ на базе КМИ по логарифмическим амплитудно-частотным и фазо частотным характеристикам на устойчивую работу. Согласно ЛАЧХ, ЛФЧХ пе редаточных функций, показанных на (рис. 6), и критерию устойчивости Боде, ККМ без регулятора является неустойчивым и нуждается в регулировочных звеньях для обеспечения устойчивой работы. В качестве звена регулирования по d и q каналам был выбран ПИД-регулятор, а по каналу напряжения ПИ регулятор. Эти регуляторы являются линейными и могут быть исследованы во временной и частотной области. На (рис. 5) показана полная блок-схема ККМ на базе КМИ с замкнутой цепью регулирования. Главная функция регулятора об ратной связи состоит в том, чтобы отслеживать отклонения заданного параметра системы и выдавать команды с наиболее возможной скоростью для их устране ния. После введения ПИД-регулятора ЛАЧХ и ЛФЧХ разомкнутой системы (рис. 6), подтверждают ее стабильность.
Рис. 5. Структурная схема математической модели ККМ с системой регули рования на основании передаточных функций При использовании новой пе редаточной функции для замкнутой цепи регулирования по d и q каналу, получена функция, отобра жающая зависимость между током и напряжением на конденсаторной батарее. Основываясь на правилах преобразования сложных переда точных функций, получено уравне ние (4). Аналогичным образом скорректированы передаточные функции введением ПИ-регулятора Fi ( p ) WEid ( p ) WEid ( p ), (4) 1 Fi ( p ) где WEid(p) – передаточная функция по уравнению (3);
Fi(p) – передаточ ная функция d-канала с ПИ-регулятором.
Полученные коэффициенты регуляторов были оптимизированы Рис. 6. ЛАЧХ и ЛФЧХ систем с ПИД с помощью математической модели регулятором (пунктирная линия) и без регулятора (сплошная линия) ККМ на передаточных функциях в прикладной программе Matlab/Simulink и процедуры разработки нелинейного управления систем. Целью оптимизации ПИД-регуляторов является минимизация перерегулирования и длительности пе реходного процесса в скомпенсированной системе. Достижение оптимальных значений осуществляется по градиентному методу. По полученным оптимизиро ванным параметрам увеличена полоса пропускания примерно в 3,8 раза, однако значительно уменьшились запасы устойчивости по фазе и усилению. Запасы ус тойчивости удовлетворяют ограничениям, необходимым для стабильной работы.
На основе передаточных функций и коэффициентов регуляторов по (рис. 5) была сформирована имитационная модель в программном комплексе Mat lab/Simulink. На полученной модели были рассмотрены основные режимы рабо ты ККМ параллельно с сетью и нагрузкой в виде ДППТУ-12. Также на матема тической модели проведено исследование зависимости коэффициента нелиней ных искажений в сетевом токе при работе ДППТУ-12 на номинальную нагрузку с использованием и без использования ККМ.
На имитационной модели проведены исследования работы ККМ в полном диапазоне изменения угла управления управляемого выпрямителя ДППТУ-12.
Результаты моделирования показали, что при использовании ККМ сдвиг основ ной гармоники в сетевом токе практически равен нулю. Уменьшение угла сдвига и высших гармоник приводит к увеличению коэффициента мощности, (рис.7), и улучшению электромагнитной совместимости ДДПТУ-12.
Рис. 7. Зависимость коэффициента мощности от угла управления В четвертой главе разработан алгоритм управления ключевыми элемента ми КМИ. Сложность системы управления определяется количеством пара метров, требуемых для постоянного контроля. К ним можно отнести значе ние мгновенной мощности искажения, напряжение на конденсаторных ба тареях и синхронизацию с сетью.
Параметры, используемые системой управления для регулирования вы ходного тока ККМ, должны быть преобразованы в dq координаты, поэтому чтобы использовать приведенный блок управления, необходимо провести пересчет измеренных параметров из ABC-координат в dq. Так как система координат dq должна быть ориентированна по вектору сетевого напряже ния, то требуется еще блок фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Так же выходные сигналы регулятора после обработки необходимо преобразо вать обратно в статические АВС координаты. Далее с помощью блока ШИМ по полученным значениям вырабатываются импульсы для управления клю чевых полупроводниковых элементов. На (рис. 8) представлена законченная блок схема системы управления.
Блок ШИМ выполняет в основном две задачи – формирование импульсов управления ключевых элементов каскадного многоуровневого инвертора и ба лансировка зарядов конденсаторных накопителей. По входным сигналам управ ления и мгновенным значениям тока ККМ и напряжениям на конденсаторных батареях формируется очередность включения модулей в фазе.
Рис. 8. Блок-схема системы управления ККМ Как и в случае имитационной модели на передаточных функциях, анало гичным образом проведено исследование основных режимов работы модели ККМ, построенной на библиотечных блоках в прикладной программе модели рования Matlab/Simulink. На (рис. 9) представлена временная диаграмма работы ККМ параллельно с сетью и тиристорным выпрямителем ДППТУ-12. Результа ты моделирования показали аналогичные результаты, полученные на мате матической модели в главе 3. Сдвиг основной гармоники в сетевом токе практически равен нулю. Уменьшение угла сдвига и высших гармоник при водит к увеличению коэффициента мощности до значений 0,96-0,98, (рис.7).
Рис. 9. Работа ККМ с номинальной нагрузкой: а)ток ДППТУ-12 и ток ККМ фа зы А;
б)сетевые токи;
в)напряжение на выходе ККМ Макет ККМ представляет собой сложное электротехническое устройство.
Для испытания и исследования режимов работы данного устройства использо валось упрощенное схемотехническое решение. Отдельные узлы макета ККМ были изготовлены на базе кафедры «Промышленная электроника» НГТУ им.
Р.Е. Алексеева (Н.Новгород). Система управления макета выполнена на микро процессоре TMS320f2812 и сопряжена с пользовательской оболочкой для персо нального компьютера, написанной на Visual Studio и позволяющей корректиро вать внутренние параметры системы в режиме онлайн по интерфейсу RS232.
В приложениях приведены программы ШИМ блока, акты внедрения по го сударственному контракту на выполнение опытно-конструкторских работ в рамках федеральной целевой программы, акт о внедрении при проектирова нии компрессорных станций в ОАО «Гипрогазцентр, акт о внедрении в учеб ный процесс.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ На основании проведённых исследований получены следующие результаты:
1. Разработан комплекс математических и имитационных моделей компенсатора реактивной мощности и мощности искажений на базе КМИ, используя усредненную и малосигнальную математические модели, анали тические передаточные функции токов и напряжений в двух системах коор динат ABC и dq.
2. Разработан новый алгоритм управления силовыми ключами КМИ, позволяющий управлять N-уровневым инвертором c контролем потока мощности для регулирования заряда на накопительных конденсаторах.
Сложность управления КМИ прямо пропорциональна числу мостовых мо дулей в фазе, при увеличении которых возникает проблема разбалансировки напряжений на конденсаторных батареях. Ограничения на количество мо дулей в фазе накладывается быстродействием системы управления.
3. На основе ЛАЧХ и ЛФЧХ передаточных функций предложена мето дика расчета параметров регуляторов системы управления ККМ на базе КМИ, позволяющая качественно настроить систему управления.
4. Выполненный компьютерный эксперимент совместной работы ком пенсатора реактивной мощности и мощности искажений и дуговой печи по стоянного тока ДППТУ-12 подтвердил эффективность применения ККМ:
содержание высших гармоник в сети снижено в среднем в 10 раз, сдвиг ос новной гармоники в сетевом токе практически равен нулю. Уменьшение уг ла сдвига и высших гармоник приводит к увеличению коэффициента мощ ности до значений 0,96-0,98.
5. Предложена методика расчета и оптимизации емкости накопителя и индуктивности фазного реактора ККМ. Минимальная емкость определяется пульсациями выходного напряжения, а ограничения на максимальную ем кость накладываются стоимостью. Минимальная индуктивность определя ется гармоническими искажениями тока, а максимальная ограничена диапа зоном выходного напряжения КМИ.
РАБОТЫ ОПУБЛИКОВАНЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации по перечню ВАК:
1. Карнавский, И.А. Корректор коэффициента мощности в высоковольтной распределительной электросети на базе многоуровневого каскадного преобразо вателя с ШИМ на высокой частоте / Б.Ю. Алтунин, М.Н. Слепченков, И.А. Кар навский // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». Вып. 9 – 2008. №11(111). – С. 39 – 45.
2. Карнавский, И.А. Моделирование каскадного компенсатора неактивной мощности / Б.Ю. Алтунин, А.Б. Лоскутов, И.А. Карнавский // Промышленная энергетика. – Москва, 2012. №2. – С. 52–56.
Патенты и свидетельства о регистрации 3. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ / Имитационная модель корректора коэффициента мощности на базе многоуров невого инвертора // Карнавский И.А. № гос. регистрации 2009613526 от 30.06.2009 г.
Остальные публикации 4. Карнавский, И.А. Многоуровневый статический компенсатор реактивной мощности / И.А. Карнавский, М.Н. Слепченков // VII Всероссийская научно техническая конференция "Динамика нелинейных дискретных электротехниче ских и электронных систем". – Чебоксары, 2007. – С. 42 – 46.
5. Карнавский, И.А. Система стабилизации напряжения электротехнического комплекса автономного объекта / С.В. Абрамов, А.А. Иванов, И.А. Карнавский // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. Актуальные проблемы электроэнергетики.
Т.66. – Н.Новгород, 2007. – С. 70–74.
6. Карнавский, И.А. Статические компенсаторы неактивной мощности сис тем импульсного электропитания / В.П. Кириенко, И.А. Карнавский, М.Н. Слеп ченков // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. Актуальные проблемы электроэнерге тики. Т.66. – Н.Новгород, 2007. – С. 120–128.
7. Карнавский, И.А. Высоковольтный корректор коэффициента мощности на базе каскадного многоуровневого преобразователя с ШИМ на ВЧ / Б.Ю. Алтунин, М.Н. Слепченков, И.А. Карнавский // XIII Нижегородская сессия молодых уче ных, секция энергетика. Сб. тезисов докладов. – Н.Новгород, 2008. – С. 135 –36.
8. Карнавский, И.А. Алгоритмы управления инверторным выпрямителем в составе устройства сопряжения системы нетрадиционных источников электро энергии с питающей сетью / А.А. Асабин, М.Н. Слепченков, И.А. Карнавский // Известия АИН им. А.М. Прохорова. – Москва, 2008. – С. 144 – 150.
9. Карнавский, И.А. Корректор неактивной мощности электротехнологиче ских установок на базе многоуровневого инвертора / Б.Ю. Алтунин, И.А. Кар навский, А.В. Тюрина // IX Международная молодежная научно-техническая конференция "Будущее технической науки". Сб. тезисов докладов. – Н.Новгород, 2010. – С. 84–85.
10. Карнавский, И.А. Математическая модель компенсатора неактивной мощности на базе многоуровневого инвертора с зонной ШИМ на высокой часто те / Б.Ю. Алтунин, И.А. Карнавский // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. – Н.Новгород, 2010. №4(83). – С.219–225.
11. Карнавский, И.А. Компенсатор реактивной мощности и мощности иска жений на базе многоуровневого каскадного инвертора. / Б.Ю. Алтунин, И.А.
Карнавский // Труды НГТУ “Актуальные проблемы электроэнергети ки”.Материалы научно-технической конференции.–Н.Новгород, 2010. – С. 5–11.
12. Карнавский, И.А. Имитационная модель системы управления компенса тора реактивной мощности и мощности искажений на базе многоуровневого каскадного инвертора / Б.Ю. Алтунин, И.А. Карнавский // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. – Н.Новгород, 2011. №1(86). С. 204–209.
13. Карнавский, И.А. Модель многоуровневого каскадного инвертора для компенсации реактивной мощности и мощности искажений в сетях с выпрями тельной нагрузкой / А.Б. Лоскутов, Б.Ю. Алтунин, И.А. Карнавский // Problemele energeticii regionale. – Chisinau, 2011. №2(16). С. 33–39.
Личный вклад автора В работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежат: математические и имитационные модели /1, 2, 7, 9, 10, 12, 13/, постановка задачи /2, 4, 8, 11/, обобщение результатов /5, 6/.