Повышение качества электроэнергии в электрических сетях современными компенсирующими устройствами Матинян Александр Маратович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1 Качество электроэнергии в электрических сетях и средства его обеспечения 11

1.1 Основные способы нормализации ПКЭ 11

1.2 Управляемые статические компенсирующие устройства, применяемые для улучшения качества электроэнергии 14

1.3 Определение перспективных областей применения мощных высоковольтных АФКУ 25

1.4 Выводы 29

Глава 2 Разработка компьютерных моделей АФКУ на базе многоуровневого ПН и его системы управления 30

2.1 Разработка упрощенной модели и алгоритма управления поперечно подключаемым многоуровневым АФКУ 31

2.2 Разработка подробной модели и алгоритма управления поперечно подключаемым многоуровневым АФКУ схемы «2Y» 33

2.3 Выводы 50

Глава 3 Эффективность применения КУ для улучшения ПКЭ в электрических сетях при постоянной и периодически изменяющейся нагрузке 51

3.1 Выбор мощности КУ. 52

3.2 Эффективность компенсации реактивной мощности и тока обратной последовательности периодически изменяющейся нагрузки 57

3.3 Компенсация фликера 65

3.4 Компенсация токов высших гармоник с помощью АФКУ 72

3.5 Выводы и рекомендации з

Глава 4 Эффективность СТК и АФКУ при компенсации токов ДСП 81

4.1 Тестовая схема. 81

4.2 Компенсация реактивной мощности и токов обратной последовательности ДСП 85

4.3 Компенсация фликера 89

4.4 Влияние КУ на спектр сетевого тока при работе ДСП 95

4.5 Выводы и рекомендации 97

Заключение 99

Список использованных сокращений и обозначений 102

Список литературы

• Управляемые статические компенсирующие устройства, применяемые для улучшения качества электроэнергии
• Разработка подробной модели и алгоритма управления поперечно подключаемым многоуровневым АФКУ схемы «2Y»
• Эффективность компенсации реактивной мощности и тока обратной последовательности периодически изменяющейся нагрузки
• Компенсация реактивной мощности и токов обратной последовательности ДСП

Введение к работе

Актуальность работы. В энергосистеме России существуют мощные нелинейные, несимметричные и/или резкопеременные потребители, питающиеся от сети с относительно малым током короткого замыкания (КЗ). Примерами таких потребителей являются металлургические предприятия с дуговыми сталеплавильными печами (ДСП) и тяговые подстанции железных дорог. Показатели качества электроэнергии (ПКЭ) на электрически близких к этим потребителям подстанциях могут не удовлетворять требованиям ГОСТ, что приводит к снижению выработки или браку продукции, уменьшению срока службы или порче технологического оборудования и другим последствиям, приводящим в конечном итоге к экономическим убыткам как виновников искажений ПКЭ, так и смежных с ними потребителей. Например, из-за низкого качества электроэнергии на подстанции 220 кВ Сковородино, питающей тяговую подстанцию Транссибирской железнодорожной магистрали и нефтеперекачивающую станцию НПС-21 нефтепровода «Восточная Сибирь -Тихий океан» периодически происходят отказы технологического оборудования на нефтеперекачивающей станции. Для обеспечения требуемого качества электроэнергии в электрических сетях питающих нелинейные, несимметричные или другие виды искажающих нагрузок может потребоваться применение специальных компенсирующих устройств.

С 1970-х годов для симметрирования тяговой нагрузки железных дорог, уменьшения фликера, вызванного работой дуговых сталеплавильных печей, и в ряде других задач применяются статические тиристорные компенсаторы (СТК) – компенсирующие устройства, выполненные на базе тиристорных силовых ключей. Развитие силовой электроники привело к созданию активных фильтров (АФ), использующих полностью управляемые транзисторные силовые ключи и обладающих рядом преимуществ по сравнению с СТК. В отличие от СТК, регулирующего ток только по первой гармонике, АФ (за счет большего быстродействия) способен работать в режиме источника тока, что позволяет использовать его для компенсации всех неактивных составляющих токов нагрузки.

АФ были предложены в 70-х годах, однако, до 2000-х годов в мире выпускались только низковольтные устройства мощностью до нескольких Мвар.

Создание мощных высоковольтных АФ для симметрирования тяговой нагрузки и компенсации токов ДСП стало возможным с появлением новых схем преобразователей напряжения (ПН). В настоящее время «Сименс» и другие компании выпускаются мощные АФ среднего класса напряжения, выполненные на базе модульных многоуровневых ПН со схемой соединения фаз в треугольник. Существуют и другие схемы соединения фаз модульных многоуровневых ПН, в частности схема соединения в две звезды, которая предпочтительнее в устройствах более высокого класса напряжения. В настоящее время данная схема используется в передачах постоянного тока, однако, при модернизации ее системы управления она может применяться и для создания АФ. Преимущества данной схемы по сравнению со схемами соединения фаз в треугольник или в звезду заключаются в том, что она потенциально может быть использована во всех типах АФ (подключаемых продольно/поперечно и продольно-поперечно), а также в различных устройствах с накопителями энергии.

Большой вклад в решение проблем качества электроэнергии внесли Жежеленко И.В., Шидловский А.К., Железко Ю.С., Карташев И.И. и др. Применению управляемых статических КУ, предназначенных для нормализации ПКЭ, посвящены работы Akagi H., Кочкина В.И., Нечаева О.П., Розанова Ю.К. и др. Разработке модульных многоуровневых преобразователей напряжения посвящены многие работы, в частности Marquardt R., Lesnicar A., Карнавского И.А., Гусева С.И. и др. Однако, нерешенными остаются следующие актуальные проблемы: недостаточно исследованы режимы работы АФ, использующего модульный многоуровневый ПН со схемой соединения фаз в две звезды; отсутствуют методики оценки технической эффективности использования данного АФ для нормализации показателей качества электроэнергии в электрических сетях; отсутствует сравнение перспективного типа компенсирующего устройства (АФ с модульным многоуровневым ПН со схемой соединения фаз в две звезды) с СТК, традиционно применяемым для симметрирования тяговой нагрузки и компенсации токов ДСП.

Цель и задачи диссертации. Целью диссертации является разработка рекомендаций по применению активного фильтрокомпенсирующего устройства, выполненного на базе модульного многоуровневого преобразователя напряжения со схемой соединения фаз в две параллельные звезды и использующего

полумостовые модули (далее АФКУ), для повышения качества электроэнергии в электрических сетях.

Для достижения поставленной цели предполагается решение следующих задач:

1. разработка компьютерных моделей и алгоритмов управления АФКУ;

2. исследование с помощью разработанных компьютерных моделей процессов в электрических сетях при использовании АФКУ для повышения качества электроэнергии;

3. исследование процессов в электрических сетях при использовании СТК как альтернативного технического решения для повышения качества электроэнергии;

4. получение аналитических зависимостей критериев эффективности работы АФКУ и СТК от их параметров.

Достоверность научных положений. Достоверность теоретических результатов обеспечивается строгими аналитическими выводами с использованием основных положений теоретической электротехники и математического анализа. Достоверность компьютерного моделирования обеспечивается использованием апробированного и широко применяемого в научной и инженерной практике программного обеспечения.

Научная новизна результатов диссертационной работы состоит в следующем:

5. разработан алгоритм регулирования АФКУ;

6. получена аналитическая зависимость коэффициента ослабления фликера от параметров сети, нагрузки и передаточной функции АФКУ и СТК;

7. получена численная зависимость коэффициента ослабления фликера от параметров сети, нагрузки и АФКУ;

8. получены аналитические и численные зависимости коэффициентов ослабления высших гармоник токов при компенсации нелинейной нагрузки с помощью АФКУ, учитывающие запаздывание, присущее системе управления;

9. получены аналитические выражения для определения минимальной мощности АФКУ, необходимой для одновременной компенсации реактивного тока нагрузки и тока обратной последовательности;

10. получены аналитические выражения для определения минимальных мощностей тиристорно-реакторной группы и фильтрокомпенсирующего

устройства СТК, необходимых для гарантированной одновременной компенсации реактивного тока нагрузки и тока обратной последовательности.

Практическая ценность результатов. Разработанные модели АФКУ могут быть использованы проектными организациями для выбора его мощности. Разработанные алгоритмы регулирования могут быть использованы при создании системы управления АФКУ.

Разработанные рекомендации могут быть использованы проектными организациями при технико-экономическом обосновании применения АФКУ в эксплуатируемых либо создаваемых электрических сетях.

Полученные для СТК зависимости эффективности ослабления фликера от параметров сети и нагрузки, а также предложенный алгоритм выбора мощности СТК для гарантированной одновременной компенсации заданного реактивного тока и тока обратной последовательности могут быть использованы проектными организациями при технико-экономическом обосновании применения СТК в эксплуатируемых либо создаваемых электрических сетях.

Апробация и внедрение результатов. Основные положения и результаты диссертации докладывались автором и обсуждались на 17-й международной научно-технической и практической конференции «Интеллектуальная электроэнергетика, автоматика, высоковольтное управляемое и коммутационное оборудование» (г. Москва, 12-13 ноября 2013г).

На основании результатов исследований, изложенных в данной диссертации, для Центра высоковольтной преобразовательной техники ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» разработаны «Рекомендации по применению АФКУ и СТК для повышения качества электроэнергии в электрических сетях». Разработанные модели АФКУ и алгоритмы использованы при создании физического макета АФКУ мощностью 15 квар компанией ООО «НПЦ «САУРУС ЭНЕРГО».

Список публикаций. По теме диссертации опубликованы 3 печатные работы в изданиях из перечня рецензируемых научных журналов для публикации основных научных результатов диссертаций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из четырех глав, введения, заключения, списка использованных сокращений и обозначений, библиографического списка и 6 приложений. Объем работы составляет 134 страницы.

Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся результаты работы, составляющие научную новизну и относящиеся к специальности «Электрические станции и электроэнергетические системы» в части пункта «Разработка методов контроля и анализа качества электроэнергии и мер по его обеспечению»:

11. аналитические выражения для определения минимальной мощности АФКУ, необходимой для одновременной компенсации реактивного тока нагрузки и тока обратной последовательности;

12. аналитические выражения для определения минимальных мощностей тиристорно-реакторной группы и фильтрокомпенсирующего устройства СТК, необходимых для гарантированной одновременной компенсации реактивного тока нагрузки и тока обратной последовательности;

13. аналитические и численные зависимости коэффициентов ослабления высших гармоник токов при компенсации нелинейной нагрузки с помощью АФКУ, учитывающие запаздывание, присущее системе управления;

14. аналитическая зависимость коэффициента ослабления фликера от параметров сети, нагрузки и передаточной функции компенсирующего устройства;

15. численная зависимость коэффициентов ослабления фликера от параметров сети, нагрузки и АФКУ.

Управляемые статические компенсирующие устройства, применяемые для улучшения качества электроэнергии

Блок-схема РБЭП приведена на рисунке 2.6, где Звено 1 - определяет WAa, WAb и WAc по измеренным напряжениям в соответствии с уравнениями (2.25), Звено 2 - фильтр нижних частот, заданный уравнениями (2.26), Звено 3 - ПИ регулятор, заданный уравнениями (2.27) и Звено 4 - реализует преобразования (2.28). Регуляторы РБЭФ и РБЭП полностью определяют lda, ldb и ldc - уставки «внутренних» токов ПН: (Id.a = Id.a.l d.a.2 %.ъ = id.b.i + id.b.2, (2.29) ld.c = ld.c.l + ld.c.2 Регулирование суммарной энергии конденсаторов ПН. Регуляторы РБЭФ и РБЭП не влияют на величину Wz суммарной энергии ПН. Слежение за уставкой Wf возможно с помощью регулирования линейных токов АФКУ. Будем считать, что напряжение в точке присоединения АФКУ близко к симметричному и синусоидальному, тогда очевидно, что регулятор суммарной энергии может быть синтезирован в следующем виде:

I Wbj(0 = -H?=i Ufjt), j = {ар, an, bp, bn, cp, en) Wb(t) = И ар + И ап + И ьр + Wz bn + Wj + И сп Wz(t) = l/TSlTWz(T)dT, Iw(t) = Kpxffi (t) - Wr) + KIJL І (Щ (T) - Wr)dx Iwaii) = /W(t)sin(0), iwb(t) = Iw(t)sin(9 - 2/3n), iwc(t) = /w(t)sin(0 - 4/3 7Г), (2.30) (2.31) (2.32) (2.33) (2.34) где T - период промышленной частоты, KPZ и KIZ - коэффициенты пропорционального и интегрального каналов соответственно, в - фаза сетевого напряжения прямой последовательности, определяемая блоком ФАПЧ (Приложение А). Схема регулятора суммарной энергии ПН (РЭС) представлена на рисунке 2.7, где Звено 1 описывается уравнениями (2.30)-(2.32), Звено 2 -уравнением (2.33), а Звено 3 - уравнением (2.34).

Регуляторы токов. Регулирование токов в ПН может быть реализовано двумя принципиально разными способами. Первый способ предполагает использование гистерезисной токовой ШИМ, обеспечивающей гарантированную точность слежения за уставкой тока в широком диапазоне частот [28]. Однако, данный способ не может быть использован для управления мощными ПН из-за неприемлемо больших коммутационных потерь в транзисторных ключах и сложности реализации алгоритмов для многоуровневых схем ПН, поэтому в данной работе использован второй подход - управление током с помощью регулирования напряжения.

Блок-схема регулятора линейных токов представлена на рисунке 2.8, где Звено 1 задано уравнениями (2.35), Звено 2 - уравнениями (2.40), Звено 3 -уравнениями (2.39), Звено 4 - уравнениями (2.38), Звено 5 - уравнениями (2.37) и Звено 6 - уравнениями (2.41). Рисунок 2.8 - Блок-схема РЛТ Аналогично задается регулятор «внутренних» токов (РВТ):

Модуляция уставки напряжения и балансирование энергии между модулями плеча. В ПН регулирование величин еу осуществляется с помощью напряжений определяются широтно-импульсной модуляции. Уставки уравнениями: Р = еср — (-ёк.а ёа.а + udc)/2, ( ёк.ь - ё±ь + udc)/2, ( ёк.с ёа.с + Щс)/2, (+ёк.а ёа.а udc)/2, (+ёкЬ - edb - udc)/2, (+ёк.с ёа.с udc)/2, (2.46) где udc - уставка напряжения между полюсами. В силу того, что модули выполнены на полумостах и могут формировать на своих зажимах только неотрицательное напряжение, необходимым условием реализуемости управления является условие: где Um - амплитуда фазного напряжения в точке присоединения ПН. Для многоуровневых ПН существуют различные алгоритмы ШИМ. В данной работе используется модуляция со сдвигов фаз несущих (phase shifted PWM), обеспечивающая постоянное и одинаковое для всех модулей количество коммутаций транзисторов. Данный вид ШИМ предполагает, что для каждого плеча генерируются N (по количеству модулей в плече) опорных пилообразных сигналов, сдвинутых друг относительно друга по фазе, как показано на рисунке 2.10. где ej - уставка напряжения плеча, N - количество модулей в плече, Кт -коэффициент усиления канала балансирования энергии, uJk - напряжение конденсатора k-го модуля j-го плеча, ц - ток j-го плеча. Второе слагаемое в (2.49) обеспечивает балансирование энергии между модулями одного плеча за счет изменения времени заряжания конденсатора током плеча. Состояние Sjmk к-го модуля j-ro плеча определяется:

Разработаны две модели АФКУ: упрощенная и подробная. Упрощенная модель учитывает алгоритм фильтрации токов нагрузки, но не учитывает структуру ПН. АФКУ реализует принцип компенсации, то есть работает без обратной связи по суммарному току нагрузки и АФКУ. Среди трех основных известных стратегий управления активными фильтрами выбрана стратегия, обеспечивающая нормализацию ПКЭ в сетях за счет фильтрации токов высших гармоник и симметрирования нагрузки.

Подробная модель АФКУ учитывает структуру ПН, в качестве которого выбран модульный многоуровневый преобразователь схемы «2Y». Подробная модель дополнена следующими алгоритмами управления ПН: балансирования энергии конденсаторов, регулирования токов плечей, ШИМ.

Разработаны алгоритмы балансирования энергии, позволяющие осуществлять: независимое регулирование баланса энергии фаз, баланса энергии плечей фазы, равное распределение суммарной энергии конденсаторов плеча между модулями.

Алгоритмы регулирования токов позволяют осуществлять независимое управление линейными и «внутренними» токами ПН. Выбран алгоритм ШИМ, обеспечивающий постоянное и одинаковое для всех модулей количество коммутаций транзисторов. Глава 3 Эффективность применения КУ для улучшения ПКЭ в электрических сетях при постоянной и периодически изменяющейся нагрузке В данной главе сравниваются эффективности применения СТК и АФКУ для компенсации реактивной мощности нагрузки, компенсации несимметрии тока нагрузки и уменьшения фликера, а также рассмотрена компенсация токов высших гармоник с помощью АФКУ. Предложен алгоритм выбора минимально необходимой мощности КУ для одновременной компенсации реактивной мощности и токов обратной последовательности. Рассмотрено влияние переменного характера нагрузки на эффективность работы КУ. Проверена допустимость использования упрощенной модели АФКУ при расчете ПКЭ.

ПКЭ зависят не только от характеристик нагрузки и КУ, но и от параметров сети. Для корректного сравнения эффективности КУ необходимо ввести показатели, не зависящие от параметров сети. Поскольку в данной работе рассматривается только один подход к нормализации ПКЭ - компенсации токов, то эффективность работы КУ будем характеризовать коэффициентами:

Разработка подробной модели и алгоритма управления поперечно подключаемым многоуровневым АФКУ схемы «2Y»

Для исследования работы КУ, подключенного параллельно с ДСП, используется тестовая схема. Основными параметрами сети, влияющими на величину отклонения напряжения, несимметрию напряжения и фликер, являются мощность КЗ и добротность сети. Несинусоидальность напряжения зависит от частотной характеристики сети, которая определяется не только схемой и параметрами элементов сети, но и составом нагрузки. В силу того, что моделирование частотной характеристики сети в общем случае не возможно, будем рассматривать в дальнейшем простейший случай - сеть моделируется источником напряжения за сопротивлением. ДСП и КУ подключены к сети через общий трансформатор. Структура тестовой схемы представлена на рисунке 4.2, где Еа, Еъ и Ес - источники напряжения; Rcn Lc– эквивалентные активное сопротивление и индуктивность сети; LT - индуктивность рассеяния трансформатора; ип,а,ип,ьиип,с - мгновенные значения фазного напряжения в точке общего присоединения; иа,щиис - мгновенные значения фазного напряжения в точке присоединения ДСП и КУ; іка, iKb и ікс - мгновенные значения тока КУ; iHa, iHb и інс - мгновенные значения тока ДСП; ica, icb и icc мгновенные значения суммарных токов ДСП и КУ.

ПКЭ зависят от соотношения мощности нагрузки к мощности КЗ в точке общего присоединения, но не от их абсолютных значений, поэтому параметры в тестовой схеме заданы в относительных единицах. Базисное сопротивление Хб определяется выражением: н омЛном, ние в то Хб = U2 ном 10,5%. где UH0M - номинальное напряжение в точке общего подключения, номинальная мощность ДСП. Сопротивление трансформатора Хт = Активное сопротивление Re и индуктивное сопротивление X сети изменяются в пределах от 1% до 4%.

Моделирование ДСП возможно в рамках двух принципиально разных подходов. Первый предполагает описание сопротивления дуги стохастическими аналитическими зависимостями, второй - моделирование нагрузки управляемым источником тока, величина которого соответствует осциллограммам мгновенных значений тока нагрузки. В данной главе применяется второй подход, поскольку общепринятой аналитической модели на настоящий момент не существует, а осциллограммы тока ДСП имеются. Для выбора мощности КУ построим область режимов работы печи. Разобьем осциллограмму тока ДСП на интервалы по 20 мс. Обозначим амплитуду реактивного тока и тока обратной последовательности на п-ом интервале 1рт(п), І2т(гі) соответственно. Для каждой пары /ртп(п), І2т(гі) найдем мощности S%$}(n\ S$?(n) и S y(n) по формулам (3.4), (3.5) и (3.15) соответственно. Величины минимально необходимой мощности ФКУ 5ФКУ, минимально необходимой мощности ТРГ 5ФКУ и минимально необходимой мощности ТРГ 5АФКУ определяются выражениями:

Для модельного режима работы ДСП мощности 5ФКУ, 5 РГ и 5дфку составляют 130%, 200% и 90% соответственно, где базисная величина равна номинальной мощности ДСП.

На рисунке 4.3 красным цветом показана граница области допустимых режимов работы СТК, зеленым - АФКУ. Пары (-/pm(n),/2m(n)) n-го интервала токов ДСП обозначены синим цветом. Очевидно, что в данной модели ДСП мощность обоих КУ определяется интервалом, в котором реактивный ток 1 т = 0,3, а ток обратной последовательности llm = 0,5. Данная точка на плоскости соответствует режиму, когда какая-либо из трех дуг в печи погасла.

Тестовая схема приведена на рисунке 4.2. Источник тока, моделирующий нагрузку, воспроизводит замеры тока ДСП, соответствующие проплавлению первых колодцев в шихте, то есть на начальной стадии технологического цикла, для которой характерны частые погасания и повторные зажигания дуг, изменение амплитуды и фазы потребляемого печью тока. Использованы 3 замера длительностью по 10 секунд. Частота дискретизации сигналов - 20 кГц. Средняя величина cos( p) равна 0,8, а средняя величина тока обратной последовательности равна 0,2 о.е. Структура модели СТК описана в параграфе 2 главы 1. Номинальное сопротивление реакторов ТРГ - 1,5 о.е.; номинальная мощность фильтра 2-й гармоники - 0,33 о.е; добротность фильтра 2-й гармоники - 15; тип фильтра -широкополосный «С»-типа; номинальная мощность фильтра 3-й гармоники - 0,33 о.е; добротность фильтра 3-й гармоники - 100; тип фильтра - узкополосный; мощность, добротность и тип фильтров 4-й и 5-й гармоник те же, такие же, как у фильтра 3-й гармоники.

Структура моделей АФКУ описана в главе 2. Номинальное сопротивление реакторов - 0,4 о.е.; количество уровней N -18 шт.; номинальное напряжение между полюсами - 2,5 о.е.; номинальная запасенная в конденсаторах энергия -0,035АФКУ; параметры настройки системы регулирования АФКУ приведены в приложении В.

Эффективность компенсации реактивной мощности и тока обратной последовательности периодически изменяющейся нагрузки

Для рассмотренной модели ДСП рассчитаны величины минимально необходимой мощности КУ, необходимой для компенсации реактивной мощности и тока обратной последовательности. Установлено, что минимальная необходимая мощность АФКУ составляет 90% мощности ДСП, мощность ТРГ составляет 200% мощности ДСП, а мощность ФКУ составляет 130% мощности ДСП.

Показано, что АФКУ компенсирует резкопеременный реактивный ток ДСП на 20% эффективнее, а ток обратной последовательности на 30% эффективнее, чем СТК. Установлено, что при замене подробной модели АФКУ на упрощенную, погрешность определения коэффициентов 77ри т]2 составляет не более 1% при условии, что мощность АФКУ не меньше, чем минимально необходимая. Для различных соотношений мощности КЗ к мощности ДСП при различных добротностях сети найдены зависимости коэффициента ослабления фликера /соф от степени компенсации кск. Зависимости k0 (kCK), полученные на подробной и упрощенной моделях АФКУ, совпадают с точностью 4%. С увеличением добротности от 1 до 10 отношение эффективности АФКУ к эффективности СТК возрастает от 4 до 11. Для выбора мощности КУ по требуемой величине ослабления фликера при отсутствии замеров тока ДСП допустимо использовать номограммы, приведенные на рисунках 4.7-4.14. При наличии замеров тока ДСП, расчет должен быть уточнен с помощью компьютерного моделирования.

Установлено, что АФКУ уменьшает локальные максимумы плотности спектра токов ДСП, локализованные на частотах 100, 150 и 250 Гц в 2-8 раз лучше, чем СТК. При установке СТК параллельно с ДСП в спектре суммарных токов КУ и нагрузки дополнительно появляются новые локальные максимумы. Искажения формы тока на частотах, соответствующих нечетным гармоникам, обусловлены работой ТРГ. Интергармонические составляющие обусловлены переходными процессами в цепях ФКУ, возбуждаемыми переходными процессами в ДСП. Погрешность определения плотности спектра суммарных токов ДСП и АФКУ, связанная с заменой подробной модели КУ на упрощенную не превышает 20%. Заключение

В результате диссертационного исследования разработаны рекомендации по применению статического тиристорного компенсатора и активного фильтрокомпенсирующего устройства, выполненного на базе модульного многоуровневого преобразователя напряжения со схемой соединения фаз в две параллельные звезды и использующего полумостовые модули, для повышения качества электроэнергии в электрических сетях.

Разработаны алгоритмы регулирования активным фильтрокомпенсирующим устройством, выполненным на базе модульного многоуровневого преобразователя напряжения со схемой соединения фаз в две параллельные звезды и использующего полумостовые модули. Данные алгоритмы позволяют регулировать токи во всех плечах используемого преобразователя напряжения, регулировать напряжения на всех модулях, обеспечивают постоянное и одинаковое для всех модулей количество коммутаций транзисторных ключей. Выбранный закон регулирования линейных токов обеспечивает повышение качества электроэнергии за счет фильтрации токов высших гармоник и симметрирования нагрузки.

Проведены исследования процессов в электрических сетях при использовании активного фильтрокомпенсирующего устройства, выполненного на базе модульного многоуровневого преобразователя напряжения со схемой соединения фаз в две параллельные звезды и использующего полумостовые модули, для повышения качества электроэнергии. В результате компьютерного моделирования получены зависимости коэффициента ослабления фликера от параметров сети, нагрузки и активного фильтрокомпенсирующего устройства с модульным многоуровневым преобразователем напряжения схемы «две параллельно подключенные звезды с полумостовыми модулями». Показано, что при исследовании компенсации высших гармоник тока с помощью АФКУ необходимо дополнительно учитывать запаздывание, присущее системе управления. Показано, что принцип суперпозиции при оценке эффективности компенсации высших гармоник тока с помощью АФКУ не применим. Проведены исследования процессов в электрических сетях при использовании статического тиристорного компенсатора, как альтернативного технического решения, для повышения качества электроэнергии. В результате компьютерного моделирования получены зависимости коэффициента ослабления фликера от параметров сети, нагрузки и СТК. Показано, что установка пассивных фильтров или конденсаторных батарей приводит к увеличению фликера в точке общего присоединения. Показано, что в ряде случаев зависимость эффективности компенсации фликера от степени компенсации не монотонна и увеличение мощности СТК может приводить к снижению эффективности подавления фликера. Показано, что АФКУ обеспечивает в 2-5 раз большее, чем СТК, ослабление фликера, вызванного работой рассмотренной дуговой сталеплавильной печи.

Получены аналитические зависимости критериев эффективности работы АФКУ и СТК от их параметров. Для случая симметричной гармонически изменяющейся реактивной нагрузки получена аналитическая зависимость коэффициента ослабления фликера от параметров сети, нагрузки и передаточной функции компенсирующего устройства. Показано, что для АФКУ полученные аналитические зависимости коэффициента ослабления фликера согласуются с результатами компьютерного моделирования при частоте не более 8,8 Гц, соответствующей наибольшей восприимчивости глаза к фликеру. Показано, что для СТК полученные аналитические зависимости коэффициента ослабления фликера согласуются с результатами компьютерного моделирования в нижнем диапазоне частот от 0 до 5 Гц.

Получена аналитическая зависимость эффективности компенсации высших гармоник тока от параметров системы управления АФКУ. Показано, что полученные аналитические зависимости удовлетворительно согласуются с результатами компьютерного моделирования.

Получены аналитические выражения для определения минимальных мощностей тиристорно-реакторной группы и фильтрокомпенсирующего устройства статического тиристорного компенсатора, необходимых для гарантированной одновременной компенсации реактивного тока нагрузки и тока обратной последовательности. Получено аналитическое выражение для определения минимальной мощности активного фильтрокомпенсирующего устройства (с модульным многоуровневым преобразователем напряжения «две параллельно подключенные звезды с полумостовыми модулями»), необходимой для одновременной компенсации реактивного тока нагрузки и тока обратной последовательности. Показано, что в зависимости от соотношения параметров преобразователя напряжения АФКУ, максимальная величина гарантированно достижимого тока обратной последовательности находится в диапазоне от 66% до 100% от максимально достижимой величины реактивного тока прямой последовательности. Показано, что АФКУ позволяет генерировать ток обратной последовательности в, как минимум, 1,3 раза больший, чем СТК при одинаковом диапазоне регулирования реактивного тока по прямой последовательности.

На основании результатов исследований, изложенных в данной диссертации, для Центра высоковольтной преобразовательной техники ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» разработаны «Рекомендации по применению АФКУ и СТК для повышения качества электроэнергии в электрических сетях» (Приложение Д). Разработанные алгоритмы регулирования активным фильтрокомпенсирующим устройством, выполненным на базе модульного многоуровневого преобразователя напряжения со схемой соединения фаз в две параллельные звезды и использующего полумостовые модули, использованы при создании физического макета АФКУ мощностью 15 квар компанией ООО «НПЦ «САУРУС ЭНЕРГО».

Компенсация реактивной мощности и токов обратной последовательности ДСП

Спектр токов ітрг.аь(0, ТРГ.ЬС(0, трг.са(0 содержит высшие гармоники. Для их компенсации параллельно с управляемой частью СТК подключают пассивные фильтры. Наиболее часто используемые типы фильтров -узкополосный, широкополосный и фильтр «С» типа. Узкополосный фильтр состоит из последовательно соединенных конденсатора С, реактора L и резистора R (рисунок 1.4а). Добротность узкополосных фильтров обычно высокая (порядка 100), а потери не велики. Использование нескольких узкополосных фильтров приводит к появлению полюсов между нулями в частотной характеристике группы фильтров. Избежать этого можно, если обеспечить малое сопротивление фильтра в широком спектре частот. Для этого используют широкополосные фильтры, схема которых приведена на рисунке 1.4б. Параллельное включение демпфирующего резистора R и реактора L обеспечивает широкую полосу пропускания, но и большие потери по сравнению с узкополосным. Для уменьшения потерь иногда применяют фильтр «С» типа (рисунок 1.4в). Параллельно резистору R подключают цепь, состоящую из конденсатора С1 и реактора L, настроенную на резонанс на номинальной частоте сети. Величина тока первой гармоники определяется емкостью С2. Однако в силу технико-экономических ограничений данные фильтры обычно применяются для фильтрации гармоник не высокого порядка (2 или 3).

Схемы пассивных фильтров Состав фильтров, применяемых в СТК, определяется спектрами токов не только ТРГ, но и нагрузки. При работе ТРГ в симметричном режиме, спектр его линейных токов содержит только нечетные гармоники не кратные 3, а при работе в несимметричном - все нечетные. Спектр токов нагрузки может быть как дискретным, так и непрерывным. Дискретный спектр характерен для электролизных выпрямителей, тяговых подстанций и других нагрузок, использующих тиристорные преобразователи. Непрерывный спектр характерен для ДСП, поэтому в применяемых на металлургических предприятиях СТК цепи ФКУ могут быть настроены на гармоники близкие к максимумам плотности спектра тока нагрузки, например на 2-ю, 3-ю, 4-ю и 5-ю.

АФКУ. Изначально под термином активный фильтр понимался ПН, подключенный параллельно нагрузке и выполнявший функцию фильтрации токов высших гармоник. В настоящее время под этим термином понимают группу устройств, различающихся по способу подключения, типу используемого преобразователя, функциям и алгоритмам регулирования, но имеющих общее свойство - использование полностью управляемых полупроводниковых силовых ключей.

На рисунке 1.5 приведены схемы подключения АФ, где ін - ток нагрузки, ік - ток поперечно подключаемого КУ, іл - ток, потребляемый из сети, ин -напряжение в точке присоединения нагрузки, ил - напряжение в точке подключения к сети, вентильная часть ПН условно изображена транзистором и диодом, сериесный трансформатор обозначен TU, а фазный реактор и конденсатор цепи постоянного тока обозначены LnH и Cdc соответственно. Рисунок 1.5 – Эквивалентные однофазные схемы подключения АФ

На рисунке 1.5 а) показана схема поперечного подключения АФ, в которой реализуется принцип компенсации токов, описанный в параграфе 1.1. Из всех представленных схем подключения АФ только в данной схеме принципиально возможно использование преобразователя тока вместо ПН. Однако, в настоящий момент промышленно выпускаемые АФКУ выполнены на базе ПН [34]. На рисунке 1.5 б) показана схема продольного подключения АФКУ, позволяющая реализовать два типа компенсации: динамическую компенсацию искажений напряжения и фильтрацию токов высших гармоник нагрузки. Первый тип описан в параграфе 1.1, второй подразумевает создание с помощью ПН и трансформатора TV фильтра «пробки» для высших гармоник тока, которые шунтируются пассивным фильтром, состоящим из реактора L и конденсатора С. В данной схеме обеспечивается широкополосная фильтрация высших гармоник вне зависимости от частотной характеристики пассивного фильтра. Недостатком такого подхода является искажение формы напряжения ин, что противоречит цели -нормализации ПКЭ в точке присоединения нагрузки. На рисунке 1.5 в) представлена схема подключения продольно-поперечного АФ, которая позволяет осуществлять одновременно компенсацию токов и искажений напряжения. Данный тип АФ имеет ту же структуру, что и объединенный регулятор перетоков мощности (ОРМП), но отличается алгоритмами управления. Применение продольно и поперечно подключаемых типов АФ подробно разобрано в [23, 34], аналитический обзор продольно-поперечно подключаемых АФ приведен в [46].

В настоящей работе рассматривается только поперечно подключаемый АФ на базе преобразователя напряжения, выполняющий функции фильтрации токов высших гармоник, токов обратной последовательности и реактивного тока нагрузки, поэтому будем называть его активным фильтрокомпенсирующим устройством.

В состав данного типа ПН входит один емкостной накопитель энергии, условно разделенный точкой N на два одинаковых конденсатора С, и шесть силовых вентилей, состоящих из транзисторов TV и обратных диодов DV ПН позволяет формировать мгновенные значения фазных напряжений двух уровней: +[/dc/2 и — t/dc/2. ПН, работающий в режиме источника тока, управляемого напряжением, использует алгоритмы широтно-импульсной модуляции. Параметры ШИМ (способ модуляции, частота несущей) определяют точность слежения за уставками токов. С ростом частоты переключений снижаются высшие гармоники тока, эмиссируемые ПН, улучшается точность слежения за уставками тока, но при этом и растут коммутационные потери в силовых ключах. Связанный с этим нагрев полупроводниковых структур в мощных ПН становится фактором, ограничивающим рост частоты переключений. В частности, по этой причине долгое время выпускались маломощные низковольтные АФКУ. Кроме того, применение высоковольтных вентилей связано с необходимостью последовательного соединения силовых модулей, использованием специальных транзисторов и создания сложных транзисторных драйверов. Большее количество уровней позволяет получать требуемую точность слежения за уставками токов при меньшем количестве переключений транзисторов. На рисунке 1.7 представлена широко распространенная схема трехуровневого преобразователя с привязкой средней точки через диоды. В состав данного типа ПН входят два емкостных накопителя энергии С, шесть диодов (DV5, DV6, DV11, DV12, DV17 и DV18) и двенадцать силовых вентилей, состоящих из транзисторов (ТV1, ТV2, ТV 3, ТV4, ТV7, ТV8, ТV9, ТV 10, ТV13, ТV14, ТV15 и ТV16) и обратных диодов (DV1, DV2, DV3, DV4, DV7, DV8, DV9, DV10, DV13, DV14, DV15 и DV16). ПН позволяет формировать мгновенные значения фазных напряжений трех уровней: +f/dc/2, 0 и -Udc/2.