Введение к работе
Актуальность работы. Одним из основных требований к энергетическим системам, предъявляемым Постановлением правительства РФ №1006 «Об энергетической стратегии России», является повышение эффективности работы энергосистем, в том числе разработка и внедрение новых энергоустановок с высоким КПД и улучшенными энергетическими характеристиками.
Созданием устройств с компенсацией неактивной мощности (УКНМ), позволяющих повысить пропускную способность и устойчивость электрических сетей, решить вопросы электромагнитной совместимости, интенсивно занимаются практически во всех промышленно развитых странах, справедливо считая, что вкладывают средства в энергетику XXI века. Приоритет в сфере динамической компенсации неактивных мощностей принадлежит России, ведутся разработки на Украине, а мировыми лидерами в создании устройств с компенсацией неактивной мощности являются сегодня США, Япония и Германия, вкладывающие огромное бюджетное финансирование в эти разработки.
Основная масса потребителей электроэнергии в районах, удаленных от мощных источников энергии (тепловых и электростанций), получает электроэнергию от так называемых «слабых» сетей переменного тока, в полном сопротивлении которых преобладает реактивная составляющая. В этом случае перед системой электроснабжения (СЭС) встают следующие проблемы:
колебания величины нагрузки и ее коэффициента мощности вызывают большие отклонения напряжения от номинального значения на приемном конце линии. Понижение напряжения ухудшает работу асинхронных двигателей, осветительных приборов и др.; перенапряжение вызывает насыщение магнитных систем трансформаторов и двигателей и в результате - генерирование в сеть высших гармоник, а также ускоренный выход из строя оборудования из-за перегрева и пробоя изоляции;
большие изменения величины нагрузки и ее коэффициента мощности приводят к лавинообразному снижению (коллапсу) напряжения на приемном конце линии;
циркуляция реактивной мощности в линии приводит к повышению потерь на передачу электроэнергии;
быстрые изменения реактивной мощности и соответствующие изменения напряжения, вызываемые коммутацией отдельных линий и мощных устройств, короткими замыканиями и другими возмущениями, могут приводить к
переходным колебаниям частоты и мощности, а в предельных случаях к полной потере синхронизма и даже распаду энергосистемы.
Решить эти проблемы может динамическая компенсация неактивных составляющих электрической мощности, которая обеспечит:
-
повышение динамической устойчивости;
-
демпфирование колебаний передаваемой мощности;
3. / поддержание оптимального напряжения в линии.
При разработке устройств компенсации необходимо учитывать следующие тенденции в развитии преобразовательной техники:
-
Предпочтение устройств динамической компенсации перед квазиста-ционарными (впервые задача о необходимости такой компенсации поставлена в лаборатории НИЛЭОПС (руководитель - д.т.н., профессор. Зиновьев Г.С.) на кафедре ПЭ НГТУ, г.Новосибирск);
-
Использование «мягких» режимов работы энергозапасающих элементов (т.е. режимов, в которых накопленная энергия используется в основном для обмена ею в процессе генерирования-потребления неактивных составляющих электрической мощности) предпочтительнее с точки зрения массогабаритных показателей по сравнению с «жесткими» (в которых запасенная энергия большей частью используется на поддержание «жесткого» режима, и лишь часть -на обмен);
-
Использование резонансных режимов работы энергозапасающих элементов (ЭЗЭ) силовой части схемы; такие режимы позволяют минимизировать массогабаритные показатели указанных элементов, автоматически поддерживать их режимы работы, обеспечить «мягкие» условия переключения ключевых и вентильных элементов схемы;
-
Повышение рабочей частоты вентильных и ключевых элементов силовой схемы, что позволяет повысить качество формирования выходных сигналов схемы - тока или напряжения, а также уменьшить габариты и массу выходных фильтров преобразовательных устройств;
-
Повышение частоты работы энергозапасающих элементов силовой схемы позволяет, как известно, уменьшить их габариты и массу;
-
Системы с непосредственными преобразователями частоты и естественной коммутацией большой мощности (свыше 100 - 300 кВА) имеют ряд преимуществ по сравнению с иными схемами на основе других силовых элементов: малые удельные массогабаритные показатели, низкая стоимость, способность изменять направление потока мощности, возможность параллельной работы с другими источниками переменного напряжения.
С учетом вышеизложенных тенденций представляются актуальными разработка и исследование статического компенсатора с минимизированным накопительным элементом (НЭ), работающим в резонансном режиме на переменной частоте много большей частоты сети, и, явно компенсирующего произвольные неактивные сосгавляющие электрической мощности в динамических режимах, большой мощности, с плавным регулированием на частоте, большей частоты сети; силовая схема - на основе тиристорного НПЧсЕК.
Исследуются два варианта схемы (с соответствующими системами управления), учитывающие вышеизложенные тенденции в развитии преобразовательной техники:
-
УКНМ с однофазным источником неактивной мощности (ИНМ) (функциональная схема - рис. 1);
-
УКНМ с трехфазным ИНМ (рис. 2);
-
три УКНМ, работающие от общей трехфазной системы ИНМ (рис. 3; схема 2 рассматривается лишь с точки зрения ее преимуществ по сравнению с 3).
При проектировании и расчете этих схем встают следующие проблемы:
-
Сложность анализа процессов вследствие нелинейности и нестационарности процессов, вызванных «мягкостью» источников энергии;
-
Невозможность использования общепринятых систем управления вследствие нелинейности процессов, и как следствие, нарушение линейности характеристики управления устройства;
-
Необходимость минимизации параметров и установленной мощности энергозапасающих элементов схемы с сохранением «мягких» режимов работы;
-
Необходимость создания и поддержания необходимого запаса энергии в ИНМ с «мягким» режимом работы.
Цель работы: анализ электромагнитных процессов и синтез алгоритмов управления устройством компенсации неактивной мощности, состоящим из источника неактивной мощности в виде параллельного резонансного LC-звена или трехфазной системы таких звеньев, преобразователя частоты с естественной коммутацией и выходного фильтра; а также разработка методики расчета их электрических характеристик, позволяющих осуществить выбор элементов силовой схемы и ее параметров в зависимости от области применения.
Методы исследования. При анализе электромагнитных процессов в исследуемых устройствах использовались методы теории электрических цепей, метод ирипасовывания и метод машинного моделирования; кроме того, при расчете параметров системы управления использовались методы регрессионного анализа.
Научная новизна полученных результатов заключается:
в разработке обобщенного алгоритма формирования сигнала задания на выходной ток устройства с компенсацией неактивной мощности, позволяющий УКНМ динамически компенсировать неактивные составляющие электрической мощности - мощности сдвига, мощности искажения, мощности несимметрии, а также обеспечивать режим передачи натуральной мощности ЛЭП;
в разработке алгоритма формирования опорных сигналов, повышающего линейность характеристики управления устройства с однофазным ИНМ до уровня 2-3% от максимального выходного сигнала; в исследовании способов коррекции сигнала задания и опорных сигналов для арккосину-соидального закона управления устройства с трехфазной системой ИНМ, и определении способа, повышающего линейность характеристики управления в 4.9 раза;
в разработке алгоритма формирования сигнала наличия тока для исследуемого УКНМ, позволяющего определить момент окончания тока ПЧ и тока компенсации;
в разработке минимизационных методик выбора параметров энер-гозапасающих элементов УКНМ с одним ИНМ; в результатах сравнения по установленной мощности ИНМ схемы УКНМ с трехфазной системой ИНМ и тремя НПЧ и схемы, содержащей три отдельных УКНМ, каждый с трехфазной системой ИНМ и одним НПЧ с ЕК на фазу, позволяющих обосновать выбор схемы УКНМ в зависимости от параметров энергозанасающих элементов;
в разработке алгоритма управления коррекцией этой мощности при помощи предложенной однотиристорной схемы.
Практическая значимость. В диссертационной работе разработана инженерная методика расчета параметров силовой схемы УКНМ, предложены решения для создания системы управления УКНМ с «мягкими» источниками неактивной мощности; получены номограммы, позволяющие провести минимизанионный выбор элементов силовой схемы УКНМ; предложена принципиальная схема для реализации алгоритма управления устройством импульсного регулирования полной мощности резонансного параллельного CL-звена.
Реализация результатов работы. Алгоритмы управления устройством с компенсацией неактивной электрической мощности и методики его анализа использованы в научно-исследовательских работах по созданию энергоустановок на основе электрохимических генераторов класса мощности 250 квт во Всероссийском федеральном ядерном центре - Всероссийском научно-исследовательском институте экспериментальной физики (ВФ.ЯЦ-ВНИИЭФ, г. Сэров).
Алгоритмы управления преобразователем .частоты и ряд устройств и схемотехнических решений использованы в системе генерирования для ветроэнергетической установки (ВЭУ) «Радуга-1» мощностью 1000 кВт СГЭЭ-1000 совместной разработки МКБ «Радуга» (г.Дубна), АКБ «Якорь» (г.Москва), НТТУ (г.Новосибирск), в АО «Элсиб» (НИИСЭТМ, г. Новосибирск).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (г.Новосибирск, ]992г, 1994г., 1996г., 1998г.), 5-й Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы преобразовательной техники" (Киев, 1991г.), на научно-технических конференциях «Проблемы электротехники» (1993г.) на научных семинарах кафедры промышленной электроники НГТУ.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Содержит 150 стр. основного текста, 77 стр. иллюстраций, 15 таблиц (9 стр.), 140 наименований использованной литературы, 106 стр. приложения и актов внедрения результатов диссертационной работы.
