Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной из устойчивых тенденций развития промышленных технологий является все более широкое внедрение силовой электроники.
Прогрессирующее внедрение силовой электроники на промышленных предприятиях, в частности в сварочном производстве, на железнодорожном транспорте, судах, в летательных аппаратах, буровых установках и т.п., выдвигает к устройствам силовой электроники особые требования, определяющиеся влиянием последних на качество и параметры питающей сети переменного тока. Значительное увеличение доли силовой электроники приводит к существенным искажениям сетевого напряжения и тока, вызывая отрицательное влияние на питающую сеть. Особенно это имеет важное значение для автономных "коротких" электроэнергосистем судов и кораблей. Отрицательное влияние здесь может быть столь велико, что в некоторых случаях может ставиться под сомнение целесообразность применения устройств силовой электроники.
В этих случаях особенно важной становится достоверная оценка энергетических процессов, происходящих в электрических цепях с несинусоидальными режимами.
Этим вопросам посвящен ряд работ отечественных и зарубежных авторов: Внлесова Д.В., Демпрчяна К.С.,-Джюджи Л., Жаркова Ф.П., Зиновьева Г.С., Кадомского Д.Е., Киреева Ю.Н., Козярука А.Е., Крогериса А.Ф., Маев-ского О.А., Матура P.M., Тонкаль З.Е., Федий B.C., Шидловского А.К. и др.
Работы в этом направлении ведутся достаточно интенсивно как за рубежом, в частности, в специально созданной группе Международной электротехнической комиссии (МЭК), так и в нашей стране, в рамках Научного совета Академии наук "Научные основы электрофизики и электроэнергетики" по теме: "Методические и технические аспекты понятия активной и реактивной мощности".
Актуальность проблемы подтверждает также постоянный интерес к созданию методических основ определения составляющих полной мощности в электрических цепях с несинусоидальнымн током и напряжением, проявляемый международными научными конференциями и симпозиумами ("Проблемы нелинейной электротехники". Всесоюзная научи.-техи. конф. Киев, 1981; "Проблемы нелинейной электротехники". IV-я научи.-техн. конф. Киев, 1992; международный симпозиум "Энергетика-95". Санкт-Петербург, 1995; международный симпозиум "Энергетика-96". Санкт-Петербург, 1996: Midvest symposium on circuits and systems. St. Louis, Missouri. 1988; IF.F.F. Power Winter Mtg., Atlanta 1990 и др.), а также периодически возникающие дискуссии на страницах ведущих научных журналов (Электричество; Изв.
РАН. Энергетика; Изв. высш. учебн. заведений. Энергетика; Electrotechnik; IEEE Trans, lnstrum. Meas.; IEEE Trans. Industry Applicat. и др.).
Представляемая работа является обобщением теоретических и экспериментальных исследований, проводимых под руководством к при непосредственном участии автора в период с 1985 по 2000 гг. в Центре Автоматизации научных исследований и метрологии АН МССР, Институте Энергетики АН РМ, Толья гтинском политехническом институте.
Диссертационная работа выполнялась по теме ГКНТ СССР "Создать и ввести в опытно-промышленную эксплуатацию фазорегулирующий трансформатор для автоматизации управления режимом электрической сеги" (постановление ГКНТ СССР № 142 от 21 мая 1987 года), ряду академических программ и продолжается в настоящее время по г/б НИР № 06534 "Исследование составляющих электрического сопротивления в нелинейных и параметрических электрических цепях и их математическое моделирование".
Цель исследований. Создание строгой методологической основы для определения составляющих полной мощности в электрических цепях с неси-ігусоидальньїми режимами.
Для достижения этой цели поставлены и решены следующие проблемы:
—нахождение выражений для определения неактивных составляющих полной мощности в электрических цепях с периодическими несшгу-соидальными формами токов и напряжений, удовлетворяющих условию выполнения энергетического баланса; —анализ адекватности полученных выражений; —разработка математических моделей составляющих полной мощности, позволяющих получить наиболее точную картину энергетических процессов; —разработка автоматизированных средств энергетического анализа, обеспечивающих эффективный процесс решения энергетических задач; —разработка способов и средств компенсации неактивных составляющих полной мощности нового поколения, с полной компенсацией неактивных составляющих полной мощности. Методы исследований. При решении поставленных в диссертационной работе проблем использовались методы теории электромагнитного поля, линейной алгебры, рядов Фурье, а также элементы программирования.
Научная новизна. В диссертационной работе получены и выносятся на защиту следующие новые научные результаты:
1. Методика для определения составляющих полной мощности в электрических цепях с несинусоидальными режимами, удовлетворяющая условию выполнения энергетического баланса по отдельным составляющим.
-
Выражения для определения реактивной мощности и мощности искажения в электрических цепях с любыми формами периодических тока и напряжения.
-
Теоретические аспекты и методика определения составляющих полной мощности через декомпозицию несинусоидального тока на ортогональные составляющие.
-
Эффективная методика автоматизированного энергетического анализа и прикладное программное обеспечение необходимое для ее реализации.
-
Способ компенсации неактивных составляющих полной мощности, обеспечивающий их полную компенсацию.
Рекомендации по использованию полученных результатов (практическая значимость и реализация'). Полученные расчетные соотношения для определения составляющих полной мощности могут использоваться в качестве рациональных критериев для обеспечения электромагнитной совместимости полупроводниковых преобразователей с питающей сетью требуемого качества.
Разработанную методику автоматизированного энергетического анализа и прикладное программное обеспечение, отличающиеся высокой точностью, низкими затратами машинного времени, простотой реализации, целесообразно использовать для создания микропроцессорных средств измерения составляющих полной мощности, а также средств учета электрической энергии.
Предложенный способ компенсации неактивных составляющих полной мощности позволяет создать принципиально новые статические компенсаторы.
Полученные в диссертационной работе результаты могут быть использованы при разработке новых стандартов на качество электроэнергии, а также при разработке новых тарифов на стоимость электроэнергии.
Основные научные результаты диссертационной работы внедрены в производственный процесс ГП "Октябрьская железная дорога" МПС России для оценки искажений питающего напряжения при работе мощных преобразовательных агрегатов на тяговую нагрузку и выбора мероприятий по улучшению энергетических показателей системы "источник питания - преобразователь - тяговая нагрузка" и могут быть использованы для аналогичной оценки таких же процессов при работе гребных электродвигателей и швартовоя-корных механизмов.
Разработанные математические модели и ачгоритмы для оценки сог ставлягощих полной мощности в электроэнергетических системах с нелинейными элементами используются в ОАО "Ленэнерго" РАО ЕЭС России при разработке универсального блока контроля и учета электроэнергии СЕ 02, предназначенного для измерения показателей качества электрической энергии по ГОСТ 13109-87 и измерения составляющих полной мощности. Использование материалов диссертации повышает эффективность дальнейшей
интеграции телемеханического комплекса "Телеканал-М"' в электроэнергетические системы.
Результаты работы используются в учебном процессе в Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете, а также в Тольяттинском политехническом институте.
Апробация работы. Содержание отдельных разделов и диссертации в целом было доложено на:
—двух конференциях ЛН МССР (Кишинев, 1986, 1989).
—V-ой Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы преобразовательной техники" (Киев, 1991)
-—IV-oii научно- технической конференции "Проблемы нелинейной электротехники" (Киев 1992);
—XV1I1-OM международном конгрессе Романо-Американской академии наук (Кишинев, 1993);
—международной конференции по энергетике СНЕ"94 (Нептун, Румыния, 1994);
—Юбилейной научно-технической конференции (Тольятти, 1997)
—Научно-технической конференции "Проблемы технического управления в региональной энергетике" (Пенза 1998, 1999);
—Ш-ей Международной научно- технической конференции "Математическое моделирование в электротехнике, электронике и электроэнергетике" (Львов, 1999).
Публикации. По теме диссертации опубликованы лично и в соавторстве 36 работ, в том числе научная монография, 13 статей, 12 тезисов докладов на научно-технических конференциях, 8 описаний изобретений, официально зарегистрированная программа для ЭВМ и научно-технический отчет.
Личный вклад. Постановка рассматриваемых вопросов и основные результаты принадлежат лично автору, научные интересы которого формировались в процессе многолетней работы ион руководством лауреата Государственной премии СССР Чалого Г.В. Выражения для оценки составляющих полной мощности получены совместно с А.В. Агуновым. Программное обеспечение реализовано совместно с А.В. Агуновым и при непосредственном участии И.Г". Глобенко.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 141 наименования и четырех приложении. Диссертация изложена на 168 страницах машинописного текста, иллюстрации на 10 страницах.
