Введение к работе
Актуальность: Электротехнический комплекс систем транспортировки газа мощностью от нескольких мегаватт до десятков мегаватт включает высокоскоростной газоперекачивающий агрегат (ГПА), привод, систему электроснабжения, систему управления. В связи с необходимостью снижения потерь энергии, повышения точности управления агрегатами, снижения выбросов вредных веществ актуальным является переход от газотурбинных приводов ГПА к частотно-регулируемому высоковольтному (ВВ) электроприводу. Реализация преимуществ частотно-регулируемых приводов (ЧРП) зависит от структуры и характеристик преобразователей частоты (ПЧ), которые предопределяют гармонический состав напряжения и тока в обмотках приводного двигателя, потери в меди и стали, пульсации электромагнитного момента, а также влияние привода на сеть. В связи с ограниченными значениями рабочих напряжений быстродействующих элементов силовой электроники ВВ преобразователи должны выполняться по многоуровневым схемам. Наиболее перспективной является структура на IGBT/IGCT модулях и переключаемых (плавающих) конденсаторах. Эту структуру отличает отсутствие фиксирующих диодов, равномерное распределение потерь в элементах, возможность непосредственного подключения к сети без согласующего трансформатора через обратный инвертор и др. Несмотря на значительный объем исследований в этом направлении, остается нерешенным ряд задач, препятствующих широкому использованию подобных преобразователей в ВВ электроприводах. К таким задачам относится вопрос обеспечения эффективного режима функционирования преобразователя в условиях разброса его параметров и возмущений со стороны электропривода и сети. Поэтому тема исследований, направленных на повышение эффективности ВВ электропривода газоперекачивающих агрегатов на базе многоуровневого ПЧ является актуальной.
Цель работы: Обеспечение эффективности асинхронного 6 кВ электропривода ГПА путем использования многотактного 4-х уровневого инвертора на переключаемых конденсаторах.
Идея работы: Качество преобразования энергии и стабильность функциональных характеристик ПЧ достигается выбором способа широтно-импульсной модуляции (ШИМ) из условия минимальных гармонических искажений выходного напряжения, а также применением систем автоматического регулирования режимов преобразователя, обеспечивающих принудительную балансировку напряжений на конденсаторах в случае возмущений в системе и рекуперацию кинетической энергии ГПА для поддержания напряжения звена постоянного тока ПЧ в случае провала напряжения сети.
Основные задачи работы:
-
Анализ разработок в области приводов ГПА, многоуровневых ПЧ и их использования в частотно-регулируемых ВВ приводах.
-
Построение модели 4-х уровневого преобразователя на переключаемых конденсаторах.
-
Исследование показателей качества напряжения ЧП в зависимости от параметров нагрузки и параметров ШИМ. Обоснование метода ШИМ из условия минимальных потерь в преобразователе и двигателе.
-
Исследование динамики преобразователя и разработка системы стабилизации напряжений на конденсаторах.
-
Разработка алгоритма работы наблюдателя напряжений на переключаемых конденсаторах и оценка его работоспособности в системе автоматического поддержания режима преобразователя в условиях возмущений со стороны двигателя и сети.
-
Построение ВВ электропривода на базе 4-х уровневых инверторов для ГПА большой единичной мощности. Обоснование схемы поддержания напряжения в звене постоянного тока на основе рекуперации кинетической энергии ротора в случае провала напряжения сети.
Методы исследований: Анализ структур многоуровневых преобразователей и систем ВВ электроприводов. Математическое моделирование ПЧ и приводного двигателя. Построение компьютерных моделей 4-х уровневого преобразователя и систем управления в среде Simulink SimPowerSystems Blockset Matlab. Компьютерное моделирование динамических и стационарных режимов работы ПЧ и электропривода. Синтез систем управления ПЧ. Экспериментальные исследования.
Научная новизна:
Выявлены закономерности изменения коэффициентов гармонических искажений напряжения 4-х уровневого ПЧ в зависимости от параметров ШИМ и нагрузки, позволившие обосновать способ модуляции, обеспечивающий минимальные искажения выходного напряжения ПЧ и тока двигателя.
Установлены закономерности динамических процессов в 4-х уровневом ПЧ на переключаемых конденсаторах и их связь с параметрами установившегося режима, позволившие разработать систему стабилизации функциональных характеристик ПЧ на основе автоматической коррекции длительности избыточных состояний ключей, определяющих условие баланса напряжений на конденсаторах.
Основные защищаемые положения:
1. В частотной области регулирования газоперекачивающего агрегата, соответствующей изменению глубины модуляции преобразователя частоты в пределах значений от 0,4 до 1, наименьшие искажения выходного напряжения достигаются при использовании схемы широтно-импульсной модуляции с пилообразным профилем сигналов несущей частоты и фазовым сдвигом между этими сигналами 120 градусов.
2. Стабилизация сбалансированного режима преобразователя частоты в условиях возмущений со стороны двигателя и сети обеспечивается путем автоматической коррекции длительности избыточных состояний ключей, влияющей на баланс напряжений. Оценка текущих значений контролируемых величин осуществляется с помощью наблюдателя напряжений, алгоритм работы которого основан на уравнениях равновесия напряжений и токов преобразователя частоты, таблице возможных состояний ключей и динамических уравнениях асинхронного двигателя.
3. Для реализации энергосберегающего высоковольтного электропривода газоперекачивающих агрегатов мощностью несколько мегаватт преобразователь частоты должен строиться на базе многотактной и многоуровневой структуры. Непрерывность технологического процесса в случае провала напряжения сети достигается стабилизацией напряжения звена постоянного тока преобразователя частоты за счет кинетической энергии, запасенной в роторе газоперекачивающего агрегата.
Достоверность и обоснованность научных положений подтверждается сходимостью результатов моделирования и аналитических расчетов, а также результатов экспериментальных и аналитических исследований.
Практическая значимость работы:
1. Разработана система стабилизации режима преобразователя на основе бездатчикового наблюдателя контролируемых напряжений. Отсутствие резонансного фильтра гармоник небаланса и высоковольтных датчиков напряжения позволяет повысить надежность и снизить стоимость преобразователя.
2. Разработана схема использования кинетической энергии ротора ГПА для стабилизации напряжения звена постоянного тока в случае провала питающего напряжения, позволяющая в течение нескольких секунд отсутствия напряжения сети сохранять синхронизацию ПЧ и двигателя и обеспечить работу привода при восстановлении питания.
Апробация работы: Основные положения диссертационной работы докладывались на межвузовских научно-технических конференциях «Неделя науки СПбГПУ», на конференциях молодых ученых СПбГГИ(ТУ), на семинарах сектора преобразовательной техники отдела мехатроники ЗАО «Институт Энергетического Машиностроения и Электротехники» (ЗАО «ИЭМЭТ»).
Результаты реализации работы: Результаты исследований используются в учебных дисциплинах магистерского цикла “Моделирование и методология экспериментальных исследований автоматизированных электромеханических комплексов и систем”. Результаты планируется использовать при модернизации ПЧ 6 кВ, 2,6 МВА разработки ЗАО «ИЭМЭТ».
Личный вклад автора: Разработка компьютерной модели и выполнение исследований по влиянию параметров ШИМ и приводного двигателя на режим работы преобразователя. Обоснование схемы стабилизации режима преобразователя с использованием бездатчикового наблюдателя контролируемых величин. Разработка схемы стабилизации напряжения звена постоянного тока привода ГПА при провалах напряжения сети. Проведение экспериментальных исследований.
Публикации: Основные результаты диссертации опубликованы в 5 печатных работах, из них 3 в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, изложенных на 151 страницах. Содержит 93 рисунка, 6 таблиц, список литературы из 92 наименований и 1 приложение.
