Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время энергетическая эффективность полупроводниковых преобразователей для электроэнергетики становится все более востребованной. Связано это во многом с неуклонным ростом потребления электроэнергии в мире. Рост потребления электроэнергии в условиях истощающихся запасов углеводородного топлива - это один из факторов, который ведет к росту цен на энергоносители. Пока альтернативные источники энергии не получили достаточно широкого распространения наиболее рациональный путь экономии средств на электроэнергии - это повышение эффективности её генерации, распределения и потребления.
Согласно статистическим данным за 2009 год, около 50% потребляемой электроэнергии в России приходится на промышленные предприятия. На сегодняшний день предприятия различных отраслей промышленности используют оборудование, которое является нелинейным потребителем электрической энергии. Однако потребление электрической энергии с низкими показателями качества негативно сказывается на производственной и экономической деятельности предприятия.
Все эти факторы свидетельствуют о необходимости более эффективного распределения и потребления электрической энергии. Один из путей повышения эффективности использования электрической энергии сводится к разработке и внедрению энергоэффективных систем генерирования, распределения и потребления электроэнергии.
На сегодняшний день сложно найти источники финансирования для замены устаревающего оборудования на электростанциях или на модернизацию имеющегося. Кроме того, развитие инфраструктуры в населенных пунктах, в том числе и мегаполисах, ведет к росту числа потребителей. При этом наблюдается недостаток во вновь введенных в эксплуатацию источниках электроснабжения. В связи с чем возникает необходимость в системах накопления электроэнергии (СНЭ), как системах, которые позволяют повысить эффективность распределения и потребления электроэнергии.
Исследования последних десятилетий показали, что для достижения наибольшей энергетической эффективности систем преобразования энергии для энергетики приемлемы несколько путей, наиболее важными из которых можно отметить следующие:
-
Использование многоуровневых полупроводниковых преобразователей в системах преобразования большой мощности с напряжениями от единиц до десятков киловольт;
-
Использование параллельного соединения полупроводниковых преобразователей для повышения установленной мощности системы;
-
Применение эффективных алгоритмов управления, позволяющих полупроводниковым преобразователям работать в режимах с наилучшими показателями качества.
Использование многоуровневых преобразователей позволяет достичь наибольшей энергоэффективности за счет повышения качества преобразования
электрической энергии, снизить массу, габариты и стоимость фильтров в цепях переменного тока. Кроме того, многоуровневые преобразователи позволяют использовать полупроводниковые приборы с меньшим классом по напряжению, соответственно и стоимостью.
Решением задач, связанных с повышением энергетической эффективности различных систем преобразования электрической энергии с использованием полупроводниковых преобразователей в разное время занимались многие отечественные и зарубежные ученые: Г.С. Зиновьев, С.А. Харитонов, В.М. Берестов, А. В. Кобзев, Ю. М. Казанцев, С. В. Брованов, Г. Я. Михальченко, А. Г. Гарганеев, В. Н. Мишин, Н. М. Музыченко, Б. Ф. Симонов, В. Е. Тонкаль, Е. Е. Чаплыгин, A. Nabae, N. Celanovich, L. G. Franquelo, H. Akagi, J. Pou, D. Boroyevich, D. Andler, S. Kouro, M. Malinowski, K. Gopakumar и др.
Использование параллельного включения полупроводниковых преобразователей имеет ряд преимуществ перед использованием одного преобразователя, в числе которых можно выделить следующие: повышение установленной мощности СНЭ и АФ; повышение надежности; модульное исполнение преобразовательной части систем; повышение качества преобразования электрической энергии.
Современные системы преобразования энергии для энергетики все чаще требуют параллельного соединения преобразователей посредством трансформаторов, что является не самым эффективным решением. Бестрансформаторное параллельное соединение преобразователей с одновременным применением эффективных способов управления позволяет реализовать более компактную и менее дорогую систему преобразования или накопления электрической энергии, однако требует решения ряда инженерно-технических задач, в числе которых является снижение величины уравнительных токов, повышение коэффициента полезного действия, уменьшение коэффициента гармоник напряжения и тока, решение которых требует качественного анализа электромагнитных процессов.
С учетом вышеизложенных факторов можно сделать вывод о том, что тема диссертационной работы, посвященной анализу электромагнитных процессов в полупроводниковых ГГУ для СНЭ и активных фильтров, является актуальной.
Цель диссертационной работы состоит в решении проблемы повышения
энергетической эффективности полупроводниковых преобразовательных
устройств для систем накопления электрической энергии и активных фильтров.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены
следующие задачи:
1. Разработка математических моделей многоуровневых
полупроводниковых преобразователей, предназначенных для расчета и анализа токов и напряжений в ветвях ГГУ с использованием многоуровневых полупроводниковых преобразователей.
-
Получение аналитических соотношений для максимальных значений коммутационных уравнительных токов ПУ в функции числа уровней напряжений и количества ПП.
-
Расчет и анализ энергетических характеристик полупроводниковых преобразовательных устройств.
-
Проведение экспериментальных исследований для верификации теоретически полученных результатов.
Для решения поставленных задач были использованы методы переключающих функций, методы гармонического анализа, теория мгновенной мощности, аналитические методы расчета переходных процессов в электрических цепях. Проверка достоверности полученных теоретических результатов и аналитических соотношений осуществлялась методом компьютерного моделирования с помощью пакета PowerSIM и лабораторных макетов двух- и трехуровневого трехфазного преобразователя частоты.
Научная новизна основных результатов диссертации заключается в следующем:
-
Предложены математические модели полупроводниковых преобразовательных устройств, позволяющие вычислять мгновенные значения токов и напряжений, и основные показатели энергетической эффективности без использования прямых методов расчета и решения дифференциальных уравнений;
-
Предложена методика расчета динамических потерь в ключах многоуровневых полупроводниковых преобразователей при управлении скалярной ШИМ, адаптированная к любому числу уровней напряжения, и позволяющая вычислять мощность динамических потерь с учетом линейно аппроксимированной зависимости энергии от коммутируемого тока в ключе;
-
Предложена схема модульного преобразовательного устройства с улучшенными энергетическими характеристиками на основе многоуровневых полупроводниковых преобразователей с фиксирующими диодами, соединенными в параллель посредством уравнительных реакторов для систем накопления электрической энергии и активных фильтров;
-
Установлена зависимость максимального значения коммутационного уравнительного тока от количества полупроводниковых преобразователей, числа уровней напряжений звена постоянного тока в преобразовательном устройстве, позволяющая более точно определить максимальные значения токов силовых полупроводниковых приборов. Практическая ценность результатов диссертации состоит в следующем.
1. Математические модели, позволяющие вычислять основные энергетические характеристики ПУ с использованием многоуровневых преобразователей использовались при выполнении НИР по разработке эффективных накопителей электрической энергии с использованием многоуровневых полупроводниковых преобразователей;
-
Предложена инженерная методика расчета максимальных значений коммутационных уравнительных токов ПУ с произвольным количеством многоуровневых 1111.
-
Полученные характеристики для КПД и коэффициента гармоник напряжения показывают, что преобразовательное устройство целесообразно реализовывать на базе нечетного количества параллельно соединенных полупроводниковых преобразователей.
-
Полученные теоретические и практические результаты используются в учебном процессе при подготовке инженеров, магистрантов и аспирантов в области энергетической электроники.
Основные положения, защищаемые автором:
-
Предложенные математические модели многоуровневых полупроводниковых преобразовательных устройств, позволяют рассчитывать мгновенные значения напряжений, токов, и основных энергетических показателей без привлечения аппарата дифференциальных уравнений;
-
Разработанная методика расчета максимальных значений пульсационной составляющей уравнительных токов многоуровневых преобразователей соединенных в параллель посредством уравнительных реакторов позволяет, в отличие от существующих, вычислять эту составляющую для любого количества преобразователей и любого числа уровней напряжений звена постоянного тока
-
Новая методика расчета динамических потерь в силовых полупроводниковых приборах многоуровневых преобразователей, по сравнению с известными, позволяет реализовать расчет потерь мощности при коммутациях для любого числа уровней напряжений и не требует использования сложных аналитических соотношений.
-
Результаты расчета энергетических характеристик полупроводниковых преобразовательных устройств с использованием многоуровневых преобразователей с фиксирующими диодами в виде зависимостей КПД от количества полупроводниковых преобразователей (ПП) в составе преобразовательного устройство (ПУ) и частоты ШИМ, коэффициента гармоник фазного ступенчатого напряжения ПУ в зависимости от глубины модуляции и количества ПП показывают, что предложенная схема ПУ позволяет повысить КПД от 0,5 до 3% и уменьшить коэффициент гармоник фазного ступенчатого напряжения в 4-5 раз.
Связь диссертационных исследований с научно-техническими программами и проектами.
Исследования по диссертационной работе выполнялись в рамках следующих программ:
1. Федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2012 годы». Научно исследовательские работы по лоту 2011-1.6-516-015, «Проведение проблемно-ориентированных поисковых
исследований в области создания эффективных накопителей электрической энергии для нужд централизованной и автономной энергетики» по теме «Разработка и создание эффективных накопителей электрической энергии на базе многоуровневых полупроводниковых преобразователей и аккумуляторных батарей». Государственный контракт №16.516.11.6035 от 21 апреля 2011 г.
-
Государственный контракт №13.G36.31.0010 от 22.10.2010, «Исследование, разработка и организация промышленного производства механотронных систем для энергосберегающих технологий двойного назначения».
-
Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы». Выполнение НИР по теме «Разработка энергоэффективных накопителей электрической энергии на базе многоуровневых полупроводниковых преобразователей для "интеллектуальных энергетических сетей"». Соглашение №14.132.21.1755 от 01.10.2012.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы
докладывались и обсуждались на всероссийских и международных научных
конференциях и семинарах: International Conference and Seminar on
Micro/Nanotechnologies and Electron Devices, EDM-2009, EDM-2010, EDM 2012;
35th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, IECON 2009; XI
Международная научно-техническая конференция «Проблемы современной
электротехники 2010»; International Conference on Computational Technologies in
Electrical and Electronics Engineering Sibircon-2010; всероссийской научной
конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации», НТИ-2010;
3rd International Youth Conference on Energetics, IYCE 2011; Международная
научно-техническая конференция «Силовая Электроника и
Энергоэффективность» СЭЭ-2011, СЭЭ-2012; ШЕЕ EUROCON Conference 2013; 15' European Conference on Power Electronics and Applications, EPE-2013.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 21 работа, из которых 5 в журналах из перечня ВАК.
Личный вклад автора в научные работы, опубликованные в соавторстве с научным руководителем, заключается в следующем: постановке частных задач, создании математических моделей, выполнении расчетов, разработке методики расчета динамических потерь в многоуровневых преобразователях для скалярного способа ШИМ, разработки методики вычисления максимального значения коммутационного уравнительного тока, создании компьютерных моделей параллельных преобразователей. Совместно с научным руководителем автор осуществлял постановку задач, выбор методов решения и анализ полученных результатов. Совместно Турнаевым С.С., Волковым А.Г. и другими аспирантами кафедры автором были получены результаты экспериментальных исследований.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 204 страницах состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 126 наименований 120 рисунков, 21 таблицы и трех приложений.
