Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Структуры и полупроводниковые преобразователи СГЭЭ. тенденции и концепция их разития 21
1.1. Авиационные системы генерирования электрической энергии 21
1.2. Системы генерирования электрической энергии на возобновляемых источниках энергии 35
1.3. Системы генерирования электрической энергии для «интеллектуальных» энергетических сетей 46
1.4. Системы управления для МП с ЕДН 52
1.5. Постановка цели и задач исследований 57
Глава 2. Основы анализа и синтеза мп с едн для автономных СГЭЭ 64
2.1. Структуры МП с ЕДН для автономных СГЭЭ 64
2.2. Методы анализа электромагнитных процессов
в полупроводниковых преобразователях 73
2.3. Математическое описание эквивалентной схемы МП с ЕДН 77
2.4. Комбинации состояний ключей. Формирование обобщенных образующих векторов 83
2.5. Математические модели для анализа электромагнитных процессов
2.5.1. Модель фазных напряжений преобразователя 97
2.5.2. Модель токов ключей преобразователя 101
2.5.3. Модель первичного источника питания 105
2.6. Выводы по главе 2 110
Глава 3. Анализ электромагнитных процессов в схемах однофазных МП с ЕДН 111
3.1. Однофазный трехуровневый нерекуперативный выпрямитель (ОТНРВ) 111
3.1.1. Внешние характеристики ОТНРВ 119
3.1.2. Основные расчетные соотношения ОТНРВ 126
3.2. Однофазный трехуровневый рекуперативный выпрямитель (ОТРВН) 132
3.2.1. Аспекты синтеза векторной ШИМв ОТРВН 132
3.2.2. Анализ электромагнитных процессов в ОТРВН 141
3.3. Однофазный четырехуровневый рекуперативный выпрямитель (ОЧРВН) 159
3.3.1. Аспекты синтеза векторной ШИМ в ОЧРВН 159
3.3.2. Анализ электромагнитных процессов в ОЧРВН 165
3.4. Выводы по главе 3 179
Глава 4. Анализ электромагнитных процессов в схемах трехфазных МП с ЕДН 181
4.1. Трехфазный трехуровневый нерекуперативный выпрямитель (ТТНРВ) 181
4.2. Внешние и регулировочные характеристики ТТНРВ 186
4.3. Синтез векторной ШИМ в трехфазном трехуровневом преобразователе с ЕДН 191
4.4. Электромагнитные процессы в трехфазном трехуровневом нерекуперативном выпрямителе при ВШИМ 200
4.5. Электромагнитные процессы в трехфазном трехуровневом рекуперативном преобразователе при ВШИМ 209
4.6. Электромагнитные процессы в трехфазном четырехуровневом рекуперативном преобразователе при ВШИМ 222
4.7. Выводы по главе 4 227
Глава 5. Анализ энергетических показателей в МП с ЕДН в составе СГЭЭ 229
5.1. Исходные положения 229
5.2. Система «синхронный генератор - однофазный трехуровневый нерекуперативный выпрямитель» 236
5.3. Система «синхронный генератор - однофазный трехуровневый рекуперативный выпрямитель» 254
5.4. Система «синхронный генератор - трехфазный трехуровневый нерекуперативный выпрямитель» 263
5.5. Система «синхронный генератор - трехфазный трехуровневый рекуперативный выпрямитель» 273
5.6. Геометрический аспект анализа энергопроцессов в МП с ЕДН 285
5.7. Выводы по главе 5 294
Глава 6. Влияние небаланса напряжений конденсаторов ЕДН на энергетические показатели 297
6.1. Электромагнитные процессы при небалансе напряжений 297
6.1.1. Однофазный трехуровневый преобразователь с ЕДН 298
6.1.2. Однофазный четырехуровневый преобразователь с ЕДН 305
6.1.3. Трехфазный трехуровневый преобразователь с ЕДН 312
6.1.4. Трехфазный четырехуровневый преобразователь с ЕДН 319
6.2. Анализ энергетических показателей при небалансе напряжений конденсаторов ЕДН 323
6.2.1. Энергетические показатели в сечении ПИП - выпрямитель 325
6.2.2. Искажение выходного напряжения МП с ЕДН при небалансе напряжений конденсаторов 330
6.3. Выводы по главе 6 335
Глава 7. Повышение энергоэффективности многоуровневых полупроводниковых преобразователей частоты с емкостным делителем напряжения 338
7.1. Синтез пространственно-векторного алгоритма управления при небалансе напряжений конденсаторов ЕДН 338
7.2. Снижение пульсаций тока средней линии конденсаторов 351
7.3. Повышение энергоэффективности МП с ЕДН при несимметричной нагрузке 357
7.3.1. Результаты имитационного моделирования СГЭЭ на базе МП с ЕДН с четвертой стойкой 363
7.4. Выводы по главе 7 367
Глава 8. Экспериментальные исследования многоуровневых полупроводниковых преобразователей частоты 369
8.1. Трехфазный трехуровневый нерекуперативный выпрямитель 369
8.1.1. Экспериментальный образец и результаты исследования 369
8.2. Трехфазный трехуровневый рекуперативный выпрямитель 375
8.2.1. Экспериментальные исследования 376
8.3. Опытно-промышленные разработки 378
8.4. Выводы по главе 8 383
Заключение 385
Литература
- Системы генерирования электрической энергии для «интеллектуальных» энергетических сетей
- Комбинации состояний ключей. Формирование обобщенных образующих векторов
- Однофазный трехуровневый рекуперативный выпрямитель (ОТРВН)
- Синтез векторной ШИМ в трехфазном трехуровневом преобразователе с ЕДН
Введение к работе
Актуальность проблемы. Автономные системы генерирования электрической энергии (СГЭЭ) находят широкое применение в возобновляемой энергетике.
Наращивание энергетического потенциала возобновляемой энергетики продиктовано ростом потребности в электроэнергии, ухудшающейся экологической ситуацией и ограниченностью сырьевых ресурсов. В последние годы использование энергии возобновляемых источников увеличивается по своим масштабам и приобрело устойчивую тенденцию к росту.
Многие страны принимают программы, включающие в себя развитие энергетического комплекса со значительной долей произведенной электрической энергии от автономных СГЭЭ с использованием возобновляемых источников энергии. Увеличение доли вырабатываемой электрической энергии от источников возобновляемой энергии требует развития технического оборудования для ее производства и преобразования, а также значительного усовершенствования систем передачи электрической энергии. Данные меры, прежде всего, направлены на повышение энергетической эффективности производства, преобразования и передачи электрической энергии потребителю.
Функциональные принципы преобразования электрической энергии в СГЭЭ с использованием возобновляемых источников энергии, например, в ветроэнергетических системах, во многом подобны функциональным принципам автономных СГЭЭ подвижных объектов - авиационных и космических аппаратов, морских судов, подводных лодок и т. д.
Востребованность в энергоэффективных автономных СГЭЭ для подвижных объектов обусловлено их возрастающей энергоемкостью. Особенно сильно это выражено в самолетостроении, которое характеризуется жесткими требованиями по весогабаритным показателям, эксплуатационной надежности и энергетической эффективности. Это обусловлено в основном реализацией, как за рубежом, так и у нас в стране, концепции самолета с полностью электрифицированным оборудованием или «полностью электрический самолет» (ПЭС). Под «полностью электрическим самолетом» понимается самолет с единой централизованной системой электроснабжения, обеспечивающей все энергетические потребности самолета. На ПЭС электрическая энергия будет применяться для питания энергоемких систем, которые традиционно использовали для своего функционирования гидравлическую и пневматическую энергию.
Важным и ответственным звеном структуры автономной СГЭЭ, оказывающим существенное влияние на технические, стоимостные и другие показатели системы, является полупроводниковый преобразователь электрической энергии. Полупроводниковый преобразователь позволяет не только осуществлять преобразование электрической энергии, но при этом способствует улучшению энергетических показателей качества преобразования электрической энергии в СГЭЭ.
Появление на электронном рынке современных силовых полупроводниковых приборов, таких как IGBT, MOSFET, IGCT, GTO, а также высокопроиз-
водительных микроконтроллеров, способствовало решению проблем по созданию энергоэффективных полупроводниковых преобразователей электрической энергии.
Над вопросами совершенствования структур, функциональных и технических характеристик полупроводниковых преобразователей, повышения их энергоэффективности в разное время занимались отечественные и зарубежные разработчики. Значительный вклад в эту область исследований внесли: Маев-ский О. А., Лабунцов В. А., Шрейнер Р. Т., Кобзев А. В., Грабовецкий Г. В., Казанцев Ю. М., Зиновьев Г. С, Розанов Ю. К., Харитонов С. А., Симонов Б. Ф., Багинский Б. А., Чаплыгин Е. Е., Чехет Э. М., Ковалев Ф. И., Герман-Галкин С. Г., Глазенко Т. А., Беркович Е. И., Барский В. А., Моин В. С, Лаптев Н. К, Михальченко Г. Я., Шидловский А. К., Тонкаль В. Е., Жемеров Г. Г., Голембиовский Ю. М., Ефимов А. А., Жуйков В. Я., Переверзев А. В., Гончаров Ю. П., Рыбкин С. Е., J. W. Kolar, Т. A. Lipo, Isao Takahashi, Toshihiko Noguchi, A. Nabae, J. Takahashi, H. Akagi, Bladimir Blasko, N. Celanovic, D. Boroyevich, Bimal K. Bose, Marian P. Kazmierkowski, Mariusz Malinowski, Marvin J. Fisher и др.
Стремление улучшить в СГЭЭ энергетические показатели качества преобразования электрической энергии и характеристики по электромагнитной совместимости посредством использования полупроводниковых преобразователей привело к тому, что в их структурах стали применять активные преобразователи (выпрямители), матричные преобразователи и преобразователи, классифицирующиеся как многоуровневые.
Различные аспекты создания и исследования систем преобразования электрической энергии на базе активных выпрямителей и матричных преобразователей отражены в трудах Зиновьева Г. С, ШрейнераР. Т., Харитонова С. А., Ефимова А. А., Попова В. И., ЧехетаЭ. М., Виноградова А. Б., Ми-хальского В. М., Yamamoto Е., Нага Н., Blaabjerg F., Lipo Т. А. и др.
Несмотря на отмеченные достоинства активных выпрямителей и матричных преобразователей, применение их ограничено. Это связано с тем, что улучшение качества генерирования электрической энергии в СГЭЭ на базе вышеперечисленных схем напрямую зависит от повышения частоты ШИМ, увеличение которой приводит к снижению КПД преобразователя. Уровень установленной мощности ограничивается классом по напряжению полупроводниковых приборов. Используемый принцип непосредственного преобразования частоты в матричном преобразователе характеризуется низким коэффициентом передачи по напряжению.
В этой связи одним из перспективных направлений решения обозначенных проблем является применение многоуровневых полупроводниковых преобразователей.
В настоящее время существует несколько типов многоуровневых схем преобразователей. В отечественной литературе еще нет установившейся терминологии данных схем, согласно англоязычной литературе выделяются три основных типа: The diode-clamped multilevel converter или neutral-point-clamped
(NPC) multilevel converter; The flying capacitor multilevel converter (FCC) или imbricated cell converter; The series-connected/cascaded multilevel converter (SCC).
Как показывает анализ многочисленных публикаций, NPC-тип преобразователей наиболее привлекателен, и многие разработчики уделяют ему значительное внимание. Современные микроконтроллеры позволяют реализовать на их основе различные алгоритмы управления данным типом преобразователей с различным способом модуляции. Особый интерес представляет векторный способ широтно-импульсной модуляции (ВШИМ), позволяющий уменьшать число коммутаций ключей, повышать использование по напряжению преобразователя, а также осуществлять выравнивание напряжения на конденсаторах.
Хорошие функциональные и энергетические характеристики NPC-типа преобразователей в значительной мере удовлетворяют современным требованиям СГЭЭ. Условимся в дальнейшем данный тип преобразователя классифицировать как многоуровневый преобразователь (ПМ) с емкостным делителем напряжения (ЕДН). Растущий интерес специалистов к построению СГЭЭ на базе многоуровневых полупроводниковых преобразователей с емкостным делителем напряжения подчеркивает актуальность и перспективность их применения. При этом особенность автономных СГЭЭ такова, что мощность используемого генератора и нагрузки соизмеримы, частота вращения вала генератора нестабильная, а наличие несимметричных нагрузок может приводить к возникновению небаланса напряжений ЕДН. Эти и другие факторы оказывают отрицательное влияние на энергетические показатели качества преобразования электрической энергии. В этой связи становится все более актуальной задача улучшения энергетической эффективности МП с ЕДН для создания автономных СГЭЭ с улучшенными энергетическими показателями.
Однако уровень теоретического исследования электромагнитных процессов в МП с ЕДН для автономных систем генерирования, развитие методик расчета энергетических показателей качества преобразования электрической энергии, способов и алгоритмов управления МП с ЕДН не удовлетворяют современным тенденциям развития автономных систем генерирования электрической энергии. Несмотря на множество публикаций, содержащиеся в них исследования носят в основном локальный характер, не отражающие комплексного подхода к проблеме повышения энергетической эффективности СГЭЭ.
Цель работы и задачи исследования. Цель диссертационной работы состоит в решении научно-технической проблемы повышения энергетической эффективности многоуровневых полупроводниковых преобразователей частоты с емкостным делителем напряжения для автономных систем генерирования электрической энергии путем обобщения и развития методов их расчета и анализа, а также синтеза эффективных алгоритмов управления.
Для достижения этой цели в работе были поставлены и решены следующие основные задачи:
-
Разработка математического описания обобщенного ^-фазного N-уровневого полупроводникового преобразователя с емкостным делителем напряжения.
-
Разработка математических моделей и методик для расчета энергетических показателей качества электромагнитных процессов МП с ЕДН для СГЭЭ.
-
Расчет и анализ энергетических показателей качества преобразования электрической энергии в многоуровневых полупроводниковых преобразователях частоты с емкостным делителем напряжения для различных режимов работы автономных систем генерирования электрической энергии.
-
Анализ влияния параметров небаланса напряжений конденсаторов емкостного делителя напряжения на энергетические показатели качества преобразования энергии в МП с ЕДН.
-
Теоретическое обобщение и развитие геометрических аналогий к синтезу широтно-импульсной модуляции в многоуровневых полупроводниковых преобразователях частоты с емкостным делителем напряжения.
-
Синтез алгоритмов управления с использованием векторной ШИМ с целью улучшения качества формируемого входного тока и выходного напряжения МП с ЕДН.
-
Экспериментальное исследование макетных образцов многоуровневых преобразователей частоты с емкостным делителем напряжения с целью проверки разработанных математических моделей, методик расчета, результатов теоретического анализа и синтеза алгоритмов управления.
Методы исследования. Решение поставленных задач потребовало привлечение аппарата дифференциального и интегрального исчислений, преобразования Фурье, теории матриц, метода обобщенных векторов и метода переключающих функций, а также методов линейной алгебры и аналитической геометрии, методов численного и имитационного моделирования.
Достоверность основных теоретических положений, методов расчета и анализа подтверждается сопоставлением расчетных и полученных экспериментально и имитационным моделированием электрических параметров и характеристик установившихся режимов при работе многоуровневых полупроводниковых преобразователей.
Научная значимость и новизна диссертационной работы:
-
Предложена концепция анализа и синтеза многоуровневых полупроводниковых преобразователей частоты с емкостным делителем напряжения для автономных систем генерирования электрической энергии, основанная на использовании иерархии специализированных математических моделей, ориентированных на определение основных энергетических параметров и характеристик силовых схем преобразователей, а также синтез алгоритмов управления ими в составе СГЭЭ.
-
Предложена схема замещения Tw-фазного TV-уровневого полупроводникового преобразователя с емкостным делителем напряжения, позволившая создать математические модели различных схем МП с ЕДН. Модели базируются на совокупности моментов: использования комбинаций состояний ключей, геометрических аналогий представления электрических величин, весовых коэффициентов образующих векторов и переключающих функций. Модели предназначены для расчета и исследования параметров и характеристик, определяющих энергетическую эффективность МП с ЕДН, качество формирования входного тока и выходного напряжения, а также для синтеза параметров силовых схем МП с ЕДН и алгоритмов управления.
-
Разработан способ коррекции весовых коэффициентов образующих векторов в функции изменения напряжений на конденсаторах емкостного делителя напряжения, позволивший реализовать алгоритм векторной ШИМ, обеспечивающий улучшение качества входного тока и выходного напряжения многоуровневого преобразователя при небалансе напряжений конденсаторов емкостного делителя напряжения.
-
Предложен алгоритм активного подавления низкочастотных пульсаций напряжений на конденсаторах звена емкостного делителя напряжения трехфазного трехуровневого полупроводникового преобразователя с целью поддержания качества выходного напряжения преобразователя при снижении значений емкостей звена ЕДН.
-
Предложен способ управления, обеспечивающий максимальное среднее значение выпрямленного напряжения трехфазного трехуровневого выпрямителя без рекуперации электрической энергии при изменении величины выходного тока.
-
Разработан алгоритм управления для однофазного трехуровневого полупроводникового выпрямителя, позволяющий обеспечить баланс напряжений на конденсаторах емкостного делителя напряжения.
-
Предложена методика расчета динамических потерь активной мощности в силовых ключах МП с ЕДН, обобщенная к любому числу уровней напряжений ЕДН с учетом параметров векторной широтно-импульсной модуляции.
Основные положения, защищаемые автором:
-
Концепция анализа и синтеза многоуровневых полупроводниковых преобразователей с емкостным делителем напряжения для автономных систем генерирования электрической энергии, основанная на использовании иерархии специализированных математических моделей, ориентированных на определение основных электрических и энергетических параметров и характеристик силовых схем преобразователей и алгоритмов управления ими в составе СГЭЭ.
-
Математические модели многоуровневых полупроводниковых преобразователей с ЕДН, основанные на применении геометрического представления электрических величин, комбинаций состояний ключей, весовых коэффициентов образующих векторов и переключающих функций.
-
Результаты комплексного теоретического исследования энергетических показателей качества преобразования электрической энергии в МП с ЕДН и выявившие закономерности их изменения при небалансе напряжений конденсаторов емкостного делителя напряжения и различных режимах работы автономных систем генерирования электрической энергии.
4. Синтезированные алгоритмы управления, основанные на применении
векторных способов ШИМ, позволяющие повысить энергетическую эффектив
ность многоуровневых полупроводниковых преобразователей частоты с емко
стным делителем напряжения путем снижения пульсаций напряжений конден
саторов ЕДН, улучшения качества входного тока и выходного напряжения МП
с ЕДН в условиях небаланса напряжений конденсаторов ЕДН и осуществления
баланса напряжений конденсаторов ЕДН.
-
Методику расчета динамических потерь активной мощности в силовых ключах МП с ЕДН, обобщенную к любому числу уровней напряжений ЕДН с учетом параметров векторной широтно-импульсной модуляции.
-
Результаты расчета внутренних характеристик многоуровневых полупроводниковых преобразователей частоты с емкостным делителем напряжения в виде распределения токовой загрузки в ключевых силовых элементах от режимов работы преобразователей и параметров ВШИМ, а также распределения статических и динамических потерь активной мощности в ключевых элементах.
Практическая ценность работы:
-
Разработанные математические модели, позволяющие рассчитывать и исследовать основные энергетические характеристики в многоуровневых полупроводниковых преобразователях частоты с емкостным делителем напряжения, выявлять их свойства в зависимости от режимов и параметров работы автономных СГЭЭ, используются при проведении НИР в отраслевой научно-исследовательской лаборатории электроснабжения летательных аппаратов НГТУ.
-
Полученные результаты анализа электромагнитных процессов в МП с ЕДН положены в основу предложенных технических решений, обеспечивающих улучшение энергетической эффективности МП с ЕДН и автономных СГЭЭ на их основе.
-
Разработанные методики по расчету внутренних характеристик МП с ЕДН легли в основу создания инженерной методики проектирования МП с ЕДН с улучшенными энергетическими показателями качества преобразования электрической энергии для автономных СГЭЭ и других приложений.
-
Применение разработанных алгоритмов управления с ВШИМ позволяют повысить качество преобразования электрической энергии в МП с ЕДН и создают объективные предпосылки использования данного типа преобразователей в других областях, например, электроприводе, в целях реализации их энергоэффективных режимов.
-
Совокупность полученных теоретических и практических результатов использованы в учебном процессе при подготовке инженеров, магистрантов и аспирантов в области силовой электроники.
Реализация результатов работы. Основные научные положения диссертационной работы, а также результаты теоретических и экспериментальных исследований, использованы при выполнении госбюджетных и хоздоговорных НИР, выполняемых в НГТУ по заказам ряда предприятий, таких как: АКБ «Якорь» (г. Москва), МКБ «Радуга» (г. Дубна), ОАО «АвтоВАЗ» (г. Тольятти), ОАО «ДААЗ» (г. Димитровград), НИИ СЭТМ, ФГУП ПО «СЕВЕР», ООО «НИИАСЭ», ХК ОАО «НЭВЗ-СОЮЗ» (г. Новосибирск).
Предложенные в диссертации математические модели и методики расчета внутренних характеристик МП с ЕДН были использованы в исследованиях при выборе структурной схемы автономной системы генерирования «СГ -ПЧА» для летательных аппаратов.
Материалы диссертации, относящиеся к математическим моделям и анализу электромагнитных процессов, используются в учебном процессе при подготовке студентов по специальности «Промышленная электроника».
Результаты диссертационных исследований нашли применение при разработке и внедрении в производство:
Электромеханического усилителя рулевого управления для автомобилей ВАЗ 2170 «Приора».
Полупроводникового преобразователя для системы генерирования ветроэнергетической установки «Радуга-1», установленной в Калмыкии.
Связь темы диссертации с научно-техническими программами. Работа выполнялась в рамках следующих программ:
-
Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, утвержденная постановлением Правительства Российской Федерации от 28 июля 2008 года № 568 по теме: «Улучшение энергетических показателей качества преобразования электрической энергии в многоуровневых полупроводниковых преобразователях с емкостным делителем напряжения».
-
Федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» научно-исследовательские работы по лоту шифр «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 от 22.10.2010 г. №13.G36.31.0010 «Исследование, разработка и организация промышленного производства механотрон-ных систем для энергосберегающих технологий двойного назначения».
-
Проект №9706 «Исследование и разработка систем электрифицированного оборудования автономных объектов на основе средств силовой интеллектуальной электроники» аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (2009-2011 годы).
Апробация работы. Основные материалы работы были представлены на: второй Дальневосточной научно-практической конференции (г. Комсомольск-на-Амуре, 1989 г.); Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП (г. Новосибирск, 1992, 1994, 2000, 2002, 2004, 2008 гг.); «Силовая электроника и энергоэффективность» (г. Алушта, Украина, 2005, 2006, 2007, 2008, 2011 гг.); «РЕМС-94» (Варшава, 1994 г.); «Информатика и проблемы телекоммуникаций» (г. Новосибирск, 1995 г.); «Проблемы современной электротехники» (г. Киев, Украина, 2001, 2008 гг.); Первый Российско-Корейский симпозиум «RUSKO-AM» (г. Новосибирск, 2001 г.); Korea-Russia International Symposium «KORUS» (г. Ульсан, Ю.Корея, 2003 г.); International Workshop and Tutorials on Electron Devices and Materials (г. Эрлагол, Республика Алтай, 2006 г.); 32nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (Paris, France, 2006 г.);
«Электроприводы переменного тока» (г. Екатеринбург, 2005, 2007 гг.); The International Conference «Computer as a Tool» IEEE Region 8 (Warsaw, Poland, 2007 г.); The International Conference «SIBIRCON» IEEE Region 8 (г. Новосибирск, 2008 г., г. Иркутск, 2010 г.), 35th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society - IECON (Porto, Portugal, 2009 г.) и ряде других конференций и научных семинарах.
Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 47 работ. Работ, опубликованных в ведущих рецензируемых журналах и изданиях, определённых Высшей аттестационной комиссией - 14. Из 47 опубликованных работ 24 научные статьи, 19 докладов на международных, межрегиональных и других научных конференциях, три патента РФ, одно авторское свидетельство. Десять работ написано лично без участия соавторов.
В работах [1-3, 17, 18, 20, 21, 42] соискателю принадлежит общая постановка задач исследований и проведение анализа. Выводы проведены соавторами совместно. В работах [12, 14, 35, 38, 40, 41] соискателем выполнена разработка основных положений математических моделей и методик анализа. Анализ и верификация полученных результатов соавторами выполнено совместно. В работах [4, 6, 10,13, 22, 24, 27, 30, 33, 43] соискателем проведена разработка основных положений способов и алгоритмов управления. Обработка результатов выполнена совместно с соавторами. В работах [7, 8, 15, 16, 19, 23, 25, 36, 39] соискателем проведено теоретическое исследование. Обработка результатов и выводы проведены соавторами совместно.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 285 страницах машинописного текста и содержит введение, восемь глав, заключение, список литературы из 355 наименований, 207 рисунков, 21 таблицу и приложение.
Системы генерирования электрической энергии для «интеллектуальных» энергетических сетей
Свойства, характеристики и функциональное назначение любой СГЭЭ определяются требованиями, которые формируются из необходимых условий эксплуатации. К авиационным системам генерирования электрической энергии в силу специфики эксплуатации в части климатических, температурных, механических и других воздействий предъявляется ряд основных требований, среди которых обеспечение минимальных массогабаритных показателей, высокой надежности, максимального срока службы, ремонтопригодности, энергоэффективности и др. [62-65].
Выше обозначенные требования являются актуальными при проектировании авиационных СГЭЭ. Выполнение данных требований носит комплексный характер и затрагивает все структурные части СГЭЭ, в том числе первичный источник питания (ПИП).
В современных условиях увеличения мощности СГЭЭ особенно актуальным становится вопрос выбора ПИП. Для СГЭЭ в качестве вариантов первичных источников питания могут быть использованы различные типы электрических генераторов, среди которых асинхронные генераторы, синхронные генераторы с электромагнитным возбуждением или с возбуждением от постоянных магнитов, бесщеточные генераторы с тиристорным возбудительным устройством или индукторные генераторы [62-65].
В последнее время магнитоэлектрическим генераторам (МЭГ), использующим постоянные магниты, сделанные из сплавов редкоземельных элементов, таких как алюминий - никель - кобальт (AL-Ni-Co), неодим - железо - бор (Nd - Fe - В), самарий - кобальт (Sm - Со) и др. уделяют большое внимание.
Как показано в работах [62, 64, 65] в авиационных СГЭЭ применение генераторов с возбуждением от постоянных магнитов рассматривается в качестве одного из перспективных направлений. Прежде всего это обусловлено тем, что синхронные генераторы с постоянными магнитами характеризуются высокой надежностью, высоким КПД, возможностью работать при достаточно высоких температурах и скоростях вращения вала, простотой технического обслуживания.
Эти и другие особенности синхронных генераторов дают основание к широкому внедрению их на самолетах. Так, например, на борту самолета Вое-ing-777 для систем различного назначения, в том числе СГЭЭ используется тринадцать генераторов с постоянными магнитами [337]. По оценкам специалистов уже в ближайшем будущем мощность одного канала генерирования превысит 500 кВА. На сегодняшний день аэробус А-380 содержит четыре канала генерирования, каждый мощностью по 150 кВА, Boeing-787 имеет четыре канала генерирования по 250 кВА. Увеличение потребляемой мощности на борту самолета ставит задачи по созданию новых энергоэффективных ПИП. Одним из интересных направлений, позволяющим решать эти задачи, является конструкция МЭГ полностью встроенного внутрь двигателя самолета. Предполагается, что такая конструкция генератора позволит увеличить КПД на 9 -11% при значительном повышении наработки на отказ до 10 раз [64, 338].
Работа МЭГ при переменной скорости вращения вала оказывает влияние на энергетические характеристики и параметры качества генерируемой электрической энергии СГЭЭ [69, 70, 94, 95, 96, 107]. Согласование характеристик первичного источника питания и характеристик потребителей возлагается на различные устройства.
До недавнего времени на большинстве самолетов в структуре СГЭЭ использовался привод постоянной частоты вращения (ГГЛЧВ), необходимый для получения стабильной частоты вращения вала электрического генератора. На 23 пряжение генератора 115В стабильной частоты, как правило, 400 Гц преобразовывалось в несколько видов напряжений, например, переменное 36 В, 400 Гц и постоянное 27 В с использованием различных преобразующих устройств, рис. 1.1.
Однако в конце 60-х годов прошлого столетия за рубежом и в СССР разработчики приступили к реализации концепции построения СГЭЭ типа «переменная скорость - постоянная частота» (СППЧ), которая предполагала заменить привод постоянной частоты вращения [64, 69, 70, 80]. Стремление исключить из структуры системы генерирования электрической энергии ППЧВ было продиктовано его высокой стоимостью, сложностью эксплуатации, трудоемкостью ремонта, сравнительно низкой надежностью [79, 80]. В СГЭЭ без применения ППЧВ задача стабилизации частоты генерируемого напряжения была возложена на статические полупроводниковые преобразователи частоты (ПЧ): инверторы напряжения (тока), непосредственные преобразователи частоты и выпрямители, рис. 1.2.
Структура СГЭЭ типа ПСПЧ Применение статических полупроводниковых преобразователей позволило осуществлять не только стабилизацию частоты напряжения генерируемой электрической электроэнергии, но и дало возможность решать задачи, связанные с энергоэффективностью СГЭЭ, улучшением качества формируемого напряжения [68]. Кроме того, использование полупроводникового преобразователя частоты легло в основу для реализации СГЭЭ с большей надежностью, чем это могло быть достигнуто в СГЭЭ при использовании ППЧВ. Все это явилось основанием для начала обширных исследовательских работ по созданию автономных систем генерирования электрической энергии для летательных аппаратов с использованием статических полупроводниковых преобразователей частоты.
На первоначальном этапе основное направление работ было связано с разработкой и созданием СГЭЭ на базе непосредственного преобразователя частоты (НПЧ). Основанием для этого послужило появление на электронном рынке современных на то время незапираемых, а в дальнейшем и запираемых тиристоров. Проводимые исследования были направлены на достижение основных требований и норм качества генерируемой электроэнергии в соответствие действующему в то время ГОСТ-19705.
Особое внимание в работах уделялось возможности улучшения качества выходного напряжения НПЧ. Это достигалось посредством внедрения новых законов управления НПЧ в статических и динамических режимах, как при совместном, так и раздельном управлении комплектами. Значительные достижения были получены по снижению амплитудной модуляции генерируемого напряжения [73].
Комбинации состояний ключей. Формирование обобщенных образующих векторов
Метод припасовывания отражен в известных работах К. А. Круга, Н. Д. Папалекси, Г. И. Бабата, И. Л. Каганова, М. А. Чернышева и др. [231, 232] и дальнейшее свое развитие получил в работах А. А. Булгакова, С. Р. Глинтер-ника, Э. Л. Эттингера, В. А. Лабунцова, В. Б. Тонкаля [234-236] и других авторов. Он достаточно точен, но при этом имеет существенный недостаток в своем применении из-за ограничения на число непрерывных интервалов периодического процесса, которые должны аналитически описываться. Поэтому применение данного метода для анализа электромагнитных процессов в многоуровневых полупроводниковых преобразователях нецелесообразно из-за наличия большого числа интервалов дискретности.
Метод разностных уравнений в определенной степени предпочтителен для анализа цифровых систем, например, систем автоматического регулирования. Данный метод широко представлен в работах Я. 3. Цыпкина, Л. Р. Неймана, А. В. Поссе, В. П. Шипилло, Ю. Г. Толстова, А. Д. Поздеева [237-242]. Для решения поставленных задач этот метод будет малоэффективен, особенно при расчете и анализе энергетических показателей качества преобразования электрической энергии, которые для своего определения требуют нахождения интегральных (средних и действующих) значений токов и напряжений.
Исследования электромагнитных процессов в полупроводниковых преобразователях с помощью разрывных функций отражены в работах Л. Л. Иванова, Е. И. Берковича, Г. В. Ивенского [243-246] и др. Однако ограниченность применения данного метода так же связана со сложностью силовых схем многоуровневых полупроводниковых преобразователей.
Современные способы управления полупроводниковыми преобразователями связанные с реализацией векторных способов ШИМ так же накладывают свой отпечаток на выбор метода анализа электромагнитных процессов. В этой связи, широко известные методы, такие как метод эквивалентных источников [233, 247, 248], метод гладкой составляющей [239] имеют свои ограничения в применении для исследования электромагнитных процессов в статических преобразователях при векторных способах реализации ШИМ.
Применение метода переключающих или коммутационных функций во многом способствует выявлению и анализу свойств полупроводниковых преобразователей. Этот метод широко представлен в трудах отечественных и зарубежных ученых: Г. В. Грабовецкого, Л. Джюджи, Б. Пелли, С. Р. Кривицкого, Р. П. Карташова, П. Ф. Мерабишвили [80, 249, 251] и др. Данный метод относится к спектральным методам и удобен для расчета и анализа параметров качества входных и выходных величин преобразователей. Использование этого метода адаптировано для различных типов статических полупроводниковых преобразователей и видов ШИМ. Можно утверждать, что при условии задания закона изменения моментов коммутаций ключей, векторный способ ШИМ не может быть препятствием для применения метода переключающих функций. Однако получение обобщенного замкнутого аналитического соотношения весьма затруднено в данном случае. Однако метод вполне применим при реализации математического моделирования с использованием, например, такого макета как MathCAD.
Метод алгебраизации дифференциальных уравнений является сравнительно новым для решения задач анализа электромагнитных процессов и синтеза статических преобразователей. Метод АДУ был предложен проф. Зиновьевым Г. С. Данный метод позволяет определить в замкнутой аналитической форме основные интегральные электрические параметры в схеме без расчета их мгновенных значений, как в статике, так и в динамике [215]. Отсутствие необходимости знания корней характеристического уравнения электрической цепи ускоряет расчеты в ряде классов полупроводниковых преобразователей. Расчетные формулы для энергетических показателей выводятся прямо через коэф 76 фициенты дифференциального уравнения и параметры приложенного напряже ния [215, 252].
Рассматривая этот метод применительно к поставленным задачам исследований данной работы можно отметить сложность определения параметров приложенного напряжения, в частности его интегрального коэффициента гармоник. Особенно это проблематично при векторном синтезе ТТТИМ.
Таким образом можно констатировать, что для решения сформулированных в диссертационной работе задач перечисленные методы в силу своих ограничений не удовлетворяю всем требованиям.
Ранее уже было отмечено, что в последние годы нашли широкое применение векторные алгоритмы ШИМ управления полупроводниковыми преобразователями. Этот способ модуляции использует векторное представление электрических величин входных (выходных) параметров при различных комбинациях состояний ключей. Эту особенность взаимосвязи параметров управления (комбинации состояний ключей) и входных, выходных параметров МП с ЕДН (фазные напряжения и токи) предлагается использовать при разработке иерархии специализированных математических моделей, ориентированных на определение основных электрических и энергетических параметров и характеристик силовых схем преобразователей и алгоритмов управления ими в составе СГЭЭ. Что может служить основой для решения поставленных задач, образуя некоторую концепцию анализа и синтеза МП с ЕДН.
Чтобы раскрыть основополагающие аспекты предлагаемой концепции анализа и синтеза МП с ЕДН для автономных систем генерирования электрической энергии предварительно рассмотрим математическое описание эквивалентной схемы многоуровневого полупроводникового преобразователя с емкостным делителем напряжения, а также взаимосвязь совокупности линейных и фазных напряжений преобразователя с комбинациями состояний ключей преобразователя.
Однофазный трехуровневый рекуперативный выпрямитель (ОТРВН)
Однофазная схема трехуровневого выпрямителя без рекуперации электрической энергии ПИП с нагрузкой характеризуется однонаправленностью преобразования потока энергии. В качестве схемы преобразователя рассмотрим выпрямитель с двунаправленными ключами, схема которого приведена на рис. 3.1, а, где входная цепь представлена в виде источника ЭДС - е±, индуктивно стями генератора - Ц, и входного реактора -ф. На рис. 3.1, б - изображена одна из возможных схемных реализаций двунаправленных ключей Sa, S .
На рис. 3.2, а представлена входная цепь выпрямителя, а на рис. 3.2, б показана векторная диаграмма для действующих значений основных гармоник токов и напряжений, формирующихся во входной цепи. Здесь идв(л\- действующее значение основной гармоники напряжения входных зажимов выпрямителя; Е± - действующее значение основной гармоники ЭДС генератора; ищ\ действующее значение основной гармоники выходных зажимов генератора; l(l) действующее значение основной гармоники тока генератора.
Анализ электромагнитных процессов в силовой схеме преобразователя предполагает определение коммутационных интервалов работы схемы, где структуры остаются неизменными. Межкоммутационные интервалы характеризуются схемными топологиями и элементами отдельных их ветвей. Кроме того, в пределах межкоммутационных интервалов могут появляться отдельные подынтервалы, характеризующие коммутацию ключей схемы. В большинстве случаев элементы этих схем являются линейными и с учетом принятых допущений об идеальности ключей для каждого і - го интервала может быть состав 112 лена эквивалентная линейная схема замещения. Поэтому для ее анализа возможно применение всех методов, в основе которых лежит принцип суперпозиции. Обычно задача анализа сводится к нахождению токов или напряжений в электрических цепях схемы. Для этого в линейных схемах на основе законов Кирхгофа составляется система интегро-дифференциальных уравнений, кото 113 рая на і-м интервале может быть преобразована в линейное неоднородное дифференциальное уравнение п -го порядка [19] где коэффициенты агп,..., ag определяются комбинацией параметров элементов на і-м интервале, а функция воздействия / включает в себя в общем случае все внешние и внутренние источники напряжения и тока.
Электромагнитные процессы, происходящие в полупроводниковом преобразователе, определяются алгоритмами его управления [265-271]. Правильный выбор алгоритма управления позволяет наиболее эффективно использовать свойства преобразователя. В этой связи рассмотрим несколько алгоритмов управления преобразователем и проанализируем их свойства по ряду энергетических показателей.
Особенностью представленной схемы является наличие двунаправленных ключей Sa и S . Как будет показано далее, алгоритм управления двунаправленными ключами определяет свойства преобразования электрической энергии и электрические параметры схемы.
Выделяются два основных способа управления дополнительными ключами - это без модуляции управляющих импульсов [266 - 268] и с широтно-импульсной модуляцией импульсов управления [269, 271]. Синтез алгоритмов ШИМ, как было отмечено ранее, может быть осуществлен на основе двух различных подходов: векторного или координатного (синусоидального), основанного на сравнении модулирующего и несущего сигналов. Применение векторной широтно-импульсной модуляции в однофазных многоуровневых схемах будет подробно рассмотрено в последующих параграфах. В данном параграфе мы остановимся на рассмотрении низкочастотных алгоритмов управления ключами без ШИМ, и проведем анализ электромагнитных процессов при данных алгоритмах управления.
На рис. 3.3 отражены диаграммы напряжений, характеризующие работу выпрямителя. Здесь представлены импульсы управления двунаправленными ключами Sa и Sf,, задающие длительности их включенного состояния; и м, UBN напряжения на зажимах А и В относительно средней точки конденсаторов - N; идв - напряжение между зажимами А и В; UQ И UQ - напряжения на конденсаторах Q и С2 соответственно.
Проводящие состояния ключей Sa и Sf, задаются импульсами управления, синхронизированными с ЭДС питающей сети ei(). Длительность импульсов равна ук и регулируется коэффициентом у = 0...1. Как будет показано ниже, энергетические показатели качества электромагнитных процессов во многом определяются коэффициентом у.
Синтез векторной ШИМ в трехфазном трехуровневом преобразователе с ЕДН
В цифровых системах ШИМ значения изменяющегося во времени вектора задания дискретизируются с частотой ШИМ, поэтому на каждом малом интервале усреднения задающий вектор будем считать величиной постоянной. Очевидно, что на основании полученных соотношений весовых коэффициентов и соотношений для границ треугольников на некотором малом интервале времени (периоде усреднения) можно синтезировать вектор заданного напряжения.
Алгоритм синтеза обобщенного вектора задания в общем случае включает ряд основных этапов [276]: 1. Предварительный анализ координат вектора задания и при необходимости - их ограничение для обеспечения принципиальной возможности решения задачи аппроксимации. 2. Выбор состава образующих векторов для аппроксимации вектора задания с учетом его пространственного положения. 3. Определение длительностей интервалов реализации каждого из образующих векторов в пределах интервала усреднения в соответствии с требованием равенства усредненного значения вектора напряжений преобразователя заданному значению. 4. Выбор порядка следования реализаций образующих векторов на интервале усреднения и синтез сигналов управления ключами преобразователя во временной области.
В отличие от двухуровневого преобразователя, в трехуровневом преобразователе образующие векторы имеют большее число комбинаций состояний ключей схемы, в том числе «избыточных». Данное обстоятельство накладыва 196 ет свой отпечаток на синтез ШИМ, в особенности на выбор порядка следования реализаций образующих векторов.
Электромагнитные процессы, протекающие в трехфазном трехуровневом преобразователе, во многом будут определяться используемыми при синтезе V комбинаций состояний ключей силовой схемы. Очевидно, что все комбинации состояний ключей, которыми характеризуется преобразователь, могут участвовать в процессе формирования фазных напряжений схемы. Резервные комбинации, например (2,1,1), (1,0,0), образуют один обобщенный вектор и с точки зрения формирования фазного напряжения можно использовать любую из них. Однако каждая из рассматриваемых комбинаций состояний ключей по-разному оказывает влияние на формирование напряжений на конденсаторах звена постоянного тока. На рис. 4.9, а показана схема замещения для комбинаций состояний ключей (2,1,1), а на рис. 4.9, б схема замещения для замещения
для комбинаций состояний ключей (1,0,0), в первом случае происходит процесс заряда конденсатора Q, а во втором заряда конденсатора С Поэтому
при формировании алгоритма векторной ШИМ важным является определение необходимой временной длительности использования каждой из этих комбинаций состояний ключей. В противном случае, в силу ряда причин, таких как динамическое изменение нагрузки, неидеальность элементов силовой схемы и т.д. напряжение на выходных конденсаторах может иметь небаланс. И если не предпринимать никаких мер по формированию напряжений на конденсаторах, то величина формируемых напряжений на конденсаторах может отличаться друг от друга существенно, что приведет к нарушению нормальной работы трехуровневого преобразователя. Для того чтобы исключить подобную ситуацию, разработчиками должны быть предприняты определенные меры для балансировки напряжений на конденсаторах преобразователя. Возможность контролировать процесс заряда и разряда выходных конденсаторов предоставляют
Проведя анализ для вышеперечисленных комбинаций можно составить таблицу 4.2, которая будет отражать комбинации состояний ключей, соответствующие подзарядке верхнего или нижнего конденсатора выпрямителя. В таблице знаком «+» отмечен процесс заряда конденсатора. Резервные комбинации состояний ключей выделены серым цветом.
Для осуществления баланса напряжений на конденсаторах звена постоянного тока используют способ перераспределения весовых коэффициентов между избыточными комбинациями состояний ключей [254], т.е. 1 Таким образом, можно отметить, что векторная ШИМ в системах управления для трехуровневых преобразователей легко может выполнять требования по балансу напряжений на конденсаторах звена постоянного тока при использовании резервных комбинаций состояний ключей схемы.
Согласно тому, что каждый шестидесятиградусный сектор содержит в себе четыре треугольника, для каждого из треугольников порядок следования образующих векторов будет индивидуальный. На рис. 4.10 представлены диаграммы распределения во времени интервалов реализаций образующих векторов для треугольников первого сектора, удовлетворяющие вышеперечисленным показателям.
В представленных диаграммах принцип распределения комбинаций состояний ключей образующих векторов заключается в следующем. Период модуляции делится пополам. На полупериоде модуляции распределение комбинаций состояний ключей осуществляется таким образом, чтобы переход от одной КСК к другой происходил с одной коммутацией в силовой схеме.
