Введение к работе
Актуальность
При развитии электроэнергетики требуются более сложные системы управления. Новые подходы построения электроэнергетических узлов получили название интеллектуальных сетей, которые позволяют эффективно управлять и повышать пропускную способность сети, а также улучшать качество электроэнергии. Концепция создания интеллектуальных сетей официально объявлена в России в 2006 году по приказу РАО «ЕЭС России» № 380 «О создании управляемых линий электропередач и оборудования для них».
Интеллектуальная сеть - это совокупность подключенных к генерирующим источникам и потребителям интеллектуальных устройств, одним из которых является активное электротехническое сетевое оборудование, способное гибко менять характеристики передачи или преобразования электроэнергии для оптимизации режимов сети по нескольким критериям: пропускная способность, уровень технологических потерь, устойчивость, перераспределение потоков мощности, качество электроэнергии и пр. Оборудование для гибких линий, позволяет повысить пропускную способность линий (по некоторым оценкам - до 20%), обеспечить устойчивую работу энергосистемы, обеспечить заданные параметры сети, что снижает потери электроэнергии до 40%. Силовые устройства гибких линий являются основными для построения интеллектуальных сетей. К таким устройствам относятся различного рода статические преобразователи в электропередачах переменного тока, устройства регулирования напряжения и компенсации реактивной мощности.
В настоящее время существуют компенсаторы реактивной мощности различных топологий и принципов действия. Компенсаторы типа СТАТКОМ имеют ряд преимуществ над другими типами устройств регулирования качества электроэнергии. Они применяются для динамической стабилизации напряжения, увеличения пропускной способности в линиях электропередач, повышения устойчивости при электромеханических переходных процессах, демпфирования колебаний в энергосистеме. В России создан первый образец, установленный на подстанции «Выборгская», в тоже время за рубежом - компенсаторы СТАТКОМ имеют широкое распространение.
Одна из перспективных топологий построения СТАТКОМ - многоуровневый каскадный инвертор. Данная топология построения не широко используется при проектировании и построении компенсаторов, однако она имеет ряд преимуществ. Увеличенное выходное напряжение многоуровневого инвертора допускает его прямое подключение в сетях до ЮкВ в точке компенсации без использования трансформатора. Выходное напряжение многоуровневого инвертора имеет меньше высших гармоник, благодаря чему снижены массогабаритные и
ценовые показатели фильтров.
Большой вклад в решение проблем качества электроэнергии, разработки алгоритмов управления, исследования устройств и электромагнитной совместимости элементов системы электроснабжения внесли отечественные ученые: Розанов Ю.К., Зиновьев Г.С, Жежеленко И.В., Вагин Г.Я., Голембиовский Ю.М., Белов Г.А., Шакарян Ю.Г. и д.р. Однако устойчивость работы в установившихся и переходных режимах компенсатора на базе каскадного многоуровневого инвертора изучена недостаточно.
Связь работы с научными программами
Работа выполнена в рамках:
ГОСУДАРСТВЕННОГО КОНТРАКТА № 16.526.12.6016 на выполнение опытно-конструкторских работ в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы».
Государственного единого заказ-наряда Минобрнауки РФ №605 «Теория энергосбережения. Новые принципы автоматизации, микропроцессорного управления, построения энергосберегающих систем электропривода и устройств преобразовательной техники».
Объект исследования
Компенсатор реактивной мощности и мощности искажений на базе каскадного многоуровневого инвертора (КМИ).
Предмет исследования
Передаточные функции, алгоритмы управления, устойчивость работы корректора коэффициента мощности (ККМ) в статических и динамических режимах.
Цель работы
Разработка математических и компьютерных моделей для всестороннего исследования режимов компенсатора реактивной мощности и мощности искажения на основе каскадного многоуровневого инвертора.
Решаемые задачи
Анализ способов и устройств компенсации реактивной мощности и мощности искажений.
Создание комплекса математических и компьютерных моделей для исследования электромагнитных процессов КМИ.
Разработка новых алгоритмов управления КМИ и исследование на устойчивость установившихся и переходных режимов работы корректора коэффициента мощности (ККМ).
Разработка методик расчета параметров силовой части и системы управления ККМ.
Методы исследования
При выводе основных математических зависимостей ККМ были использованы основные положения теории нелинейных импульсных систем. При определении компенсирующих токов ККМ применены положения теории мгновенных значений токов в синхронной системе dq координат, ориентированной по вектору напряжения питающей сети. При исследовании на устойчивость ККМ по передаточным функциям использован критерий Боде из теории автоматического управления.
В качестве инструмента для анализа статических и динамических процессов в исследуемых системах использованы методы компьютерного моделирования. Имитационное моделирование выполнено с использованием среды MatLab и системы визуального проектирования Simulink.
Научная новизна
Предложен универсальный алгоритм компенсации реактивной мощности и мощности искажений одним устройством на базе каскадного многоуровневого инвертора, отличающийся от существующих тем, что за счет введения в систему управления дополнительного регулировочного звена в канале тока, обеспечивается устойчивая компенсация как реактивной мощности, так и мощности искажений. Новизна подтверждена свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Разработаны математические модели каскадного многоуровневого инвертора в синхронной dq системе координат, ориентированной по вектору напряжения сети, что позволило упростить исследование на устойчивость и разработку регуляторов компенсатора реактивной мощности и мощности искажения.
Получены аналитические передаточные функции токов в dq-координатах для анализа устойчивости ККМ в стационарных и переходных режимах, позволяющие учесть время запаздывания в системе управления и повысить устойчивость с помощью регуляторов.
Практическая ценность
1. Разработанный алгоритм управления каскадным инвертором является
универсальным, позволяет формировать многоуровневое выходное напряжение
независимо от области применения и рекомендуется к использованию при про
ектировании ККМ данного типа, в том числе с увеличенным количеством уров
ней.
2. Разработано математическое описание и комплекс прикладных программ
имитационного моделирования ККМ в пакете Matlab Simulink для исследования
на ЭВМ работы ККМ в статических и динамических режимах.
Предложена методика расчета параметров силовых реактивных элементов и параметров регуляторов системы управления для оптимизации проектируемого ККМ на базе КМИ, а также устройств на их основе.
Разработаны принципиальные схемы силовых узлов и системы управления ККМ, использованные при создании узлов макета.
Результаты диссертационной работы использованы, а также в учебном процессе при чтении лекций по курсам: «Энергетическая электроника» и «Основы промышленной электроники» студентам кафедры «Промышленная электроника» НГТУ им. Р.Е.Алексеева.
Реализация результатов работы
Полученные результаты использованы в ГОСУДАРСТВЕННОМ КОНТРАКТЕ № 16.526.12.6016 на выполнение опытно-конструкторских работ в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы», в ЗАО «НПО «Промэнерго» при разработке моделей промышленных энергообъектов с резкопеременной нелинейной нагрузкой и устройств регулирования параметров качества электроэнергии, а также при создании узлов макетного образца корректора коэффициента мощности на базе КМИ.
Основные положения, выносимые на защиту
Комплекс математических и компьютерных моделей в пакете Matlab Simu-link компенсатора реактивной мощности и мощности искажений на базе КМИ.
Алгоритм компенсации реактивной мощности и мощности искажений одним устройством на базе КМИ.
Результаты анализа устойчивости автоматической системы управления ККМ в установившихся и переходных режимах, по передаточным характеристикам ККМ в dq координатах.
Методика расчета силовых реактивных элементов и параметров микропроцессорной системы управления ККМ.
Апробация работы
Основные теоретические положения и результаты диссертационной работы были доложены на VII Всероссийская научно-техническая конференция "Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем" (Чебоксары, 2007), XIII Нижегородская сессия молодых ученых (Нижний Новгород, 2008), IX Международная молодежная научно-техническая конференция "Будущее технической науки" (Нижний Новгород, 2010).
Публикации
По результатам исследований опубликовано 12 работ. Получены свидетельство о государственной регистрации имитационной модели в прикладной про-
грамме для ЭВМ № 2009613526 от 30.06.2009г.
Структура и объем диссертационной работы
