Разработка и исследование статических компенсаторов реактивной мощности на основе тиристорно-переключаемых схем Элгибали Ахмед Элсайед Ибрагим

Введение к работе

Актуальность и степень разработанности темы исследования.

Современные тенденции развития электроэнергетики характеризуются
быстрым развитием промышленности, ростом спроса на электроэнергию,
энергосбережением, а также повышением требований к стабильности и
надежности электроснабжения. Перечисленные направления развития

энергетики напрямую связаны с необходимостью повышения как

управляемости процесса передачи электроэнергии, так и повышения качества управления режимами электроэнергетических систем. Одним из способов реализации указанных тенденций является реализация концепции «Smart Grid» («Умные, интеллектуальные сети электроснабжения», «активно-адаптивные электрические сети»), развитие которой осуществляется во всех ведущих странах мира, включая Россию. Реализация концепции Smart Grid подразумевает развитие систем электропередачи, систем защит и управления процессами в электроэнергетике, а также развитие систем повышения качества электроэнергии. Реализация и внедрение в энергосистему технологии гибких систем переменного тока (Flexible AC transmission system - FACTS), базирующейся на использовании управляемых устройств силовой электроники с целью воздействия на режимы работы линий электропередачи, во многом способствует реализации концепции Smart Grid. Одними из эффективных устройств технологии FACTS являются статические компенсаторы реактивной мощности (СКРМ). СКРМ позволяет увеличить передаваемую полную мощность линии, управлять напряжением в месте его установки, а также снижать потери энергии при ее передаче за счет компенсации реактивной мощности. СКРМ способны эффективно работать на всех уровнях напряжения энергосистемы (высокое, среднее, низкое напряжение).

В настоящее время проводится большое количество исследований, посвященных развитию СКРМ и методам их управления. Согласно только базе данных SCOPUS, на сегодняшний день в мире существует свыше 3500 исследований, связанных с СКРМ.

СКРМ являются важным элементом управления режимами работы энергосистемы, позволяющим регулировать реактивную мощность в энергосистеме, регулировать напряжение участков энергосистемы, а также увеличивать запас устойчивости энергосистемы. Однако, у широко применяемых на сегодняшний день СКРМ имеется недостаток, связанный с генерацией высших гармоник тока в процессе регулировании реактивной мощностью. Данная проблема решается путем фильтрации высших гармонических составляющих. Однако, как показал опыт реализации и эксплуатации систем СКРМ такими фирмами как ABB, Siemens, General Electric, установка фильтров высших гармоник требует существенных

финансовых затрат. Очевидно, что рыночный спрос требует внедрения новых систем СКРМ с более низкой стоимостью и высокой производительностью.

Диссертация посвящена разработке новых СКРМ, построенных на базе тиристорно-переключаемых схем, обеспечивающих нулевой уровень гармоник регулируемого тока при управлении реактивной мощностью. В работе описаны принципы работы и характеристики новых схем СКРМ, а также приведена методика расчета параметров реактивных элементов СКРМ, позволяющая получить их значения для обеспечения равномерного распределения регулируемых уровней мощности во всем диапазоне регулировочной характеристики.

Одним из основных требований, предъявляемых к СКРМ, является
поддержание высокого качества электроэнергии при управлении реактивной
мощностью. Тиристорно-переключаемые СКРМ характеризуются дискретными
регулировочными характеристиками реактивной мощности. Поэтому,

разработка систем СКРМ включала разработку методов оптимизации
параметров компонентов СКРМ, что позволило обеспечить высокую
дискретность управления реактивной мощности при ограниченном количестве
реактивных элементов в схемах. Методология оптимизации схем базируется на
снижении суммарных установленных мощностей силовых элементов СКРМ. В
диссертации представлены математические модели новых схем СКРМ,
позволяющие проводить анализ работы СКРМ при регулировании реактивной
мощности, как в статическом, так и в динамическом режимах. В работе
представлены также результаты физического и математического

моделирования, подтвердившие справедливость и эффективность,

предлагаемых в рамках диссертации решений по построению и реализации СКРМ и их систем управления.

Объектом исследования являются тиристорно-переключаемые схемы СКРМ, обеспечивающие высокое качество реактивной энергии во всем диапазоне ее регулирования.

Предметом – разработка подходов к построению СКРМ на основе тиристорно-переключаемых схем, методов оптимизации их параметров, алгоритмов их управления, а также систем управления, позволяющих реализовать высокое качество реактивной энергии во всем диапазоне ее регулирования.

Целью диссертационной работы является разработка принципов построения СКРМ на основе тиристорно-переключаемых схем, а также их систем управления, обеспечивающих отсутствие высших гармоник в токе СКРМ во всем диапазоне его регулирования.

Задачи диссертации. Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Разработка тиристорно-переключаемых схем СКРМ, обеспечивающих нулевой уровень высших гармонических составляющих тока, а также высокий уровень дискретизации при регулировании реактивной мощности;

2. Решение задачи оптимизации параметров реактивных элементов для каждой из рассматриваемых схем СКРМ с целью обеспечения равномерной регулировочной характеристики реактивной мощности;

3. Разработка и исследование алгоритмов управления новыми схемами СКРМ, учитывающих особенности процессов, как в индуктивных, так и емкостных блоках СКРМ;

4. Разработка и исследование систем управления, реализующих требуемые алгоритмы управления СКРМ;

5. Разработка моделей и подходов к исследованию электромагнитных процессов в линии электропередачи при работе с предложенными схемами построения СКРМ в среде моделирования MATLAB / SIMULINK;

6. Создание физической модели СКРМ и его системы управления для исследования режимов работы СКРМ на основе тиристорно-переключаемых схем.

Научная новизна:

7. Предложены подходы к построению СКРМ на основе тиристорно-переключаемых схем, обеспечивающих управление реактивной мощностью с отсутствием высокочастотных составляющих в кривой регулируемого в тока;

8. Предложен подход к расчету параметров реактивных элементов схем СКРМ, обеспечивающий максимально равномерное распределение регулируемых уровней реактивной мощности на их регулировочных характеристиках;

9. Разработаны критерии сравнения предложенных схем СКРМ по количеству уровней регулирования реактивной мощности, установленным мощностям реактивных элементов и ключей;

10. Разработаны и исследованы алгоритмы управления предложенными схемами СКРМ, учитывающие специфику электромагнитных процессов при управлении индуктивной и емкостной группами, входящих в СКРМ;

11. Разработана структура системы управления и методика расчета основных ее блоков для СКРМ, построенных на основе тиристорно-переключаемых схем.

Практическая значимость работы:

12. Предложен подход к сравнению СКРМ, построенных на основе тиристорно-переключаемых схем, по критериям суммарной установленной мощности реактивных элементов, полупроводниковых ключей, а также количеству уровней регулирования реактивной мощности;

13. Показана возможность уменьшения установленных мощностей основных элементов силовых схем СКРМ за счет выбора количества уровней регулирования реактивной мощности, алгоритмов управления ключами;

14. Разработана имитационная модель СКРМ, построенных на базе тиристорно-переключаемых схем, с использованием стандартного программного пакета MATLAB / SIMULINK, позволяющая исследовать различные режимы работы СКРМ в составе энергосистемы;

15. Разработана физическая модель СКРМ и его системы управления, позволяющая исследовать физические процессы в СКРМ, построенных на основе тиристорно-переключаемых схем.

Методы исследования базируются на фундаментальных положениях
теоретических основ электротехники, преобразования и передачи

электрической энергии в электрических сетях, методах автоматического управления и оптимизации, методах имитационного моделирования в программном пакете MATLAB / SIMULINK, экспериментальных исследований на физической модели.

Основные положения, выносимые на защиту:

16. СКРМ на базе тиристорно-переключаемых схем с повышенной дискретностью регулировочной характеристики, и нулевым содержанием высших гармонических составляющих в регулируемом токе;

17. Методика определения параметров реактивных элементов схем СКРМ, позволяющая получить максимально равномерное распределение дискретных уровней регулирования реактивной мощности во всем диапазоне регулировочной характеристики;

18. Алгоритмы управления СКРМ, построенных на основе тиристорно-переключаемых схем;

19. Имитационная модель СКРМ с системой управления, разработанная в стандартном программном пакете MATLAB / SIMULINK;

20. Физическая модель силовой схемы и системы управления СКРМ. Результаты физического моделирования и их сравнительного анализа с результатами математического моделирования.

Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием математического аппарата, а также совпадением в пределах погрешности основных результатов, полученных на основе аналитических

выражений, с результатами моделирования в среде MATLAB / SIMULINK и натурного эксперимента на физической модели.

Внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены в:

21. Учебный процесс кафедры промышленной электроники НИУ «МЭИ».

22. АО «ЭНИН» в рамках проекта «Разработка управляемого источника реактивной мощности с отсутствием высших гармоник тока при регулировании электрической энергии и улучшенными технико-экономическими показателями на основе отечественной компонентной базы силовой электроники для автоматического управления напряжением и потоками мощности в распределительных электрических сетях 6-110 кВ (RFMEFI57917X0140)», выполняемого по заказу Минобрнауки РФ № 14.579.21.0140 от 26.09.2017г.

Апробация полученных результатов. Основные результаты работы докладывались на:

23. Заседаниях и научно-технических семинарах кафедры «Промышленная электроника» ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в 2017, 2018 гг.

24. XXIV Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиотехника, электроника и энергетика», г. Москва, 2018 гг.

25. 6-ой международной конференции «2016 IEEE 6^th International Conference on Power and Energy (PECON 2016) ». Мелака, Малайзия, 2016 г

26. 17-ой и 18-ой международных конференциях молодых специалистов «International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices». г. Новосибирск, 2016, 2017 гг

27. 16-ой и 17-ой международной конференции «IEEE International Conference on Environment and Electrical Engineering». г. Флоренция, Италия,

2016 г., г. Милан, Италия, 2017г.

6- 7-ой международной научной конференции «7th IEEE International
Conference on Smart Technologies IEEE EUROCON 2017» г. Охрид, Македония,

2017 г.

7. 58-ой международной научной конференции «Power and Electrical Engineering», г. Рига, Латвия, 2017 г.

8. Международной научно-практической заочной конференции «Наука сегодня: история и современность». г. Вологда, 2017 г.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 7 печатных трудах, из них 6 статьи в журналах, входящих в международные системы цитирования (Scopus, Web of Science), 1 статья в сборнике трудов, индексируемом в РИНЦ.

Личный вклад автора состоял в разработке и анализе тиристорно-
переключаемых схем СКРМ, в разработке и реализации методики оптимизации
параметров реактивных элементов СКРМ, разработке и реализации физической
модели СКРМ, планировании, проведении и интерпретации

экспериментальных исследований, написании статей участии в обсуждении и анализе полученных результатов.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 143 страницах, имеет 169 иллюстрации, 27 таблицу, включает титульный лист, оглавление, введение, 4 главы результатов работы, заключение, список литературы (56 позиций) и 1 приложения на 2 страницах.