Введение к работе
Актуальность темы. С 1930-х годов с развитием электрических сетей возникла проблема компенсации реактивной мощности (КРМ), которая сразу стала объектом постоянного внимания и исследования, регулирования параметров электрической энергии для обеспечения потребителей качественным и стабильным напряжением. Анализ нормативных документов Российской Федерации показывает что «ЕЭС России», в связи с ростом мощности возобновляемых источников энергии и построением межсистемных/межгосударственных энергетических связей, придерживается общемировой тенденции построения архитектуры «умных сетей электроснабжения» (Smart Grid).
В перечень перспективных тематик «Энергетической стратегии России на период до 2030 года» вошли: создание высокоинтегрированных интеллектуальных системообразующих и распределительных электрических сетей нового поколения в Единой энергетической системе России – Smart Grid, а так же развитие силовой электроники и устройств на их основе, прежде всего различного рода сетевых управляемых устройств (гибкие системы передачи переменного тока – FACTS). Стратегической целью данной составляющей государственной энергетической политики является создание устойчивой национальной инновационной системы в сфере энергетики для обеспечения российского топливно-энергетического комплекса высокоэффективными отечественными технологиями и оборудованием, научно-техническими и инновационными решениями в объемах, необходимых для поддержания энергетической безопасности страны.
Согласно концепции развития интеллектуальной электроэнергетической системы России с активно-адаптивной сетью, одобренной научно-техническим центром федеральной сетевой компании единой энергетической системы и Российской академией наук, реализация к 2030 г. основных мероприятий по созданию интеллектуальной энергетики в России позволит снизить потребность в установленной мощности более чем на 10% (на 34 ГВт) и электропотребление почти на 9% (140 млрд. кВтч). Таким образом, становится актуальной задача разработки сетевых управляемых устройств. При этом суммарный экономический эффект от развития интеллектуальной энергетики в «ЕЭС России» до 2030 г. может составить около 3,5 трлн. руб.
Для решения проблемы эффективного и качественного распределения электроэнергии в электросетях возможно использование узла формирования сетевых токов на базе объединенного регулятора потоков мощности (УФТ ОРПМ), предназначенного для управления величиной и фазовым углом потребляемого тока, тем самым обеспечивая заданное соотношение активной и реактивной мощности.
В настоящее время ведутся разработки и исследования схемотехнических решений и алгоритмов работы устройств, улучшающих качество электроэнергии. Данным вопросом занимались многие российские и зарубежные ученые: Балабанов М.С., Берх И.М., Гольдштейн М.Е., Егоров И.С., Железко Ю.С., Жемеров Г.Г., Жмуров В.П., Калинин Д.А., Поспелова Т.Г., Постолапий В.М., Панфилов Д.И., Ремизевич Т.В, Стельмаков В.Н., Хохлов Ю.И., Чивенков А.И., Шакарян Ю.Г., Akagi Н., Caramia P., Gabriela G., Narain G.H. и многие другие. Однако работа УФТ ОРПМ в сетях 0,4 кВ требует глубокого исследования и анализа.
Объект исследования. Активно-адаптивные устройства регулирования параметров входных/выходных напряжений/токов преобразовательных устройств.
Предмет исследования. Узел формирования входных и выходных токов объединенных регуляторов потоков мощности (УФТ ОРПМ).
Область исследования соответствует следующим пунктам паспорта специальности 05.09.12 «Силовая электроника»:
Пункт 2. Теоретический анализ и экспериментальные исследования процессов преобразования в устройствах силовой электроники с целью улучшения их технико-экономических и эксплуатационных характеристик;
Пункт 4. Математическое и схемотехническое моделирование преобразовательных устройств;
Пункт 5. Разработка научных подходов, методов, алгоритмов и программ, обеспечивающих адекватное отражение в моделях физической сущности электромагнитных процессов и законов функционирования устройств силовой электроники.
Цель работы. Теоретическое и практическое обоснование алгоритмов векторного регулирования входных и выходных токов ОРПМ и реализующих их технических решений.
Для достижения поставленных целей автор решает следующие задачи:
-
Информационный поиск и анализ технических решений преобразователей параметров электрической энергии.
-
Математическое описание соотношений параметров УФТ ОРПМ и разработка алгоритма векторного управления.
-
Построение имитационной модели УФТ ОРПМ.
-
Теоретическое исследование регулировочных характеристик преобразователя.
-
Разработка, изготовление и исследование опытного образца ОРПМ с УФТ. Связь работы с научными программами. Исследования по данной тематике
проводились в рамках ряда государственных контрактов:
-
Субсидия из федерального бюджета, соглашение № 14.577.21.0098 по теме «Разработка автоматизированного узла регулирования транспортных потоков мощности в интеллектуальной распределительной электрической сети», шифр 2014-14-579-0034.
-
Проект № 25966 по теме «Разработка модуля энергороутера для энергосистем будущего», заявка № НТИ-26447, заказчик - ФОНД ООО "ЭНЕРГОРОУТЕР" Федеральное государственное бюджетное учреждение «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере».
Методы научных исследований. Для решения поставленных задач использовались: классический математический аппарат преобразования алгебраических уравнений в комплексной форме и векторном отображении; анализ, сравнение, классификация; средства имитационного компьютерного моделирования; разложение в ряд Фурье.
Научная новизна.
На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований:
предложен способ векторного управления величиной и фазовым углом потребляемых/генерируемых токов косвенным методом, за счёт формирования напряжения на дополнительном сетевом реакторе без использования измерителей токов;
предложен алгоритм формирования заданных параметров токов потребления из сети при любом характере нагрузки;
разработана виртуальная модель УФТ ОРПМ в пакете MATLAB Simulink, реализующая алгоритм векторного регулирования потребляемых/генерируемых токов;
получены зависимости параметров тока преобразователя в точке подключения к сети от величины и фазового угла формируемого напряжения преобразователя с учётом импеданса входных цепей УФТ.
реализована работа в буферном режиме основной и резервной сети с УФТ ОРПМ на общую нагрузку.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в следующем:
предложен способ управления УФТ ОРПМ при потреблении из сети тока с заданной величиной и фазовым углом при любом характере нагрузки;
разработана имитационная модель в среде Matlab Simulink, позволяющая обеспечить снижение трудоемкости разработки узлов ОРПМ с векторным управлением;
определена зависимость величины напряжения ёмкостного накопителя при различных режимах работы преобразователя;
проведено исследование гармонического состава выходного напряжения преобразователя;
разработан опытный образец ОРПМ с УФТ, предназначенный для проведения физического экспериментального исследования.
Положения, выносимые на защиту:
способы построения и схемотехнические решения УФТ ОРПМ;
алгоритм формирования тока потребления УФТ ОРПМ с заданными параметрами при любом характере тока нагрузки;
математические соотношения параметров векторов напряжений элементов УФТ ОРПМ;
конструкторские решения опытного образца УФТ ОРПМ.
Сведения о внедрении результатов. Теоретические и прикладные результаты диссертационной работы внедрены:
-
в разработках конструкторского бюро акционерного общества «Электро Интел», г. Нижний Новгород;
-
в учебный процесс ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева» при подготовке бакалавров по направлению 210106 «Промышленная электроника» в рамках дисциплин «Основы проектирования электронной компонентной базы» и «Основы проектирования электронных приборов».
Личный вклад автора. Личный вклад автора состоит в постановке задачи, разработке математической и имитационной моделей, анализе результатов компьютерного моделирования регулятора потоков мощности, разработке и изготовлении опытного образца. В работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежат: постановка задачи, разработка алгоритмов векторного управления и обработка результатов исследования.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на: XII-XIV Международных научно-технических конференциях «Будущее технической науки», Нижний Новгород, 2013-2015; XI Международной Интернет-конференции молодых ученых,
аспирантов и студентов «Инновационные технологии: теория, инструменты, практика» (InnoTech 2014); Международной студенческой научно-практической конференции «Современное состояние и тенденции развития железных дорог» 2017; XIX и XXII Нижегородских сессиях молодых ученых (технические науки) Н. Новгород, 2014, 2017 гг.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ. Подана заявка на полезную модель №2018121141 от 07.06.2018.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 188 страницах, состоит из введения, четырех глав, содержащих 116 рисунков и 9 таблиц, заключения и 3 приложений. Список используемых источников включает 152 наименования на 19 страницах, 20 страниц приложений.