Содержание к диссертации
Введение
1 Разработка математической модели комплекса вентильный преобразователь - двигатель постоянного тока для синтеза оптимального управления преобразователем 9
1.1 Анализ моделей вентильных преобразователей 9
1.2 Разработка математической модели комплекса вентильный преобразователь - двигатель постоянного тока 15
1.3 Исследование полученной модели при решении типовых задач 18
1.4 Выводы 32
2 Разработка математических моделей ограничителя тока реакторного типа для оптимизации его параметров 33
2.1 Постановка задачи 33
2.2 Разработка математической модели ограничителя тока 37
2.3 Исследование работы модифицированного токоограничителя с использованием разработанных математических моделей 46
2.4 Проектирование токоограничителя реакторного типа с использованием разработанной математической модели устройства 57
2.5 Выводы... , 65
3 Разработка математических моделей накопительного устройства с
традиционным преобразователем тока для оптимизации его параметров 67
3.1 Вывод основных соотношений, характеризующих работу традиционного преобразователя в функции выпрямленного тока 68
3.2 Разработка математической модели накопительного устройства с традиционным преобразователем тока 76
3.3 Разработка математической модели накопительного устройство с традиционным преобразователем тока при поочередном управлении 83
3.4 Выводы 87
4 Разработка математической модели накопительного устройства с преобразователем тока при ШИМ управлении для оптимизации его параметров 89
4,1. Вывод основных соотношений, характеризующих работу преобразователя тока с ШИМ управлением 89
4.2 Разработка математической модели накопительного устройства с преобразователем тока с ШИМ управлением 97
4.3 Методика определения параметров накопительного устройства с преобразователем тока с ШИМ управлением 108
4.4 Выводы 110
5 Оптимизация электропотребления в системе с несколькими нагрузками с учетом качества электроэнергии Ї11
5.1 Использование активных фильтров в системах распределения электроэнергии для повышения ее качества 112
5.2 Разработка класса определений реактивной мощности при несинусоидальных токах и напряжениях, обеспечивающего решение задачи оптимизации энергопотребления 119
5.3 Оптимизации электропотребления каждым потребителем в
отдельности в системе распределения электроэнергии 126
5.4 Выводы 133
Заключение 134
Список литературы 136
Приложение А. Листинг программ 141
Приложение Б. Аппроксимация основной кривой намагничивания 147
Приложение В. Расчет индуктивностей рассеяния 153
Приложение Г. Эскиз токоограничителя 156
Приложение Д. Расчет параметров токоограничителей нанапряжение 6 кВ 157
Приложение Е. Осциллограммы переходных процессов в сети 6 кВ с ограничителем тока , 162
Приложение Ж. Расчет параметров токоограничителя на напряжение ПО кВ 168
Приложение И. Оценка технико-экономической эффективности применения накопительного устройства со СПИН на ПС «Плесецк» 171
Приложение Л. Характеристики преобразователя тока при поочередном управлении 185
Приложение М. Расчет параметров и моделирование процессов в накопительном устройстве с преобразователем тока с ШИМ управлением 195
Приложение Н. Сравнение результатов моделирования процессов в
токоограничителе с физическим экспериментом 211
- Анализ моделей вентильных преобразователей
- Разработка математической модели ограничителя тока
- Вывод основных соотношений, характеризующих работу традиционного преобразователя в функции выпрямленного тока
- Вывод основных соотношений, характеризующих работу преобразователя тока с ШИМ управлением
- Использование активных фильтров в системах распределения электроэнергии для повышения ее качества
Введение к работе
Актуальность темы. В электрических цепях современных электроэнергетических систем и электротехнических комплексов все более широкое применение находят новые управляющие элементы. К ним относятся устройства «гибких» линий (FACTS): устройства продольной и поперечной компенсации, объединенный регулятор перетока мощности, фазоповоротное устройство, вставки постоянного тока, накопительное устройство со сверхпроводниковым индуктивным накопителем, - а также токоограничители, активные фильтры, асинхронизированные турбогенераторы, машинно-вентильные системы. Применение данных устройств может значительно улучшить технико-экономические показатели электроэнергетических систем и электротехнических комплексов, придать им новые возможности.
Управляемые элементы электрических цепей современных систем и комплексов являются нелинейными устройствами с характерными типами нелинейности, определяемой используемой элементной базой. По вопросам разработки теории работы и моделирования таких цепей было выполнено множество работ, в частности вопросам математического моделирования вентильных цепей посвящены работы Булгакова А.А., Бутырина П.А., Зиновьева Г.С., Коротков Б.А., Маевского О.А., Неймана Л.Р., Новосельцева А. В., Поссе А.В., Толстого Ю.Г., Тонкаля В.Е. и др., теории работы и разработке моделей магнитных цепей посвящены работы Бессонова Л.А., Буля Б.К., Коровкина Н.В., Лейтеса Л.В., Розеиблата М.А., Сторма Г.Ф., Шакирова М.А. и др., вопросам применения, создания и моделирования сверхпроводниковых накопителей посвящены работы Андрианова В.В., Астахова Ю.Н., Башилова В.А., Башкирова Ю.А., Беляева Л.С, Вершинина Ю.Н., Глебова И.А., Зенкевича В.В., Копылова СИ., Филиппова СП., Черноплекова Н.А., Шатарина В.Н., Якимца И.В. и др.
Вместе с тем, выше указанные работы направлены в основном на решение задач анализа. Для более эффективного применения новых устройств
5 необходимо решение задач проектирования и управления, связанных с оптимизацией параметров управляющих элементов электроэнергетических комплексов и систем и синтезом их оптимального управления. Вследствие этого, разработка математических моделей устройств, ориентированных на решение оптимизационных задач весьма актуальна.
Целью работы является разработка и исследование таких математических моделей управляющих элементов электрических цепей электроэнергетических систем и электротехнических комплексов, которые позволяют эффективно решать задачи оптимизации.
Достижение цели исследования предполагает решение следующих основных задач:
Анализ моделей вентильных преобразователей
Проблема решения задачи синтеза управления вентильным преобразователем заключается в сложности его математической модели. Это вызвано тем, что принцип работы преобразователя основан на периодической коммутации силовых ключей, приводящей к изменению структуры цепи. Для каждого из возможных состояний вентилей электромагнитные процессы описываются различными уравнениями, и поэтому получить точную модель преобразователя с нагрузкой на произвольном интервале времени невозможно. При этом решение задачи синтеза управления вентильным преобразователем связано с рассмотрением процессов, длительность которых значительно превышает время нахождения вентильного преобразователя в неизменном состоянии.
Тем не менее, существует ряд упрощенных моделей вентильного преобразователя, пригодных для решения рассматриваемой задачи, представляющих собой разностные уравнения, в которых переменные состояния рассматриваются только в моменты коммутации вентилей. Рассмотрим их более подробно.
Разработка математической модели ограничителя тока
В качестве средства моделирования использовалось приложение Simulink/SPS программной среды Matlab, для которого характерно представление исследуемого устройства в виде макромодели, представляющей собой управляемый источник тока или напряжения.
При создании модели токоограничителя в Simulink/SPS возможны два варианта: создать макромодель одного реактора (магнитопровода с обмотками) и «собирать» численную модель токоограничителя из макромоделей реакторов или создавать макромодель всего токоограничителя целиком. Первый вариант характеризуется относительной легкостью математического описания и создания макромоделей, позволяет легко реализовать различные схемные решения токоограничителя и, соответственно, наиболее привлекателен для разработчика. Однако, как показала практика, данный подход может быть использован только для моделей токоограничителей с небольшим числом макромоделей реакторов и обмоток. Это объясняется тем, что макромодели реакторов представляют собой управляемые источники тока и при их соединении образуются особые разрезы. Чем сложнее конструкция токоограничителя тем больше особых разрезов будет содержаться в схеме, что приводит к увеличению жесткости решаемых систем уравнений. Для конструкции токоограничителя, разработанной специалистами Курчатовского института, данный подход не позволил добиться какого бы ни было результата.
class3 Разработка математических моделей накопительного устройства с
традиционным преобразователем тока для оптимизации его параметров class3
Вывод основных соотношений, характеризующих работу традиционного преобразователя в функции выпрямленного тока
Для ЕНЭС России крайне важны задачи повышения режимной надежности и управляемости, улучшения использования основного электроэнергетического оборудования и снижения расхода топлива на электростанциях. Перспективным направлением их решения является применение локальных источников активно-реактивной мощности со сверхпроводящим индуктивным накопителем (СПИН). Основными преимуществами данного типа накопителя перед другими системами являются [17]: высокий КПД, компактность, связанная с высокой плотностью запасаемой энергии, широкий диапазон изменения времени рабочего цикла и высокое быстродействие, незначительное экологическое влияние, упрощающее проблему выбора мест расположения. Работы по разработке и созданию СПИН активно ведутся как в нашей стране, так и за рубежом [18,19,20,21].
Для обеспечения работы индуктивного накопителя с энергосистемой требуется вентильный преобразователь. Именно типом преобразователя и алгоритмами его управления определяется способность рассматриваемого устройства обеспечивать регулирование не только активной, но и реактивной мощности, поддерживая тем самым требуемый режим работы электропередачи. Кроме того, тип преобразователя определяет параметры всего комплекса оборудования накопительного устройства со СПИН. В случае, когда требования энергосистемы по генерации (потреблению) активной и реактивной мощности обеспечивают несколько типов преобразователей, критерием выбора является стоимость накопительного устройства. В связи с этим для каждого типа преобразователя необходимо получить установленные мощности оборудования накопительного устройства и его общую стоимость, причем данные параметры должны быть оптимальными при заданных энергосистемой требованиях к накопителю.
Вывод основных соотношений, характеризующих работу преобразователя тока с ШИМ управлением
Исследованию работы накопительного устройства со СПИН, его влиянию на статическую и динамическую устойчивость энергосистемы посвящено множество работ [34,35,36,37,38,39,40]. Однако в качестве преобразователя тока во всех этих работах рассматривался традиционный преобразователь на однооперационных тиристорах, который имеет ряд недостатков, таких как низкие пределы регулирования потребляемой реактивной мощности, как следствие, необходимость дополнительных компенсирующих устройств и завышенная установленная мощность всего оборудования. С другой стороны в последнее время появились мощные полностью управляемые тиристоры (GTO, SGCT), с использованием которых уже выполняются мощные преобразователи [41] для собственных нужд электростанций. Применение преобразователей на полностью управляемых тиристорах позволяет добиться качественно новых свойств накопительного устройства и исключить использование устройств компенсации реактивной мощности. Но при этом стоимость полностью управляемых вентилей значительно выше стоимости вентилей на однооперационных тиристорах. Для окончательного выбора использования того или иного типа преобразователя в накопительном устройстве требуется технико-экономическое сравнение вариантов, для чего, как и для случая использования традиционного преобразователя, требуется разработка математической модели накопительного в виде аналитических зависимостей установленных мощностей основного оборудования накопителя от его параметров.
Использование активных фильтров в системах распределения электроэнергии для повышения ее качества
Для фильтрации высших гармоник тока традиционно используются группы пассивных фильтров (LC-цепочки, настроенные в резонанс и подключаемые параллельно), настроенные на наиболее значимые высшие гармоники, такие как 3, 5, 7 и т.д. Одновременно пассивные фильтры высших гармоник компенсируют реактивную мощность потребителя на основной частоте, которая может достигать достаточно больших значений.
При простоте конструкции и сравнительно низкой стоимости, пассивные фильтры высших гармоник имеют ряд существенных недостатков. Сопротивление фильтра на частоте фильтруемой высшей гармоники является ненулевым и имеет активную и реактивную составляющие, ограничивающие степень фильтрации. Активная составляющая сопротивления фильтра на частоте фильтруемой гармоники практически полностью определяется потерями в реакторе фильтра (активное сопротивление провода, потери в магнитопроводе и т.д.). Реактивная составляющая связана с технологическими допусками емкости конденсатора и индуктивности реактора фильтра, изменением емкости конденсатора фильтра в процессе эксплуатации и отклонениями частоты. В частности, последнее характерно для сетей с резкопеременыыми нагрузками. В настоящее время при изготовлении низковольтных конденсаторов и реакторов для фильтров высших гармоник показатели по технологическим допускам на емкость составляют ДС-+10%-5% или в отдельных случаях ДС-±5%, на индуктивность Д1 = ±3% [45]. Изменение емкости в процессе эксплуатации связано с повышенными потерями в конденсаторе при несинусоидальных токах и напряжениях. Увеличение потерь приводит к росту температуры, и как следствие, снижению емкости конденсатора [46].
Пассивные фильтры могут образовывать резонансные (как по току, так и по напряжению) цепочки с индуктивностями и емкостями других элементов системы электроснабжения. Наиболее распространенным является параллельный резонанс или «антирезонанс» [47]. Параллельный резонанс имеет место на частоте, близкой к частоте настройки фильтра. В случае расстройки фильтра, например, снижении емкости конденсатора в процессе эксплуатации, частота параллельного резонанса приближается к частоте фильтруемой гармоники, а значит, амплитуды соответствующей гармоники напряжения на шинах СЭ могут достигать значений, приводящих к пробою изоляции, выходу из строя конденсатора фильтра и т.п. При этом значения токов фильтруемой гармоники в источнике и фильтре значительно превышают ток, генерируемый нелинейной нагрузкой. Поэтому при установке пассивных фильтров необходимо досконально изучить участок системы электроснабжения и выбрать параметры фильтра таким образом, чтобы минимизировать возможность возникновения резонансных явлений.
