автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Активный вольтодобавочный компенсатор нелинейных искажений напряжения судовой сети

На правах рукописи

Лебедев Василий Владимирович

активный вольтодобавочныи компенсатор нелинейных искажений напряжения судовой сети

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005559215

Нижний Новгород — 2014

005559215

Работа выполнена на кафедре "Электротехника и электрооборудование объектов водного транспорта" Волжской государственной академии водного транспорта (г. Нижний Новгород).

Научный руководитель - Коробко Григорий Иванович

кандидат технических наук, доцент ФБОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта»

Официальные оппоненты - Колганов Алексей Руфимович

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», заведующий кафедрой электропривода и автоматизации промышленных установок

_ Асабин Анатолий Александрович

кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева»

Ведущая организация - ОАО «Конструкторское бюро по

проектированию судов «Вымпел» (г. Нижний Новгород)

Защита состоится " 26 " декабря 2014 г. в 14 часов в аудитории № 1258 на заседании диссертационного совета Д 212.165.U^ в Нижегородском государственном техническом университете (603950, ГСП - 41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24).

Отзывы на авторефераты, заверенные печатью организации, просим направить по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24, НГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.165.02 или по факсу (8312) 19-82-07.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева» и на сайте www.nntu.ru.

Автореферат разослан " 17 " ноября 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.165.02

к.т.н., доцент

<LctKe£ Плехов A.C.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Обеспечение надлежащего качества электроэнергии в питающих сетях является актуальной проблемой. Особенно это касается автономных электростанций, к которым относятся судовые электроэнергетические системы (СЭЭС). Одним из значимых показателей качества электроэнергии является коэффициент нелинейных искажений напряжения. Искажение формы питающего напряжения связано в СЭЭС с наличием нелинейных потребителей, различных преобразователей, светотехнического оборудования и др. Степень искажения напряжения определяется суммарной мощностью нелинейной нагрузки, которая зачастую соизмерима с мощностью судовой электростанции. Наличие высших гармоник в напряжеЕши судовой сети негативно сказывается на работе как источников, так и потребителей электроэнергии.

Перспективным направлением в области снижения нелинейных искажений напряжения является использование активных устройств компенсации, действие которых основано на измерении и передаче в питающую сеть высших гармоник тока или напряжения, находящихся в противофазе с высшими гармониками сети. Актуальность разработки и внедрения таких устройств объясняется возможностью регулируемого воздействия на искажения сетевого напряжения, а также меньшими по сравнению с пассивными средствами компенсации массогабаритными показателями.

Однако большинство существующих активных компенсаторов не учитывает специфику структуры и работы СЭЭС, особенностью которых является использование трехпроводной или четырехпроводной системы с изолированной нейтралью, а также отклонение параметров сети от номинальных значений при изменении нагрузки.

Учитывая вышеизложенное, целью настоящей диссертационной работы является разработка и исследование активного компенсатора нелинейных искажений напряжения в составе судовой электроэнергетической системы на базе вольтодобавочных устройств, который отличается от существующих системой управления, нечувствительной к отклонениям частоты и амплитуды сетевого напряжения.

Цель работы определяет следующие задачи исследования:

1. Обоснование применения активного вольтодобавочного компенсатора нелинейных искажений с целью улучшения качества напряжения в судовой электроэнергетической системе;

2. Разработка математической модели активного вольтодобавочного компенсатора нелинейных искажений напряжения в составе СЭЭС;

3. Разработка и исследование устройства выделения сигнала суммы высших гармоник напряжения сети с учетом особенностей работы СЭЭС;

4. Исследование работы СЭЭС с активным вольтодобавочным компенсатором нелинейных искажений напряжения в статических и динамических режимах;

5. Решение вопросов практической реализации активного вольтодоба-вочного компенсатора нелинейных искажений напряжения в СЭЭС и экономическое обоснование его применения.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы использованы аналитические методы теории систем автоматического регулирования, электрических машин переменного тока, а также математическое моделирование в пакете прикладных программ «МаОаЬ ЗтшНпк» на ЭВМ.

Связь темы диссертации с научно-техническими программами

Работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2011-2013 г.г. в области энергоэффективности, энергосбережения, ядерной энергетики».

Научная новизна. Основные научные результаты работы заключаются в следующем:

1. Составлена математическая модель судовой электроэнергетической системы на основе эквивалентного дизель-генераторного агрегата, позволяющая исследовать нелинейные искажения напряжения в различных режимах ее работы;

2. Разработано математическое обоснование применения и модель активного вольтодобавочного компенсатора нелинейных искажений в составе СЭЭС;

3. Разработана структура устройства выделения сигнала суммы высших гармоник, инвариантного к отклонению параметров сетевого напряжения.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в:

1. Разработке комплекса имитационных моделей в пакете «МаЙаЬ Бша-иНпк» позволяющих исследовать СЭЭС с активным вольтодобавочным компенсатором нелинейных искажений в статических и динамических режимы работы;

2. Разработке схемы и определении параметров устройства выделения сигнала суммы высших гармоник с учетом отклонения частоты сетевого напряжения;

3. Разработке моделирующей программы для ЭВМ, позволяющей измерять коэффициент нелинейных искажений при изменении частоты напряжения;

4. Разработке схемных решений и выбора основного электрооборудования активного вольтодобавочного компенсатора, а также вариантов построения систем компенсации в СЭЭС.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы:

- в совместной разработке с ООО ГК «Электро Лэнд» опытного образца для силовой части и системы управления вольтодобавочного компенсатора нелинейных искажений напряжения;

- в учебном процессе при подготовке в ВГАВТ инженеров специальности 180407 «Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики» по дисциплине «Судовые автоматизированные электроэнергетические системы» в разделе «Качество электроэнергии судовых электростанций», по дисциплине «Моделирование судового электрооборудования и средств автоматики» в разделе «Моделирование элементов судовых электроэнергетических систем», в дипломном проектировании.

В работе автор защищает:

1. Математическую модель активного вольтодобавочного компенсатора нелинейных искажений напряжения в составе СЭЭС на основе эквивалентного дизель-генераторного агрегата;

2. Структуру и математическую модель устройства выделения сигнала суммы высших гармоник напряжения инвариантную к изменению амплитуды и частоты питающий сети;

3. Программу для ЭВМ, позволяющую в динамике измерять коэффициент нелинейных искажений напряжения.

Публикация и апробация работы. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 4 работы в журналах, реферируемых ВАК и ведущих рецензируемых журналах. Получено свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2014613892

Основные положения, результаты и выводы диссертационной работы были доложены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях:

- ежегодная XVII Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки. Н.Новгород 2012;

- ежегодная региональная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы электроэнергетики». Н.Новгород, ФГБО УВПО НГТУ им. Р.Е Алексеева, 2011, 2012.

- международный научно-промышленный форум «Великие реки». Н. Новгород, ФБОУ ВПО ВГАВТ, 2010-2013.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 103 наименований и трех приложений. Основная часть диссертации изложена на 132 страницах, содержит 65 рисунков и 5 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований.

Первая глава посвящена вопросу нелинейных искажений напряжения в автономных электроэнергетических системах, в частности в СЭЭС. Рассмотрены причины возникновения искажений напряжения, основные источники, их влияние на работу электроэнергетической системы. Произведен обзор методов оценки величины нелинейных искажений напряжения и способы их снижения.

Основными источниками искажений напряжения сети являются нелинейные потребители, к которым относятся полупроводниковые преобразователи, такие как управляемые и неуправляемые выпрямители и преобразователи частоты, светотехническое оборудование и др. Поскольку нелинейные приемники потребляют несинусоидальный ток, его высшие гармонические составляющие вызывают дополнительные падения напряжения на импедансах сети, что приводит к искажению формы сетевого напряжения.

Наличие высших гармоник напряжения в сети негативно сказывается на работе как источников, так й потребителей электроэнергии, вызывая дополнительные потери, повышение нагрева и вибрации электрических машин, ускоренный процесс старения изоляции, сбои в работе систем защиты и автоматики, возникновение резонансов. Негативно воздействуют нелинейные искажения напряжения и на сами статические преобразователи, ухудшая условия коммутации и приводя к сбоям в системе управления.

В настоящее время суммарная доля нелинейной нагрузки в СЭЭС увеличивается и мощность нелинейных потребителей становится соизмерима с мощностью источников электроэнергии. В связи с этим Российским Морским Регистром Судоходства и Российским Речным регистром вводятся требования по ограничению допустимой величины нелинейных искажений напряжения на уровне 10%.

Основными недостатками существующих пассивных способов снижения нелинейных искажений напряжения, таких как применение преобразователей с повышенной фазностью, сетевых дросселей и фильтров, дросселей постоянного тока, резонансных и синусных фильтров, являются их значительные массогабаритные показатели и высокая стоимость.

На сегодняшний день широкое распространение получают активные средства компенсации нелинейных искажений, а именно, активные фильтры гармоник. Их действие основано на измерении и передаче в питающую сеть высших гармоник тока или напряжения, находящихся в противофазе с высшими гармониками сети.

Однако, несмотря на большое разнообразие предлагаемых технических решений, подавляющее их большинство предназначено для снижения нелинейных искажений в промышленных сетях и в них не учитывается специфика автономных электростанций и в частности СЭЭС. Особенностью

структуры последних является использование трехпроводной или четы-рехпроводной системы с изолированной нейтралью. Кроме того, из-за ограниченной мощности СЭЭС изменение нагрузки сопровождается отклонением параметров питающей сети от номинальных значений. В таких условиях использование ряда устройств снижения нелинейных искажений неэффективно, а некоторых просто невозможно. Таким образом, разработка новых устройств компенсации нелинейных искажений напряжения специализированного назначения является весьма актуальной задачей. В качестве такого устройства предлагается использовать активный вольтодоба-вочный компенсатор.

Во второй главе рассмотрены различные варианты построения системы компенсации, позволяющие решить задачу снижения величины нелинейных искажений напряжения как на этапе проектирования СЭЭС, так и в процессе модернизации судна. Дано математическое описание СЭЭС на базе эквивалентного дизель-генераторного агрегата с активным вольтодо-бавочным компенсатором нелинейных искажений.

Основным параметром, определяющим массогабаритные показатели активного компенсатора, является мощность вольтодобавочного трансформатора (ВДТ). Анализ вариантов построения систем компенсации показал, что предпочтительными являются схемы включения активного компенсатора перед одним мощным или группой статических преобразователей (рис. 1а) или перед группой потребителей, чувствительных к нелинейным искажениям напряжения (рис.1 б).

Потреб ители2

Рис.1 Схемы включения активного компенсатора нелинейных искажений

Напряжение сети 1_1с, вырабатываемое генератором О, измеряется датчиком напряжения ДН и поступает в систему управления СУ активного компенсатора. На выходе СУ формируется задающий сигнал и3, который содержит сумму высших гармоник напряжения, находящихся в противо-фазе с высшими гармониками сети. В соответствии с сигналом задания на выходе широтно-импульсного преобразователя ШИП формируется напряжение вольтодобавки, которое поступает на первичную обмотку вольтодобавочного трансформатора Т. Поскольку вторичная обмотка ВДТ включена последовательно с сетью, его мощность определяется напряжением

вольтодобавки, состоящим из суммы высших гармоник напряжения сети, и номинальным током статического преобразователя в первом случае и суммарным номинальным током группы потребителей во втором.

Для варианта системы компенсации искажений напряжения в сети, представленного на рис. 1а, составлена общая схема замещения СЭЭС с активным компенсатором и схема замещения для высших гармоник (рис.2).

а) б)

Рис.2 Общая схема замещения СЭЭС с активным компенсатором нелинейных искажений (а) и схема замещения для высших гармоник (б)

Генератор представлен источником ЭДС основной гармоники Ег и эквивалентным индуктивным сопротивлением Хг (рис.2а). УВД - устройство вольтодобавки, - линейная нагрузка. Нелинейная нагрузка 2НН показана в качестве источника ЭДС высших гармоник ЕВг. Эквивалентное индуктивное сопротивление на входе нелинейной нагрузки:

Хвх = Хт + Хр + Хл, где Хт - приведенное индуктивное сопротивление вольтодобавочного трансформатора; ХР - индуктивное сопротивление реактора; Хл - индуктивное сопротивление линии.

В результате исследования схемы замещения СЭЭС для высших гармоник (рис. 26) обосновано применение принципа вольтодобавки для компенсации нелинейных искажений напряжения:

и,=1,-х

Е,-и

ЭКВг ~

ВДг

ХэШ + ХВХ7

-X

ЭКВг >

(1)

Поскольку идщ = [/,■ • квд, где квд - общий коэффициент усиления

(передачи) УВД и трансформатора Т, то выражение (1) после преобразования можно привести к виду:

ц.= Егкх ' 1 + квд-кх' (2)

Х'ЗКВ

где кх =

^ ж в + X

коэффициент соотношения внешнего и входного

вх

индуктивных сопротивлений для высших гармоник.

Анализ выражения (2) показал, что каждая ¡-я гармоника напряжения на зажимах генератора снижается пропорционально увеличению кВд, что

однозначно приводит к уменьшению коэффициента нелинейных искажений напряжения.

С учетом выражения (2) получены графические зависимости Кпи=/{квд) для

различных параметров схемы замещения и соотношения мощностей генератора и нелинейной нагрузки. На рис.3 представлены зависимости Кни = Дквд) при Хг = 0,2, К5 = 0,9, кх = 0,5, кх = 0,75, кх = 0,9, где 0 , 2 з 4 5 - относительный коэффи-

Рис.з Зависимость Кни = /(квд) циент мощности нелинейной

V п-, V па нагрузки.

при Хг= 0,2 и К5 = 0,9

В пакете Ма11аЬ БтиНпк разработана имитационная модель дизеля с двухконтурной системой стабилизации частоты вращения. Исследования показали, что применение компенсирующей связи по активному току нагрузки позволило существенно снизить как величину всплесков и провалов частоты вращения дизеля, так и время ее восстановления до номинального значения.

Математическая модель синхронного генератора построена на системе уравнений Парка-Горева. Для расчета параметров СЭЭС использована замена нескольких дизель-генераторов на один эквивалентный генератор, параметры которого определялись по базисным значениям.

На основе математических моделей в пакете МаЙаЬ БтаиНпк разработана имитационная модель СЭЭС на базе эквивалентного дизель-генераторного агрегата, представленная на рис. 5.

1

wref Diesel I

1 1 I-► went

V/ «!Г:, Рте "1

Measurement Demu*

Рис.5 Модель СЭЭС на базе эквивалентного дизель-генераторного агрегата

Модель включает в себя дизель Diesel, задающим сигналом которого является требуемая частота вращения в о.е «wref», синхронный генератор Synchronous Generator, регулятор возбуждения Excitation System, задающим сигналом которого является требуемое напряжение на выходе генера-

тора «Vref», блок контроля параметров генератора Measurement Demux и нагрузку Load.

В третьей главе проведен сравнительный анализ устройств выделения сигнала суммы высших гармоник напряжения (УВССВГ), исследованы различные режимы работы СЭЭС с активным вольтодобавочным компенсатором нелинейных искажений напряжения.

Точность выделения сигнала суммы наиболее значимых гармоник определяет степень компенсации нелинейных искажений сетевого напряжения. Кроме того, УВССВГ должно обеспечивать эффективную работу активного компенсатора при отклонении частоты и амплитуды сетевого напряжения от номинальных параметров в статических и динамических режимах работы СЭЭС. Анализ различных вариантов реализации УВССВГ показал, что оптимальным является устройство, построенное на базе полосового фильтра сетевой частоты. Оно представляет собой комбинацию фильтров Баттервор-та высокой и низкой частоты 6-го порядка. На рис 6а. показаны JIA4X и ЛФЧХ фильтра, в котором коэффициент передачи равен 1, а фазовый сдвиг равен 0 на частоте 50 Гц. На рис. 66 показаны диаграммы, поясняющие принцип действия УВССВГ. Напряжения сети Uc поступает на вход фильтра, с помощью которого выделяется основная гармоника напряжения иф. В результате сравнения иф с Uc на выходе УВССВГ формируется сигнал суммы высших гармоник U2.

ис,о.е. НЦ

V

ш

{••С

иф,ое.

f't==

щ-

.....A" 'A' A At;/ V /.....V;x. \

.....А:.. А/.........A •• / ......г ^ г

3 X а к й 70 «О 90 153 НО 120

а) б)

Рис.6 JIA4X и ЛФЧХ полосового фильтра (а) и диафаммы, поясняющие принцип действия устройства выделения сигнала суммы высших гармоник(б)

Отклонение амплитуды сетевого напряжения от номинального значения не влияет на работу УВССВГ, а отклонение частоты приводит к появлению фазового сдвига ft выходного напряжения фильтра относительно напряжения сети. В сигнале разности появляется первая гармоника, которую необходимо скомпенсировать. Был рассчитан компенсирующий сигнал:

Urr = -

Р-

РЪ

Р2

COS (fi)t + /3) - sin(*y? + /?) )

который определил структуру и параметры канала компенсации фазового сдвига. Структура канала компенсации показана на рис. 7, где Лео - сигнал отклонения частоты вращения дизель-генераторного агрегата от номинального значения. Блок вычисления коэффициентов БВК включает в себя блоки возведения в степень БВС1, БВС2 и делители сигналов ДС1, ДС2. На его выходе формируются коэффициенты Kcos и Ksin, которые с помощью блоков умножения БУ1 и БУ2 соответственно, дозируют косинусои-дальную и синусоидальную составляющие компенсирующего сигнала UKs.

¿lía.

W7~

/Лео

БВС1 ДС1

О3 —» X '' 'К i X

О2 i/ ¡Ksm

/2 1 >

БВС2 ДС2 "¿BK "

БУ2

исът(ая + /})

Рис.7 Структура канала компенсации фазового сдвига выходного напряжения фильтра

УВССВГ на базе полосового фильтра имеет высокую точность выделения сигнала суммы высших гармоник сетевого напряжения, а канал компенсации фазового сдвига обеспечивает работу устройства при отклонении частоты сетевого напряжения от номинального значения.

Для исследования эффективности компенсации нелинейных искажений напряжения в пакете Ма^аЬ ЯтиНпк была разработана модель СЭЭС с активным вольтодобавочным компенсатором, которая представлена на рис. 8.

Рис.8 Модель СЭЭС с активным вольтодобавочным компенсатором нелинейных искажений напряжения

В качестве генератора G, использован синхронный явнополюсный генератор мощностью 200 кВт с номинальным напряжением 400В, 50Гц и номинальной частотой вращения 1500 об/мин. Задание частоты вращения обеспечивается с помощью блока SB1 в o.e.. Нагрузка генератора разделена на две группы: линейная (блок LLoad) и нелинейная (блок NLLoad). В качестве нелинейной нагрузки использован трехфазный мостовой неуправляемый выпрямитель, работающий на активно-индуктивную нагрузку, величина которой составляет 100 кВт.

Активный компенсатор нелинейных искажений представлен тремя вольтодобавочными трансформаторами Та, Tb, Тс, системой управления Control system и источником питания PWT Supply. Последний состоит из трехфазного мостового выпрямителя, на входе которого установлены коммутационные дроссели, а на выходе - сглаживающий RLC-фильтр.

На рис. 9 представлены временные зависимости фазного напряжения Ua(t), фазного тока Ia(t) и коэффициента нелинейных искажений фазного напряжения THD(t) при работе генератора на нелинейную нагрузку без активного компенсатора высших гармоник и с ним.

Рис. 9 зависимости Ua(t), Ia(t) и THD(t) при работе СЭЭС без активного компенсатора высших гармоник и с ним

В начальный момент времени фазные напряжения и ток значительно искажены, а величина коэффициента нелинейных искажений достигает 14%. В момент времени I = 0,2 с. произошло включение активного компенсатора, что привело к снижению Кни до 4%, а форма тока и напряжения стала практически синусоидальной. При этом компенсатор обеспечивает сравнительно высокое быстродействие, которое оценивается по времени переходного процесса, составляющее около 0,02 с.

Степень компенсации нелинейных искажений зависит от того, насколько точно форма напряжения вольтодобавки на первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора 11Та повторяет задающий сигнал ига.

Точность формирования напряжения иТа зависит от несущей частоты модуляции, параметров выходного фильтра ШИП, а также частотных свойств ВДТ. На рис. 10 представлены временные зависимости Ша(1) и иТа(1), сравнительный анализ которых показывает достаточно хорошее, но не полное совпадение сигналов ига и иТа, чем объясняется остаточная величина коэффициента нелинейных искажений (4%).

Рис.10 Зависимости №а(1) и Шар)

На рис. 11 представлены временные зависимости изменения коэффициента нелинейных искажений напряжения ТНБ^) в СЭЭС без активного компенсатора (кривая 1) и с ним (кривая 2) при изменении мощности нелинейной нагрузки БинО). тнэ.

, кВт

—Г

Г, с

Рис. 11 Зависимости ТШЭД и БннСО при изменении мощности нелинейной нагрузки Из осциллограмм видно, что использование устройства компенсации позволяет значительно снизить коэффициент нелинейных искажений и поддерживать его величину при различной мощности нелинейной нагрузки примерно на одном уровне (около 4%).

Исследование активного компенсатора нелинейных искажений при отклонении частоты сетевого напряжения показало его работоспособность и эффективность. На рис. 12 представлены временные зависимости коэффициента нелинейных искажений ТНО(1) при снижении частоты сетевого напряжения ДО на 5%.

Рис.12 Зависимости ТНО(() и ад при снижении частоты сетевого напряжения на 5%.

Четвертая глава посвящена вопросам практической реализации активного компенсатора нелинейных искажений напряжения. Разработана силовая схема активного компенсатора, предложены варианты реализации УВССВГ и ШИМ-контроллера, выполнена оценка частотных свойств вольтодобавочных трансформаторов, произведена оценка экономической целесообразности применения разработки.

На рис. 13 представлена силовая схема одного канала компенсации активного компенсатора нелинейных искажений напряжения.

И2,ИЗ

СУ шим и^п БЗ

контроллер

Д1-Д4-*- БП

Рис. 13 Силовая схема активного компенсатора нелинейных искажений напряжения

В состав силовой схемы входит трехканальный широтно-импульсный преобразователь, три однофазных вольтодобавочных трансформатора и блок питания системы управления. Трехканальный ШИП выполняется в виде трех однофазных мостовых инверторов на базе ЮВТ-транзисторов, питающихся от общего источника питания, в качестве которого используется трехфазный мостовой неуправляемый выпрямитель с выходным сглаживающим ЬС-фильтром. Основу силовой схемы составляют сборки силовых модулей М1-МЗ. В качестве М1 использован трехфазный мостовой неуправляемый выпрямитель типа «ВВВ61Л45Ы16Ь». Сглаживающий фильтр в цепи выпрямленного тока имеет параметры

CI = 1000 мкФ, LI =0,1 мГн. Мостовой инвертор выполнен на базе двух транзисторных модулей М2 и МЗ типа «М2ТКИ-75-17», каждый из которых состоит из двух силовых IGBT-транзисторов со встроенными обратными диодами с мягким восстановлением, управляемых драйверами Д1-Д4 типа «1ДР-5-17». Блок питания БП преобразует напряжение сети в напряжения питания системы управления СУ, ШИМ-контроллера, блока защиты БЗ и драйверов Д1-Д4.

Рассмотрены возможные варианты выполнения системы управления активного компенсатора, в частности, предложены принципиальные схемы ее блоков, выполненных операционных усилителях, элементах логики, перемножителях сигналов. Блок-схема УВССВГ представлена на рис.14, где приняты следующие обозначения: UA, Ub, Uc - фазные напряжения сети;

ФА, Фв, Фс - полосовые фильтры сетевой частоты 6-го порядка; БКС — блок компенсирующего сигнала; Uka, Uкв, Uкс - сигналы компенсации фазового сдвига при отклонении частоты сетевого напряжения; Uia, UZB, Uzc - результирующие сигналы сумм высших гармоник сетевого напряжения. В качестве ко-синусоидальной составляющей компенсирующего сигнала каждой фазы использованы линейные напряжения на выходе фильтров двух других фаз (UAB, Ubc, Uca).

В качестве альтернативного варианта для построения системы управления предложено использовать процессоры цифровой обработки сигналов (ПЦОС) TMS320C24X компании Texas Instruments Inc. Они содержат до 16 j

каналов ШИМ с расширенными функциями и до 4 таймеров. Модуль АЦП имеет время преобразования 500 ns и до 16 входных каналов, что позволяет на базе одного устройства реализовать одновременно УВССВГ и ШИМ-контроллер.

Проведено экспериментальное исследование частотных свойств типового трансформатора ОСМ с номинальными параметрами 380/42 В, 50 Гц, S=2,5 кВА, г| = 92%. Была изготовлена опытная установка в соответствии со схемой, показанной на рис. 13. Вместо системы управления был использован генератор синусоидального напряжения регулируемой частоты от 250 до 1250 Гц. Испытания показали, что в диапазоне частот до 1000 Гц коэффициент трансформации трансформатора практически не изменяется. Дальнейшее увеличение частоты приводит к снижению коэффициента трансформации. Таким образом, полоса пропускания типовых трансформаторов с номинальной частотой 50 Гц подтверждает возможность их использования в составе активного компенсатора нелинейных искажений.

Практические испытания показали, что двухкаскадный ЬС-фильтр на выходе ШИП при коэффициенте сглаживания больше 100 обеспечивает полосу пропускания шире, чем у типового трансформатора.

Произведены расчеты экономической эффективности проекта по применению вольтодобавочных компенсаторов в СЭЭС, основным показателем которой принят чистый дисконтированный доход (ЧДД) в течение установленного периода эксплуатации и срок окупаемости (Ток). Расчетный период - 10 лет. Расчетная стоимость дизельного топлива - 28000 руб. При суммарных капитальных затратах К0б = 192000 руб. ежегодный прирост прибыли за счет экономии топлива составил ДП = 154000 руб., а срок окупаемости Т0к = 15 мес. ЧДД за весь срок службы оборудования составил ЧДД = 755100 руб. Результаты расчета представлены на рис. 15.

-400 -1-------------------------------------

Рис.15 График изменения чистого дисконтированного дохода в течение срока эксплуатации 1-при текущей стоимости дизельного топлива; 2 - при увеличении стоимости топлива на 25%

Индекс доходности составил ИД = 3,93, что подтверждает экономическую целесообразность применения предложенного активного вольтодоба-вочного компенсатора нелинейных искажений напряжения.

В заключение изложены основные научные и практические результаты диссертационной работы.

В приложении приведены акты внедрения результатов диссертационной работы, документы авторского права, графические зависимости Кпи = /(кнд) при различных значениях X,- и К8.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В итоге проведенных исследований получены следующие основные результаты:

1. Обоснована необходимость разработки, исследования и внедрения на судах активных устройств компенсации нелинейных искажений напряжения, позволяющих повысить качество электроэнергии и обеспечить тем самым нормальную работу элементов судовой электроэнергетической системы (как источников, так и потребителей).

2. Разработаны варианты построения систем компенсации, позволяющие решить задачу снижения величины нелинейных искажений напряжения

как на этапе проектирования СЭЭС, так и в процессе модернизации электрооборудования судна.

3. Разработаны математические модели элементов СЭЭС (дизеля, эквивалентного синхронного генератора) и вольтодобавочного компенсатора нелинейных искажений напряжения, на базе которых была создана комплексная модель, позволяющая упростить процесс исследования судовой электроэнергетической системы в статических и динамических режимах ее работы.

4. С учетом специфики построения и работы СЭЭС синтезирована структура и определены параметры устройства выделения сигнала суммы высших гармоник напряжения, инвариантного к отклонению частоты и амплитуды сетевого напряжения как в статических, так и в переходных режимах работы судовой электростанции.

5. На основании результатов моделирования комплексной модели СЭЭС с активным компенсатором нелинейных искажений напряжения доказана эффективность его работы. При изменении мощности нелинейной нагрузки от 65% до 125% от номинального значения коэффициент нелинейных искажений без компенсации изменяется от 10% до 14,5%. При включении компенсатора его величина уменьшается до уровня 4% и поддерживается практически постоянной независимо от изменения мощности нагрузки.

6. С использованием разработанной модели вольтодобавочного устройства определено оптимальное значение несущей частоты модуляции (20 кГц) и скорректированы параметры выходного фильтра ШИП, при которых обеспечивается максимальная полоса пропускания при коэффициенте сглаживания, равном 100. Произведена оценка частотных свойств вольтодобавочного трансформатора, доказавшая возможность его применения при работе с гармониками до 25 порядка.

7. Разработана силовая схема вольтодобавочного компенсатора на базе однофазных мостовых ШИП с несимметричным законом коммутации силовых ключей, двухкаскадного выходного ЬС-фильтра и типового трансформатора с номинальной частотой 50 Гц. Предложены различные варианты реализации устройства выделения сигнала суммы высших гармоник напряжения.

8. На базе опытного образца были проведены испытания типового трансформатора на 50 Гц. При изменении частоты напряжения на его входе от 250 до 1250 Гц были получены амплитудно- и фазочастотные характеристики, показавшие практически неизменный коэффициент трансформации и фазовый сдвиг, не превышающий 7°. Полученная полоса пропускания типового трансформатора и двухкаскадного ЬС-фильтра показала возможность их применения в составе активного компенсатора нелинейных искажений.

9. Определены показатели экономической эффективности (чистый дисконтированный доход за период эксплуатации, срок окупаемости) использования вольтодобавочных компенсаторов нелинейных искажений напряжения. Определен индекс доходности, который составляет 3,9, что подтверждает эффективность проекта.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикаиии по перечню ВАК:

1. Лебедев, В.В. Двухконтурная система стабилизации (регулирования) частоты вращения генераторного агрегата с компенсирующей связью по активному току нагрузки. [Текст] /О.С. Хватов, И.Г. Коробко, В.В. Лебедев, А.Б. Дарьенков// Промышленная энергетика №12, 2013. - С. 20-25

2. Лебедев, В.В. Моделирование устройства компенсации нелинейных искажений напряжения судовой электроэнергетической системы. [Текст] /Г. И. Коробко, В.В. Лебедев// Вестник ИГЭУ №2, 2014. - С. 45-49

Патенты и свидетельства о регистрации:

3. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2014613892 «Расчет коэффициента нелинейных искажений напряжения судовой сети в динамических режимах» Лебедев В.В., Коробко Г.И., Попов C.B.

Остальные публикации:

4. Лебедев, В.В. Источник эталонного синусоидального напряжения, синхронизированного с судовой сетью. [Текст] /Г.И. Коробко, C.B. Попов,

B.В. Лебедев// 12-й Международный научно-промышленный форум «Великие реки 2010»: труды конгресса. Т. 2 - Н. Новгород: ННГАСУ, 2011. -

C. 576-578

5. Лебедев, В.В. Система компенсации нелинейных искажений судовой сети. [Текст] /Г.И. Коробко, В.В. Лебедев// Материалы научно-технической конференции «Актуальные проблемы электроэнергетики». -Н.Новгород: НГТУ, 2011.-С. 16-19

6. Лебедев, В.В. Анализ вариантов построения систем компенсации нелинейных искажений на базе вольтодобавочных устройств/ Г.И. Коробко, В.В. Лебедев// Труды 14-го международного научно-промышленного форума «Великие реки-2012». Том 2. - Н.Новгород: Изд-во ФБОУ ВПО «ВГАВТ», 2012. - С. 275-279

7. Лебедев, В.В. Влияние высших гармоник на работу судового электрооборудования и способы их снижения. [Текст] / Г.И. Коробко, В.В. Лебедев// Труды 14-го международного научно-промышленного форума «Великие реки». Том 2. - Н.Новгород: Изд-во ФБОУ ВПО «ВГАВТ», 2012. -С. 261-264

8. Лебедев, В.В. Использование вольтодобавочных устройств для компенсации нелинейных искажений напряжения судовой сети. [Текст] /В.В. Лебедев// XVII Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки. - Нижний Новгород: НИУ РАНХиГС, 2012. - С. 161-163

9. Лебедев, B.B. Повышение качества электроэнергии в судовых электроэнергетических системах с использованием вольтодобавочных устройств./ Г.И. Коробко, C.B. Попов, В.В. Лебедев, A.C. Макаев// Труды НГТУ им. P.E. Алексеева Т 78 №1 (94). - Н.Новгород: НГТУ, 2012. - С. 192-203

10. Лебедев, В.В. Устройство выделения высших гармоник для системы компенсации нелинейных искажений напряжения. [Текст] / Г.И. Коробко, C.B. Попов, В.В. Лебедев// Материалы научно-технической конференции «Актуальные проблемы электроэнергетики». - Н.Новгород: НГТУ, 2012.-С. 168-172

11. Лебедев, В.В. Анализ устройств выделения высших гармоник напряжения автономной, электроэнергетической системы/ В.В. Лебедев// Труды 15-го международного научно-промышленного форума «Великие реки». Том 2. - Н.Новгород: Изд-во ФБОУ ВПО «ВГАВТ», 2013. - С. 261264

12. Лебедев, В.В. Выделение сигнала нелинейных искажений при отклонении частоты и амплитуды сетевого напряжения/ Г.И. Коробко, C.B. Попов, В.В. Лебедев// Труды Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева / НГТУ им. P.E. Алексеева. - Нижний Новгород, 2014. №1 (103) - С. 180-187

Личный вклад автора. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат: математические модели /1, 2, 5, 9, 12/, постановка задачи /5, 6, 7, 9, 12/, обобщение результатов /1, 2, 4, 6, 7, 12/.

Подписано в печать 12.11.2014. Формат 60 х 84 '/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 761.

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева.

Типография НГТУ. Адрес университета и полиграфического предприятия: 603950, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.