автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Исследование активных фильтров-компенсаторов на базе мостового инвертора для динамической компенсации неактивной составляющей мощности

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ Технический Университет

На правах рукописи

Ч1АН ДАИУН

ИССЛЕДОВАНИЕ АКТИВНЫХ ФИЛЬТРОВ-КОМПЕНСАТОРОВ НА БАЗЕ МОСТОВОГО ИНВЕРТОРА ДЛЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ КОМПЕНСАЦИИ НЕАКТИВНОЙ СОСТАВЛЯЮТ

МОЩНОСТИ

Специальность 05.09.12 — Полупроводниковые преобразователи

электроэнергии

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

I^ЭР--

Москва— 1993 г,

Работа выполнена на кафедре "Промыиленная электроника" Московского энергетического института СТехнического университета).

Научньй руководитель —^Доктор технических наук, профессор

¡ЛАБУЩОВ В. А.

Официальные оппоненты—доктор технических наук

РОЗАНОВ Ю. К, кандидат техн. наук, ст ЛАЗАРЕВ Г. Б.

Ведущая организация —-НИИ электромеханики

Защита состоится '401' декабря 1993 г. в аудитории каф. ЭПП в час. 00_ мин. на заседании специализированного совета Д.053.16.13 Московского энергетического института.

, профессор . научн. с.

Отзывы Св двух экземплярах, заверенньв печатью) проем направлять по адресу: 105835 ГСП, Москва, Е-250, Красноказарменная ул., 14, Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ. Автореферат разослан ноября 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета Д. 093.18.13 к.т.н., доцент

И.Г. БУРЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последние годы широкое применение вентильных полупроводниковых преобразователей, как относительно маломощных, так и большой единичной мощности в самых разных отраслях промылленности усугубляет проблему улучшения качества электрической энергии. Некачественность электроэнергии, проявляющаяся в основном в виде сдвига основной гармоники тока относительно напряжения, наличия высших гармоник в кривой тока и несимметрии напряжения в трехфазных энергосистемах, отмечается не только вблизи источников, вызывающих эти явления С вентильных преобразователей, сварочных установок, дуговых сталеплавильных печей и др.), но и в узлах и ветвях электрической сети, значительно удаленных' от них. Это означает, что ухудшение качества электроэнергии, обусловленное одними потребителями, не только влияет на работу других близких энергопотребителей, но и снижает эффективность передачи электроэнергии в электрических системах, что приводит к недоиспользованию и более далеких энергопотребителей.

Для устранения технико-экономического ущерба, вызванного спецификой Функционирования вентильных преобразователей, с одной стороны, использует способы улучшения топологии их силовых схем и методик управления, т.е. так называемые внутренне способы компенсации, однако их эффективность ограничена именно спецификой этих преобразователей. С другой стороны, все более широко применяет устройства внешней компенсации неактивных составлявших мощности, т.е. внешние способы компенсации. Возникающие в последнем случае трудности связаны в первув очередь с отсутствием в теории электрической мощности при несинусоидальных кривых токов и/или напряжений единого общепринятого определения составляющих полной -мощности, в частности реактивной, и соответствующих разложений сигналов токов и напряжений, что приводит к несогласованности параметров компенсирующих устройств и, как следствие, к разной степени энергетической эффективности процесса компенсации. В то же время, изменение импеданса системы требует корректировки структур и параметров традиционных внешних компенсирующих

устройств, так как происходит изменение амплитуд и спектра генерируемых гармоник высших порядков, а эти устройства не имеет способности самокорректировки. Это приводит к перегрузке устройств компенсации, к ухудшению их массогабаритных показателей и в ряде случаев проявлению в системе резонансных колебаний. 7"

Таком образом, поиск критерия компенсации неактивной составлявшей мощности, разработка устройств компенсации, в т.ч. активных фильтров-компенсаторов, чувствующих изменения электрической системы и обладающих высоким быстродействием, и способов их управления образуют комплекс задач, без решения которых невозможно создание энергоэффективньк устройств преобразовательной техники и повышение качества электроэнергии в энергосистемах, что является, несомненно, важной народнохозяйственной задачей.

Цель работы. _ Целью диссертационной работы является исследование активных фильтров-компенсаторов САФЮ для динамической компенсации реактивной мощности и фильтрации гармоник вьеших порядков в электрических сетях.

Метод исследований. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования базируются на теории преобразовательной техники и теории автоматического управления. Расчеты и экспериментальные исследования проводились на моделях, реализованных на ПЭВМ с использованием пакета программ NAP2.

На защиту выносятся=

— критерии компенсации и фильтрации при несинусоидальных режимах электрических цепей;

— новый принцип выработки эталонного сигнала для осуществления управления компенсатором на основе метода слежения;

—ряд принципиальных схем силовой части и вариантов системы управления Л<Ж;

— результаты теоретического исследования процессов в системе "сеть-АФК-нагрузка";

— результаты моделирования системы "сеть-АФК-нагрузка" и отдельных ее частей на ПЭВМ в различных режимах работы.

Научная новизна работы. Новизна проведенных исследований

заключается в следующем:

— Предложен критерий компенсации и фильтрации неактивных составляющих мощности в нееииусоидальных режимах электрических цепей.

— Разработан ношй способ формирования эталонного сигнала в следящей системе 'управления активным фильтром-компонсаторсм без разложения тока и напряжения на гармонические составлявши« или вычисления активной мощности нагрузки. Этот способ основан на контроле энергии, запасенной в накопителе энергии, вклвченм'-н на стороне постоянного напряжения С или тока) АФК.

— Разработан ряд вариантов системы управления, основанной на принципе следящего режима. Данные системы позволяют устранить возможные резонансные колебания в системе без Еьедения дополнительного активного сопротивления, , снизить диапазон изменения частоты переключения вентилей компенсатора и снизить эту частоту, что позволяет применить в качестве вентилей запираемш тиристоры.

— Предложен новый способ управления активным фильтром-компенсатором на базе мостового инвертора тока, основанный на регулировании фазового угла эталонного сигнала напряжения на входном конденсаторе компенсатора.

Практическая ценность работы: Результаты и выводы данной диссертационной работы могут быть полезны при разработке реальных компенсирующих устройств для улучшение в динамических режимах энергетических показателей в отдельных узлах электрических сетей или на зажимах наиболее сильно влияющих потребителей, в т.ч. -вентильных преобразователей. ' Основные положения, изложенньв в диссертации, могут служить основой для разработки практических компенсаторов такого рода. Кроме того, хорошие технико-экономические показатели предложенной системы компенсатора на базе инвертора напряжения СИНЗ безусловно определяет перспективность такого компенсатора; ••'Предложенный подход к разработке компенсатора на базе ИИ может Сыть пригоден и при исследовании и разработке аналогичного компенсатора на основе инвертора тока.

Апробация работы. Научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседал. л кафедры "Промшпенной электроники" МЭИ.

Публикации. По результатам работы опубликованы 2 статьи, 1 статья сдана в печать и по поданной заявке получено положительное решение о выдаче авторского свидетельства.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 107 наименований, содержит 129 страниц основного текста, в т.ч. 9 таблиц, и 47 рисунков.

СОЛЕРХАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе выполнен обзор аспектов, касавшихся качества электрической энергии и его улучшения, в том числе влияния некачественности электроэнергии на работу энергопотребителей. Проанализированы особенности работы традиционных устройств для компенсации реактивной мощности и фильтрации гармоник высших порядков, например, конденсаторных батарей, синхронных компенсаторов, резонансных фильтров, тиристорно-регулируемых реакторов и тиристорно-коммутируемьк конденсаторов. Существенным недостатком этих устройств является либо нечувствительность к изменению параметров электрической системы либо низкое быстродействие, причем они неспособны компенсировать реактивную мощность и отфильтровать гармоники широкого спектра одновременно.

На основе рассмотрения разных определений составляющих электрической мощности при несинусоидальных режимах отмечено, что в теории мощности отсутствует общепризнанное определение реактивной мощности в этом общем случае. Описаны основныэ известные из литературы схемы активных фильтров-компенсаторов САШ к их системы управления. Таким образом, указано, что основными препятствиями при изучении и использовании АФК являются поиск критериев компенсации и фильтрации и нахождение быстродействующего способа управления такими устройствами.

На основании анализа опубликованных работ сформулированы задачи исследования.

Во второй главе выполнена следующая работа: сформулирован критерий компенсации и фильтрации при несинусоидальных режимах,

проведен выбор конструкции АФК и его системы управления, даны теоретический анализ работы АФК на основе инвертора напряжения ШО и анализ стабильности системы "сеть-АФК-нагрузка", в которой нестабильность может проявляться в виде резонансных колебаний.

При поиске оптимальной формы кривой тока относительно определенной формы кривой напряжения предположим, что напряжение на входных займах потребителей энергии описывается произвольной периодической функцией u^>^Unsintn"L) и источник питай;;?! передает через электрическую сеть в нагрузку активную модность Р. Наилучшая <{юрыз тока в таком случае определяется так.- при удовлетворений обязательного условия

, т •

у-J uidt-P, CD

функция

, г

i*dt С2)

должна стремиться к минимуму: J -—► irrin. Анализ показывает, что потеря активной мощности в электрической системе Ст. е. JJ, снижается до минимального значения тоэдд., КЪЪЪЪ '(.!fW3ß. Wß соответствует кривой напряжения, т,.е.

i—и- -2-u-ku, ' СЗ)

где k-P/lf-const. формула С ЗА «адявд крадериен компенсации, и фильтрации в несинусоидальньк режимах.

Основное внимание уделено активным, фильтрам-компенсаторам, на базе мостового инвертора напряжения (АФКИН1 /рис. 1, СаД/, имеющим в качестве накопителя энергии на стороне., постоянного напряжения вентильного С ключевого} коммутатора, емкости 0. Чтобы повысить быстродействие системы управления, в качестве основного способа определения моментов включения и выключения вентилей АФК в диссертации выбран метод двухпозиционного слежения. На основе принципа баланса активной мощности и энергии в системе "сеть-АФК-нагрузка" найден новый способ формирования эталонного сигнала для следящей системы управления, основанный на контроле

энергии в накопительном элементе, т.е. в емкости С при использовании АФКИН. При этой эталонный сигнал сетевого тока 1с определяется формулой--

1*-У2[1с,+сис,;Гис)/к]51ПС"1-р), . • С43

где 1с,, — заданное действующее значение тока сети; ис„, ис— заданное и реальное среднее значение напряжения на конденсаторе-накопителе; к—коэффициент; с — угол сдвига тока относительно напряжения сети. Блок-схема системы управления, основанной на •соотношении (4}, показана на рис. 1 (б), где ОН, ОТ—датчики напряжения и тока; Ф—фильтр; ГСС—генератор сигнала синусоиды; К—компаратор; к—коэффициент. При этом способе определения амплитуды эталонного сигнала можно обойтись без разложений кривых тока и напряжения на гармонические составляющие или без вычислений активной мощности нагрузки.

Проведены теоретический анализ процессов на начальном этапе работы АФКИН при подключении его к сети, когда происходит, заряд конденсатора-накопителя, и анализ установившихся процессов е системе по рис. 1 Са). Результаты анализа, зарядного процессе показывает, что при определенном выборе емкости накопителя с принятой системе управления длительность этого процесса не превышает полупериод сетевой частоты, т.е. составляет менее 1С мс. В установившемся режиме напряжение на конденсаторе-накопителе С имеет сложную кривую и изменяется периодически с частотой 100 Гц. Указан подход к определение параметров АФКИН, отмечены взаимные связи этих параметров.

Проанализирована возможность предотвращения возникновения I системе "сеть-АФК-нагрузка" резонансных колебаний, возникавши при наличии- на входе АФКИН конденсаторного или резонансного ЬС-фильтра, включаемого для сглаживания высокочастотных пульсаций 1 кривой напряжения ин, обусловленных работой компенсатора пр! конечной величине сопротивления сети 1?с. На рис. 2 Са! представлена блок-схема системы "сеть-АФК-нагрузка" с< сглаживающим фильтром Ц-Ср где НН—нелинейная нагрузка, МИ] —мост инвертора напряжения. Блок-схема системы управление изображена на рис. 2 С 63, где ОТ—датчик тока, и к2 — коэффициенты, К—компаратор; а на рис. 2 Св) показав упрощенная схемй рис. 2 Са) и Сб). Путем анализа корн©

i- 9 -

h

Рис. Г

характеристического уравнения схемы рис. 2 СвЭ найдены условия для устранения резонансных колебаний в системе рис. 2 Са)=

Необходимо отметить, что эти условия получены при использовании простого емкостного фильтра су вместо ЦСу-фильтра.

Лалее проведен анализ устойчивости системы рис.' 2 СаЗ, где 1^су-фильтр заменен Су-фильтром, и С б), причем компаратор с петлей гистерезиса по методу гармонической линеаризации заменен по основной гармонике линейным звеном. По полученньм соотношениям при конкретных числовых значениях параметров проведен расчет, показавший, что система устойчива.

Следует отметить, что из-за допущений, лежащих в основе метода гармонической линеаризации, полученныэ соотношения для анализа устойчивости и результат расчета являются приближенными и поэтому они должны быть проверены путем экспериментального исследования.

В третьей главе рассмотрены различные варианты алгоритма следящего управления, позволяющие уменьшить диапазон изменения частоты перекючения вентилей АФК и снизить эту частоту.

На основе анализа четырех вариантов алгоритма следящего ' управления указаны возможности уменьшения диапазона изменения частоты переключения вентилей компенсатора. Поскольку среди ;Факторов, влияющих на изменение частоты переклйчения, наиболее существенное влияние оказывает изменение мгновенного значения сетевого напряжения, в диссертации предложены два пути снижения ' диапазона изменения частоты переключения:

— добавление к эталонному сигналу высокочастотного синусоидального синхронизирующего сигнала;

—: использование компаратора с переменной шириной петли "гистерезиса, изменяемой в зависимости от мгновенного значения •сетевого напряжения.

Анализ показал, что в обоих случаях при принятых реальных параметрах элементов системы достаточно хорошая синхронизация моментов переключения достигается при значении частоты переключения,- примерно равной 9 кГц. Это значение частоты,

(3) !

- IT -

Й)

L. R« i

■в)

Pll C. 2

однако, превшает допустимую частоту переключения . для современных запираемых тиристоров на токи 200-400 А и вьше.

С целью снижения частоты переключения вентилей АФК следует, ьо-перььк, исключить напряжение на конденсаторе-накопптоиз из | постоянного участия в процессе формирования входного тока! компенсатора, т.е. включать и выключать вентили АФК не параш, а! отдельно; при таком алгоритме, описанном в диссертации, в контур1 протекания тока ¡к входят один тиристор и один диод. Во-вторых,1 более существенное снижение частоты переключения Сна ЫМ достигается -путем поочередного использования двух вариантов алгоритма .управления, описанных в диссертации.

Возможности уменьшения диапазона изменения частоты переключения вентилей АФК и/или снижения этой частоты подтверждены результатами моделирования на ПЭВМ.

В четвертой главе приведены результаты моделирования системы "сеть-компенсатор на фае инвертора напряжения-нагрузка" при разных случаях, которое'осуществлялось на ПЭВМ с помощью пакета программ МАР2.

Результаты моделирования системы "сеть-АФК-нагрузка", представленной на рис. 2 С а),- где фильтр Ц-С(- заманен простым -фильтром, при применении техники устранения резонансных колебаний и выиеописанных способов уменьшения диапазона изменения частоты переключения вентилей компенсатора и снижения этой частоты в следящей системе управления показаны на рис. 3, 4 и 3. Причем данный-режим работы компенсатора является одним из трех исследовавшихся режимов. Кривые токов и напряжений во время заряда накопительного конденсатора при включении АФК в работу представлены на рис. 3, где 1 —ток через ограничительную индуктивность Ь0, т.е. 1,0-1н. Как видно, зарядный процесс •заканчивается за время менее Ю мс и после окончания этого процесса АФК сразу вступает в режим слежения. На рис. 4 изображены кривые токов и напряжений системы в установившемся режиме. Видно, что частота переключения вентилей компенсатора изменяется сравнительно мало Сем. кривую ик). Среднее значение частоты переключения в данном случае равно около 6,6 кГц. С помощью описании, в гл. 3 способов снижения частоты переключения возможно еще примерно в два раза снизить это значение, тл«. довести эту частоту до 3,3 кГц. Такое значение частоты

600V г

«к

.-Рве. .4-

lu 60

(f)

W

20

О lu

,Ы>

fro 20

"и 60

20

. 1111111 I-LJL

JMh)

.w '-0 a,о î.srf

^ A)

lit

0,5" Í.0 f,y

., . 1 1 liifn)

Л

0,5 (.0 t.sr 2,0 Z,5 Ç

Î)

Рис. 5

псреклйчеиия вполне отвечает возможностям большинства современных мощных запираемых тиристоров. Кроме того, по кривш 11С и иа Сна рис. 4 это напряжение отмечено и^З видно, чт в j системе резонансные колебания отсутствуют. I

Результаты расчета на ПЭВМ спектрального состава iLC, 0 и j uM для данного случая при наличии добавочного фильтрового }■ конденсатора Ср показаны на рис. 5 Caí, Сб) и Св), ! соответственно, где логарифмические значения составлявших тока к . напряжения рассчитаны по выражениям 40+20igIn'и 2lV20lg(Jn Сдб), Ia, Un—действующие значения тока и напряжения n-й гармоники. Этот анализ показшает, что коэффициенты нес лну сои дальности тока

it с С/.1^,1* рассчитанньв до 51-й гармоники и по всем

гармоникам, равны 2,58* и 2,tíix, соответственно; для тока iL0 — 37,628* и 37,634«; для напряжения ин —1,01* и 1,40*. Видно, что коэффициент» несинусоидальности сетевого тока iLC и напряжения на входе нагрузки ин меньше 5«.

В диссертации приведены результаты моделирования рассматриваемой системы при двух других случаях, в том числе и без применения в системе управления техники устранения колебаний и способов уменьшения диапазона изменения частоты переключения и снижения этой частоты. Осуществлялись также моделирование системы при скачкообразном подключении параллельно ко входу выпрямителя дополнительной активной нагрузки и моделирование при отсутствии в системе "сеть-нагрузка" активного Фильтра-компенсатора и наличии только пассивного Су-фильтра.

' В последнем параграфе гл., 4 рассмотрены, процессы в схеме A<{¡K на базе инвертора тока (АФКШ. Силовая схема и блок-схема управления системы "сеть-АФКИТ-нагрузка" показаны на рис. 6 С а) цСб), где DH, DT—датчики - напряжения и тока, БСС—блок сдвига синусоиды и К—компаратор. Из рис.. 6 Св) подучены выражения передаваемых мощностей:

где Z=vfe¡¡+C«LT)*', vT=arctg(«LT/RT). Для устранения в втой системе колебаний, обусловленных резонансам емкости Ск,

^ RT y U ïkVSHiî^so

a)

JJI К

-S -s

P«q> RT (\a>

T

<3-

6)

Рио. 6

ыошченной в таком компенсаторе параллельно его выводам переменного тока, с эквивалентной индуктивность» системы, предложен способ управления, основанный на слежении за напряжением на этой емкости и контроле фазового угла этого напряжения. Проведенный анализ АФКИ'Г и предложенной способ управления подтверждены результатами моделирования на ПЭВМ. На рис. 7 представлены кривые токов и напряжений в установившемся } режиме, где коэффициент несинусоидальности сетевого тока, тока ; нагрузки и напряжения на. входе компенсатора равен 1,648*, 33,25?5< и 2,94*, соответственно.

Основные выводы:

Проведенные исследования и полученные результаты могут быть кратко сформулированы в следующем виде-.

1. На основе анализа, связанного, с определением оптимальной 4орыы тока относительно формы напряжения в электрических цепях переменного, тока в общем .>учзе,' сформулированы практически реальзуеныэ критерии компенсации неактивной составляющей мгновенной мощности.

2. Разработан способ формирования эталонного сигнала для .следящей системы управления, полупроводниковыми активными фильтрами-компенсаторами, основанный на контроле энергии в накопительном элементе таких компенсаторов и не гребущий разложения кривых тока' и напряжения на гармонические составляющие и^или вычисления активной мощности нагрузки. Это позволяет обойти трудности, связанные с неоднозначностью и многообразием определений неактивных составляющих мощности С в частности, реактивной), и существенно повысить быстродействие компенсирующих устройств.

• 3. Рассмотрен процесс при включении активного фильтра-компенсатора .в работу и получены условия, при которых зарядный процесс заканчивается в течение одного полупериода частоты сети. Даны рекомендации по выбору параметров элементов силовой схемы активного фильтра-компенсатора.

4. Проанализирована возможность устранения резонансных колебаний в системе "сеть-компенсатор на .базе инвертора напряжения-нагрузка" без введения в систему демпфирующего активного сопротивления, т.е. при помощи самого активного фильтра-компенсатора. Получены условия для выбора коэффициентов

400V ■

-400V

' 90ms Рис. 7

95ms

lOOms

передачи каналов в системе управления.

5. Предложены способы управления для снижения диапазона изменения частоты переключения вентилей активного iiiJivrpa-кощ&нсатора на основе инвертора напряжения и снижения самой j этой частоты, позволяющие использовать в компенсаторе в качестве -, вентилей мощные запираемые' тиристоры.

6. Полученные путем теоретического анализа результаты подтверждены многочисленными исследованиями на цифровых моделях, реализованных на ПЭВМ при помощи программы NAP2.

7. Результаты экспериментальных исследований на модели показали, что компенсатор на базе инвертора напряжения при использовании предложенных в диссертации способов управления позволяет обеспечить заданные рациональные критерии компенсации и фильтрации, например, получить коэффициент сдвига, равный единице при нелинейной нагрузке, потребляющей ток со сдвигов основной гармоники, и значения'коэффициентов несинусоидальностй сетевого тока и напряжения на входе нагрузки менее 5*.

8. Проведен предварительный анализ системы компенсации- нз основе мостового инвертора тока. Предложен способ управления ê этом случае, основанный на слежении за напряжением на входной конденсаторе компенсатора. Приведены результаты экспериментальных исследований данной системы на цифровой модели.■

Публикации по теме диссертации--

1. Лабунцов 6.А., Чжан Дайжун/ Трехфазный выпрямитель с емкостным фильтром и улучшенной кривой потребляемого из сети тока. - Электричество, No.6, 1993, с. 45 - 48, .

2. Labuntsov V. A.. Zhang DairunA Three phase svitchmode rectifier, with nearly sinusoidal input currents. International conference on power electronics , & electrical drives, Sept., 1992, KoSice, CSFR, vol.1, . pp. 184 - 185.

¡Подписав к: печати Л— ,л„ ...

. Тираж jQQ зs Типография МЭИ. Красноказарменная, 13' '

; í . ' ..