автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Компенсация реактивной и искажающей мощностей в судовых и корабельных электроэнергетических системах

ЛЫОНГ ТХУ ФОНГ

На правах рукописи

КОМПЕНСАЦИЯ РЕАКТИВНОЙ И ИСКАЖАЮЩЕЙ МОЩНОСТЕЙ В СУДОВЫХ И КОРАБЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

СИСТЕМАХ

Специальность 05.09.01. "Электромеханика и электрические аппараты"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2

Арр

МОСКВА 2009

003467656

Работа выполнена в Государственном Образовательном Учреждении Высшего Профессионального Образования Московском Энергетическом Институте (Техническом Университете) на кафедре Электрических и Электронных аппаратов Научный руководитель -' доктор технических наук,

Ведущее предприятие - ФГУП «НЛП ВНИИЭМ» Защита состоится « 15 » мая 2009 г.

на заседании диссертационного совета Д 212.157.15 при ГОУВПО МЭИ (ТУ) в аудитории Е205 в 13 час. 00 мин. по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 13. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО МЭИ (ТУ).

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим

направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, ученый

совет при ГОУВПО МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан апреля 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.15.

профессор Розанов Юрий Константинович

Официальный оппонент - доктор технических наук,

п ППЛ^лрлп ТТмитпмйп Клпмр сТ^ттпппотти —г — — — „ -----

кандидат технических наук, доцент Чаплыгин Евгений Евгеньевич

к.т.н., доц.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Для современных судов и кораблей созданы эффективные системы электродвижения на основе гребных электрических установок (ГЭУ) с винторулевой колонкой (ВРК), в которых двигатель конструктивно объединен с рулевым устройством. Такие ГЭУ называются пропульсивными комплексами. Они обеспечивают высокую маневренность судов и кораблей в различных режимах движения. В целях более эффективного использования элетрооборудования ГЭУ получают электропитание от единой электроэнергетической системы (ЕЭЭС), обеспечивающей электроэнергией другие общесудовые потребители. Управление режимами работы двигателями ГЭУ осуществляется полупроводниковыми преобразователями, существенно ухудшающими качество электроэнергии на общих шинах ЕЭЭС. Основными причинами этого являются уменьшения коэффициента мощности и рост содержания высших гармоник в потребляемом ГЭУ токе. В результате этого значительно снижается надежность работы потребителей, и увеличиваются потери электроэнергии, потребляемой ГЭУ. Поэтому уменьшение указанных негативных последствий является актуальной задачей.

В связи с этим, в настоящее время большое внимание уделяется вопросам, связанным с изучением и разработкой различных способов и средств обеспечения требуемого качества электроэнергии, потребляемой пропульсивного комплекса с ВРК, увеличения коэффициента мощности и фильтрации высших гармоник тока сети.

Этим вопросам посвящен ряд работ отечественных и зарубежных авторов: Вилесова Д.В., Азарьева Д.И., Жежеленко И.В., Акаджи X., Розанова Ю.К., Чаплыгина Е.Е., Агунов A.B., Рябчицкий М.В. и др. В их работах успешно использованы различные методы для решения задач, связанных с обеспечением качества электроэнергии.

Однако разработка новых средств не может исчерпывать проблемы, т.к. при создании этих устройств не учитываются особенности корабельных и судовых электроэнергетических систем. Поэтому актуальность темы обуславливается поиском новых способов и средств для компенсации реактивной мощности и активной фильтрации высших гармоник токов, обеспечивающих высокое требуемое качество электроэнергии.

Объекты исследования.

Электроэнергетические системы в существующих судах и кораблях с применением пропульсивного комплекса с винторулевой колонкой, а также различные автономные электроэнергетические системы и расчет их основных элементов силовых частей, система управления. Цель работы и задачи исследования.

Целью работы является исследование и разработка принципов и схемотехнических решений для создания устройств повышения коэффициента мощности и активной фильтрации высших гармоник в ЭЭС существующих судов и кораблей с учетом их особенностей.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• Выполнить анализ принципов построения и топологии схем компенсаторов неактивной мощности для автономных систем электроснабжения, сочетающих компенсацию реактивной мощности и фильтрацию высших гармоник тока.

• Разработать методики для расчета элементов силовой части компенсатора неактивной мощности.

• Разработать алгоритмы для реализации цифровой системы управления на основе микропроцессорных средств.

• Создать компьютерную и физическую модели устройства, адекватно отражающих электромагнитные процессы при компенсации неактивной мощности.

Методы исследований.

При решении поставленных задач в данной диссертационной работе методологической основой исследований является комплексное применение методов системного анализа нелинейных цепей, анализа импульсных систем, моделирования компьютерных схем и цифрового управления и регулирования процессов.

Достоверность исследований и методов расчета проверялась сопоставлением результатов расчетов по аналитическим выражениям с результатами экспериментальных исследований на физическом макете основных узлов компенсатора реактивной и искажающей мощностей.

Обоснование и достоверность результатов. Справедливость теоретических положений подтверждается использованием апробированных методов анализа электромагнитных процессов в силовых электронных

устройствах и корректностью принятых допущений, а также экспериментальными результатами, полученными на физической модели устройства компенсации неактивной мощности для пропульсивного комплекса с винторулевой колонкой.

Научная новнзна. В диссертационной работе получены и выносятся на защиту следующие новые научные результаты:

1. Предложен принцип построения компенсаторов неактивной мощности, повышающих эффективность работы пропульсивного комплекса с ВРК за счет разделения силовых частей для компенсации реактивной мощности и фильтрации высших гармоник тока.

2. Разработана методика проектирования компенсатора неактивной мощности.

3. Разработаны принципы построения и алгоритмы функционирования цифровой системы управления.

4. Разработана компьютерная модель для оценки электромагнитных процессов работы устройства компенсации неактивной мощности при питании пропульсивного комплекса с ВРК Рекомендации по использованию полученных результатов

(практическая значимость и реализация).

Результаты работы могут быть использованы при разработке устройства компенсации реактивной и искажающей мощностей до 2МВ-А для автономных, в том числе судовых и корабельных электроэнергетических систем. Кроме этого, их использование возможно в других системах электроснабжения, питающих потребители с низким значением коэффициента мощности и высоким содержанием уровня высших гармоник тока.

Реализация работы.

Полученные результаты работы будут использованы при создании электроэнергетических систем различного назначения, а также при модернизации судовых и корабельных электроэнергетических систем.

Апробация работы. Содержание отдельных разделов, основные результаты и диссертации в целом были доложены на:

1. ХШ-ой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 1 - 2 марта 2007);

2. XIV-ой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 28 - 29 февраля 2008);

3. Заседании кафедры «Электрических и электронных аппаратов» МЭИ (ТУ) (Москва, 25 декабря 2008).

Публикации по теме работы. Основные научные результаты диссертационной работы опубликованы в 4-х научных работах, в том числе: в одной статьи в журнале «Электротехника» и в 3-х тезисах докладов на XIII-ой и XIV-ой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 46 наименований и 1 приложений. Диссертация изложена на 167 страницах машинописного текста, иллюстрации на 7 таблицах и 100 рисунках.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность научно-технической проблемы, связанной с использованием пропульсивного комплекса с ВРК для обеспечения движения современных судов и кораблей, сформулированы задачи, решению которых посвящена диссертация, сформирована цель диссертации, излагаются подход и методы исследования, отмечаются научная новизна, практическая значимость работы, а также апробация работы.

В первой главе на основе аналитического обзора и анализа научно-технических материалов, обобщения имеющегося практического опыта рассмотрены основные направления решения вопросов компенсации реактивной мощности и подавления высших гармоник тока в судовых и корабельных ЭЭС, создаваемых нелинейными нагрузками. Рассмотрены принципы и выполнен анализ существующих методов улучшения качества электроэнергии, что позволило осуществить выбор перспективных методов при использовании пропульсивного комплекса с ВРК.

Потребность в улучшении качества электроэнергии для обеспечения электродвижения судов и кораблей возрастает. Решение этой проблемы в настоящее время осуществляется установкой пропульсивного комплекса с ВРК. Достоинствами таких комплексов с ВРК является отсутствие валопровода и рулевого устройства и поэтому позволяет повысить КПД,

снизить акустические шумы и вибрацию оборудования, улучшить характеристики маневренности судна.

Известно, что в отличие от наземных, судовые и корабельные ЭЭС имеют существенные особенности, в частности, ограничение площадей и объемов размещения электрооборудования, что затрудняет поддержание требуемого качества электроэнергии.

Создание единых электроэнергетических систем, в которых главные генераторы обеспечивают питанием как гребной электродвигатель (ГЭД), так и общесудовые приемники электроэнергии, позволяет существенно улучшить массогабаритные и технико-экономические показатели энергетической установки. Как известно, использование полупроводниковых преобразователей для управления режимами работы ГЗД существенно ухудшает качество электроэнергии на шинах ЭЭС. Как было доказано, что при применении пропульсивного комплекса с ВРК, в различных судах и кораблях номинальное значение коэффициента мощности ГЭД составляет 0,7, а при снижении мощности до 10% от номинальной величины этот показатель составляет 0,2 ^ 0,3. Кроме того, коэффициент несинусоидальности напряжения на шинах литания составляет 17 н- ]8%, а на шинах собственных нужд - 14 15%. Расчетные величины высших гармоник тока нагрузки изображены в табл. 1, а изменения коэффициента мощности и показателя несинусоидальности тока иллюстрированы на рис. 2.

Рис. 1. Единая электроэнергетическая установка. Задача повышения качества электроэнергии в настоящий момент осуществляется следующими путями:

• Повышение коэффициента мощности внутренними средствами, т.е. путем модификации схемы самого преобразователя и (или) алгоритма

переключения входящих в его состав вентилей (ключей). • Введение в электрическую сеть дополнительных устройств, подключенных на стороне переменного тока параллельно или последовательно к преобразователю - сетевых фильтров.

Таблица 1

Коэффициента искажения кривой тока_

Значение К¡, %, при Ртч, кВт

5-я гар. 7-я гар. 11-я гар. 13-я гар. 17-я гар. 19-я гар. и-я гар.

14,4 7,8 5,2 3,2 2,8 2,2 1,8

Значение К,, %, при 0,2 ?„„„, кВт

5-я гар. 7-я гар. 11-я гар. 13-я гар. 17-я гар. 19-я гар. п-я гар.

14,8 10,3 4,8 4,0 2,2 1,8 1,8

Рис. 2. Показатели качества электроэнергии при изменении мощности

пропульсивного комплекса с ВРК а - изменение коэффициента мощности, б - изменение уровня высших

гармоник тока

В настоящее время, вопрос компенсации неактивной мощности разделяется на два направления: компенсация реактивной и искажающей мощностей.

Традиционные подходы решения проблемы компенсации неактивной мощности в данный момент не удовлетворяют современным требованиям, главным образом из-за больших удельных массогабаритных показателей, небольшого диапазона регулирования частоты, низкого КПД и большой степени взрывопожароопасности. Компенсатор реактивной мощности (КРМ) и активный фильтра (АФ) хорошо известны, как наилучший способ, которые могут быть устранены высшими недостатками.

Проведенный анализ существующих технических решений демонстрирует, что оба направления, решающих проблему повышения качества электроэнергии, развивались и продолжают развиваться. Обычно замена существующих устройств ЭЭС с целью повышения качества потребляемой ими электроэнергии представляет огромную сложность. При этом повысить качество электроэнергии применением устройства компенсации, которое можно установить в любой точке ЭЭС, является предпочтительным. В данной работе, проблема компенсации неактивной мощности (КНМ) решается этим способом.

Во второй главе выполнен анализ принципов построения различных видов устройств компенсации реактивной мощности и фильтрации высших гармоник шка. Предложена оптимальная схема компенсационного устройства для судовых и корабельных ЭЭС и дана рекомендация при использовании ключевых элементов, а также предложена инженерная методика расчета и выбор силовых элементов компенсатора неактивной мощности.

Компенсатор реактивной мощности (КРМ) и активный фильтр (АФ) являются базовыми элементами устройства компенсации неактивной мощности для пропульсивного комплекса с ВРК. Принцип работы данного устройства заключается в компенсации реактивной мощности и подавлении высших гармоник тока сети в статическом режиме и в процессе пуска асинхронного двигателя.

Преобразователь напряжения компенсатора может иметь различное схемотехническое исполнение в зависимости от его мощности, а также напряжения сети, к которой он подключен. Исходя из анализа принципов построения различных видов устройств компенсации реактивной мощности и фильтрации высших гармоник тока, наиболее эффективными способами являются способы, основанные на методе формирования токов заданной формы 4-х квадрантным преобразователем напряжения с конденсаторным накопителем на стороне постоянного тока.

Выбора топологии силовой схемы осуществляется путем проведения их сравнения зависимости от мощности для различных вариантов использования в ЭЭС существующих судов и кораблей от 1 МВА до 50 МВА. Анализ потерь мощности в этих схемах показывает, что они существенно различаются при выполнении функций компенсации реактивной мощности и активной фильтрации гармоник тока. Поэтому было

предложено использовать сочетание в одном устройстве двух силовых схем одновременно для компенсации реактивной мощности и фильтрации высших гармоник тока с общей системой управления.

1с I»

Сеть

Нелинейная нагрузка |

КРМ

Сгг\ V

с™

1—1—л

АФ

Рис. 3. Предлагаемая структурная схема КНМ на базе 4-х квадрантного преобразователя напряжения К преимуществам данной схемы можно отнести:

• Существенное снижение потери мощности в устройстве. Это объясняется тем, что потеря мощности на ключах пропорционально зависит от произведения тока на ключах и частоты коммутации. Мощность высших гармоник тока существенно ниже, чем реактивная мощность, поэтому можно выбрать адекватные функциям схем типы ключей.

• Снижение стоимости. Это обусловлено тем, что с применением объединенной схемы, можно выбрать ключи на большие мощности с низкой частотой коммутации для компенсатора реактивной мощности, а на меньшие мощности с высокочастотной коммутацией для АФ.

Принципы действия АФ и КРМ одинаковы, но поскольку АФ работает с высшими гармониками, поэтому выбор силовой схемы основывается на анализе и критериях топологических схем силовой части АФ. Эффективности использования силовых схем АФ сравниваются по следующим критериям: использование ключевых элементов, возможности управления ключами, синусоидальность генерируемого напряжения и тока, эффективность стабилизации напряжения (тока) на стороне постоянного тока преобразователя и эффективность использования различных типов накопителей. Анализ дает следующие результаты:

• Компенсаторы неактивной мощности менее 10МВА могут быть успешно реализованы на основе трехфазных двухуровневых схем.

• При компенсации неактивной мощности на больших напряжениях, целесообразно использовать трехфазные трехуровневые схемы.

• Для устройств компенсации большой неактивной мощности (>10МВА) предпочтительней использовать схему с "Н"топологией.

• Для схем компенсации неактивной мощности в трехфазных сетях с напряжением свыше 1000В и низкочастотным спектром гармоник тока может быть успешно применен метод их избирательного исключения.

Исходя из проведенного анализа, выбрана схема устройства

компенсации неактивной мощности, представленная на рис. 4:

Рис. 4. Принципиальная схема устройства КНМ с системой управления В результате последних достижений в технологии производства мощных полупроводниковых переключающих приборов выявили три типа ключевых элементов: СТО-, ЮСТ-тиристоры и ЮВТ-транзисторы. Каждый тип ключей имеет свои достоинства и недостатки, выбор которых в основном зависит от типа решаемых задач. Рекомендация по их применению, согласно результатам анализа, представлена в табл. 2, а диапазон их применения изображен в табл. 3.

Типы Области применения

СТО Электропривод; статические компенсаторы; реактивные мощности; системы бесперебойного питания; индукционные печи

юст Мощные источники питания (инверторная и выпрямительная подстанции линий передач постоянного тока); электропривод (инверторы напряжения для преобразователей частоты и электроприводов различного назначения)

ювт Электропривод (чопперы); системы бесперебойного питания; статические компенсаторы и активные фильтры; ключевые источники питания

Таблица 3

Тип Диапазон рабочего тока, кА Диапазон рабочего Напряжения, кВ

ОТО 3+6 2,7+3,6

ЮСТ 2+4 1,7+2,7

ЮВТ 1+3 1,2-1,7

При расчёте и выборе параметров силовых компонентов КНМ необходимо определить требования к его энергетическим характеристикам. Энергетические характеристики данного устройства определяются следующими параметрами: напряжение сети, к которой подключается КНМ, параметры преобразователя ВРК, включая в нем трансформатор связи (повышающий трансформатор), требуемая величина пускового момента гребного двигателя и требуемое время пуска (если необходимо), допустимый коэффициент гармонических искажений напряжения и тока в точке подключения компенсатора и сопротивление питающей сети.

Результатом расчёта являются следующие параметры силовых элементов компенсатора неактивной мощности для пропульсивного комплекса с ВРК:

• параметры силовых полупроводниковых ключевых элементов: тип ключевых элементов, класс напряжения и тока, частота коммутации; величина тепловых потерь в ключевых элементах в пусковом и статическом режимах работы и параметры системы охлаждения ключа; температура кристалла ключевого элемента в пусковом и статическом режимах работы.

• параметры накопителя электроэнергии на стороне постоянного тока компенсатора: тип накопителя; максимальное и номинальное рабочее напряжение; энергоёмкость; величина пульсаций напряжения на накопителе.

• параметры дросселей фильтров на стороне переменного тока компенсатора: индуктивность; величина падения напряжения на дросселе основной и модуляционной гармоник в пусковом и статическом режимах работы; потери мощности в дросселе.

В третьей главе описаны принципы управления процессами компенсации реактивной мощности и подавления высших гармоник тока. На этих принципах разработан алгоритм и создана система управления устройством компенсации реактивной и искажающей мощностей на основе микропроцессора.

Универсальный метод управления неактивной мощностью основан на применении теории мгновенной мощности. Суть этого метода заключается в преобразовании трехфазной системы тока и напряжения в двухфазную систему неподвижных координат.

Функционально система управления компенсатора неактивной мощности для пропульсивного комплекса с ВРК разделена на две системы, каждая из которых, в свою очередь, подразделена на две подсистемы. Задачами этих подсистем являются вычисление значений активной и реактивной составляющих мощности, которые компенсатор должен генерировать в сеть для компенсации активной и реактивной мощности нагрузки управление переключением ключевых элементов преобразователя напряжения для создания заданного потока мощности. Преимуществом использования теории «мгновенной мощности» является отсутствие необходимости использования системы синхронизации сигналов токов задания компенсатора с напряжением сети, так как это осуществляется автоматически, что обеспечивает хорошее качество управления мощностью компенсатора в динамических режимах работы. Это особенно важно при работе с сетью ограниченной мощности, когда изменение мощности компенсатора приводит к изменению фазы напряжения сети в точке подключения.

Основанием теории «мгновенной мощности» является вычисление мощности нагрузки с применением токов и напряжений нагрузки в стационарной ортогональной системе координат. Переход к этой системе

координат от трехфазной системы координат осуществляется посредством преобразования Кларка (abc-o.fi преобразование):

2 2

л/з £ 2 2

1 1 1

<Д0 ¿ДО АО.

о

V2 л/2 V2

'.(О 'ДО

(01)

"ДО

«до

"ДО

1 -I -I

2 2

0 £

2 2

1 1 1

«до

"ДО

«до

(02)

'pit) " "До и, со' "¿до"

.<?(0j -«ДО "ДО ./до.

_V2 V2 V2

где ¡ДО, ¡ДО и ¿ДО - проекции пространственного вектора тока на оси двухфазной стационарной системы координат и нулевого провода, <„(/), /ДО, 4(0 - проекции пространственного вектора тока на оси трёхфазной системы координат.

Одной из особенностей судовых и корабельных ЭЭС является отсутствие нулевого провода. С учетом этой особенности, вводятся понятия действительной p(t) и мнимой q(t) мгновенных мощностей в а-р координатах:

Г„/лТ Г „ <t\ ,, it'll Г; ел"

(03)

Недостатком непосредственного использования переменных иа, ив в

операции вычисления токов задания является низкая помехоустойчивость этой системы управления, так как при прохождении случайного импульса по каналу получения информации относительно напряжения сети будет неправильно рассчитан ток задания компенсатора.

Эффективность данного метода повышается, если вместо иа, ир

используются единичные синхронизированные сигналы, поэтому система становится устойчивой к помехам в канале измерения напряжения сети. Этот метод известен как метод синхронных ^-координат эталонных единичных сигналов. Метод основан на прямом и обратном преобразовании Парка-Горева. Прямое преобразование (04) заключается в нахождении проекций

обобщенного вектора тока или напряжения на оси ортогональной системы координат, вращающейся синхронно с вектором напряжения сети:

V cos0 sin 9 V

Л. -sin# cos в h.

где 9 = а>-1 - значение угла поворота вращающейся системы координат с частотой т .

Переменные составляющие проекций и г (¡:1, соответствуют высшим гармоническим составляющим и обратной последовательности токов. Для выделения постоянных составляющих, несущих информацию об активной и реактивной мощности, и также выделения высших гармоник применяются фильтры низких частот (ФНЧ), как в методе «мгновенной мощности».

Обратное преобразование Парка-Горева осуществляется по формуле:

cos 9 -sin в V

sin# cos 9 A.

Таким образом, если к трехфазной системе тока сначала применить прямое преобразование Кларка, а затем прямое преобразование Парка-Горева, то постоянные составляющие проекций на оси d-q соответствуют составляющим тока синхронной частоты со.

Преимуществом данного метода по сравнению с теорией «мгновенной мощности» является возможность оперирования непосредственно активными и реактивными составляющими тока и напряжения, а не некими мгновенными мощностями, возможность использования эталонных сигналов при вычислении токов задания компенсатора, а также наличием фильтров низких частот, которые значительно ослабляют возможные импульсные помехи в канале измерения токов. Недостатком этого метода является необходимость синхронизации с напряжением сети эталонных единичных сигналов (cos 9 и sin б1).

Для КРМ работающего с одной, основной, гармоникой предпочтительно применять метод сравнения с «шаблоном», где сравниваются токи задания и их текущие значения в ¿/¿/-координатах. Для активной фильтрации ток задания может быть получен выделением высших гармоник тока из тока сети. Эта операция также осуществляется в синхронной системе координат. Управление в данной работе осуществляется наиболее простым способом, называемым слежением за заданным значением

посредством гистерезисного контроллера. С него поступают сигналы на формирователь импульсов управления силовыми ключами. При этом форма задающего сигнала и его частотный спектр могут изменяться в широких пределах. Недостатком этого метода является переменная частота ШИМ. Однако для устранения этого недостатка разработаны различные методы, которые в настоящей работе не рассматриваются.

Для ограничения кратковременного увеличения напряжения на накопителе в стороне постоянного тока, предполагается реактор с небольшой индуктивностью, соединяющий между двумя накопителями.

наир.и енне сети фазы "А" Wi.fi

ФАПЧ

сигналы с ккхро нкзето ра

пробриошт«

Л с/а?

^ г?

ссав

Пр40бр ар/ОД зоихке

напряжение на накопителе КРМ Ы&1

токи нагрузи!

и*

прюбриоини» Лс/«р

напряжение на накопителе АФ

—^^Ь5 пи"р'

задаю» «ШШ к р«иаихкап моизтестя КОНПвССМСр!

и1

прюброоими

рмупхгор пшнш ^ Кр(«К»Ш«Ж

(остиюшйт

Ьм Л

"С

и и

л; « обр испита

ииоркый

М«г/1игср

упрагпвние преобразователем напряжения КРМ

О

р« зуд агор тек» »вешях ПрМОНКК

•ю-

лр(о6р«191*нке аЪ.{ | * гиерячркжьй «вЕгорний

¿Ч/Лс гоктролпер мо дуяхгир

управление преобразователем напряжения АФ

Рис. 5. Система управления КНМ для пропульсивного комплекса с ВРК В четвертой главе описаны компьютерная модель и физический макет компенсатора неактивной мощности и приведены результаты моделирования и осциллограммы работы физического макета.

При создании компьютерной модели был выбран наиболее перспективный программный комплекс моделирования БшиНпк, который является популярным при моделировании электрических систем. В компьютерной модели компенсатора неактивной мощности содержатся следующие элементы: КРМ и его система управления, АФ с системой

управления, сеть электроснабжения, представленная в виде источника

напряжения и активно-индуктивного сопротивления и пропульсивный

комплекс с ВРК в статическом режиме, представленный как нелинейная

статическая нагрузка.

На рис. 6 показаны графики моделирования пропульсивного

комплекса, номинальной мощностью 2 МВА, с применением

компенсационного устройства. На рисунке показаны: а) токи нагрузки, б)

токи КНМ, равные сумме реактивных составляющих токов и высших

гармоник токов нагрузки, в) токи сети, которые уменьшаются в момент

включения КНМ, благодаря подавлению неактивных составляющих токов.

Максимальное значение тока сети в процессе пуска составляет 2200А. Время

пуска составляет ОД с (приблизительно в 5 периодов), г) напряжение сети

(это также и есть напряжение нагрузки).

1 2000- - ■ - - ..... - ......

iH

-2000'

а

: it ГГ Щ; :>f>" t' П / ."¡7.1 ■ • Ъ ! t '■■ У

-у- . V/.. .., ■ . ■. ..-уУ-у, ..У, . , -

Uc

г, сек

Рис. 6. Осциллограммы тока и напряжения моделирования пропульсивного

комплекса с ВРК в статическом режиме, а - токи нагрузки, б - токи компенсатора неактивной мощности, в - токи сети, г- напряжение питающей сети.

Самый тяжелый режим работы пропульсивного комплекса является режим снижения мощности до 10% от номинального значения, при этом, % = 0.2 - 0.3. В то же время следует отмстить, что в данном случае характеристики устройства компенсации неактивной мощности остаются удовлетворительными (рис. 7), несмотря на то, что система управления в этом режиме работает на пределе своих возможностей из-за значительного снижения напряжения на накопительном конденсаторе.

Рис. 7. Осциллограммы тока и напряжения моделирования пропульсивного комплекса с ВРК в режиме снижения мощности, а - токи нагрузки, б - токи компенсатора неактивной мощности, в - токи сети, г - напряжение питающей сети. Результаты проведённого моделирования подтверждают верность выведенных расчётных соотношений для определения электроэнергетических параметров устройства компенсации реактивной и искажающей мощностей для пропульсивного комплекса с ВРК. Были сделаны следующие выводы:

« Принятые схемотехнические решения для устройства неактивной мощности позволяют обеспечить электроснабжение ВРК с коэффициентом мощности, близким к единице в широком диапазоне изменения полной мощности нагрузки.

• Высшие гармоники, обусловленные нелинейностью ВРК, могут быть снижены посредством методов и средств, принятых в работе, до уровня допустимых ГОСТ.

« Самым тяжелым режимом работы устройства неактивной является режим при снижении мощности до 10 - 20% от номинальной мощности ВРК. Восполнение потерь активной мощности в этом режиме для поддержания напряжения на накопительном конденсаторе затрудняется. В результате подсистемы устройства начинают функционировать с предельно допустимым уровнем напряжения питания.

Достоверность диссертационной работы подтверждается на физическом макете основных узлов устройства компенсации неактивной мощности, предназначенного для непосредственного подключения к трехфазной сети 0,4кВ, 50 Гц. Установленная мощность макета ЗкВА. Номинальное действующее значение основной гармоники тока макета 4,5А. Цифровая часть системы управления представляет собой готовую микропроцессорную плату StarterKit с микроконтроллером XC164CS фирмы «Infineon Technologies AG». Для проверки работоспособности алгоритма системы управления был проведен ряд экспериментов, подтверждающий эффективность работы системы управления компенсатора и также работоспособность устройства в различных режимах работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Разработаны принципы и создано новое устройство компенсации реактивной мощности и активной фильтрации высших гармоник тока для автономных объектов, в том числе электроэнергетическая система существующих судов и кораблей, позволяющее обеспечить компенсацию реактивной мощности и полное устранение гармонических составляющих тока сети. Полученным результатом является высокий коэффициент мощности, близкий к единице. В процессе выполнения диссертационной работы получены следующие основные новые научные и практические результаты:

1. На основе результатов улучшения качества электроэнергии СЭС, содержащих перспективные пропульсивные комплексы с ВРК, предложено устройство компенсации неактивной мощности, позволяющее повысить коэффициент мощности ВРК практически до единицы во всех режимах работы и обеспечить эффективное подавление высших гармоник потребляемого тока.

2. Разработана инженерная методика проектирования устройств компенсации неактивной мощности.

3. Предложены принципы управления, сочетающие различные способы модуляции при компенсации реактивной мощности и активной фильтрации тока, а также алгоритмы их реализации.

4. Разработаны компьютерные модели устройства компенсации неактивной мощности, позволяющие адекватно моделировать процессы при их работе в составе СЭС.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ЭТОЙ ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Розанов Ю.К., Лыонг Т.Ф. «Компенсация реактивной и искажающей мощностей в судовых и корабельных электроэнергетических системах», журнал «Электротехника», стр.3640, № 10,2008г.

2. Розанов Ю.К., Лыонг Т.Ф. «Судовая электроэнергетическая система и проблема компенсации неактивной мощности» // Х1У-я международная конференция «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» Изд. МЭИ: Тез. докл. - Москва, 2008,- Т. 2 - С. 86-87.

3. Розанов Ю.К., Лыонг Т.Ф. «Регулятор реактивной мощности на основе активного фильтра» // ХШ-я международная конференция «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» Изд. МЭИ: Тез. докл. -Москва, 2007,- Т. 2 - С. 103-104.

4. Розанов Ю.К., Лыонг Т.Ф., Шамберов В.Н., Нгуен Ч.Ч. «Математический анализ трехфазного мостового инвертора напряжения для создания математической модели» // ХШ-я международная конференция «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» Изд. МЭИ: Тез. докл. -Москва, 2007. - Т. 2 - С. 103-104.

Подписано в печать &04-09г. Зак т $() Пл \

Полиграфический центр МЭИ(ТУ) '

Красноказарменная ул.,д.13

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

1.1. Проблема качества электроэнергии в судовых и корабельных электроэнергетических сетях.

1.2. Аналитический обзор литературы по методам компенсации неактивной мощности.

1.2.1. Компенсация реактивной мощности.

1.2.2. Компенсация мощности искажения.

1.3. Цель и задачи работы.

Выводы по главе

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ И ВЫБОР ТОПОЛОГИИ СИЛОВОЙ ЧАСТИ И ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ КОМПЕНСАТОРОВ НЕАКТИВНОЙ

МОЩНОСТИ.

2.1. Сравнительный анализ и выбор топологии схемы силовой части компенсатора.

2.1.1. Топологии силовой части компенсаторов неактивной мощности.

2.1.2. Сравнение топологий схем силовой части по эффективности фильтрации высших гармоник.

2.2. Анализ основных видов ключей и особенностей их применения.

2.2.1. Основные технические характеристики силовых ключей.

2.2.2. Полностью управляемые по затвору тиристоры.

2.2.3 Силовые транзисторы.

2.3. Инженерная методика расчёта основных элементов схемы КНМ.

2.3.1 Основные задачи и требования и расчету.

2.3.2. Инженерная методика расчета силовой части АФ.

2.3.2. Инженерная методика расчета КРМ типа «СТАТКОМ».

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КОМПЕНСАТОРОМ НЕАКТИВНОЙ

МОЩНОСТИ.

3.1. Алгоритм управления.

3.1.1. Алгоритм управления КРМ.

3.1.2. Алгоритм управления активным фильтром.

3.2. Структурные схемы управления.

3.2.1. Структурная схема цифровой фильтрации КРМ.

3.2.2. Структурная схема цифровой фильтрации АФ.

3.3. Аппаратная реализация системы управления компенсатором неактивной мощности.

3.3.1. Блок-схема микропроцессорной части системы управления компенсатором реактивной мощности.

3.3.2. Блок-схема микропроцессорной части системы управления активным фильтром.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ

ОСНОВНЫХ ПРОЦЕССОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ.

4.1. Разработка математической модели компенсатора.

4.2. Моделирование процессов управления реактивной мощностью.

4.3. Моделирование фильтрации высших гармоник.

4.4. Работа устройства компенсации неактивной мощности в целом.

4.5. Экспериментальная цель.

4.5.1. Аппаратная реализация основных узлов физической модели.

4.5.2. Результаты эксперимента.

Выводы по главе 4.

Для современных судов и кораблей созданы эффективные системы электродвижения на основе гребных электрических установок (ГЭУ) с винторулевой колонкой (ВРК), в которых двигатель конструктивно объединен с рулевым устройством. Такие ГЭУ называются пропульсивными комплексами. Они обеспечивают высокую маневренность судов и кораблей в различных режимах движения. В целях более эффективного использования элетрооборудования ГЭУ получают электропитание от единой электроэнергетической системы (ЕЭЭС), обеспечивающей электроэнергией другие общесудовые потребители. Управление режимами работы двигателей ГЭУ осуществляется полупроводниковыми преобразователями, существенно ухудшающими качество электроэнергии на общих шинах ЕЭЭС. Основными причинами этого являются уменьшения коэффициента мощности и рост содержания высших гармоник в потребляемом ГЭУ токе. В результате этого значительно снижается надежность работы потребителей, и увеличиваются потери электроэнергии, потребляемой ГЭУ. Поэтому уменьшение указанных негативных последствий является актуальной задачей.

В связи с этим, в настоящее время большое внимание уделяется вопросам, связанным с изучением и разработкой различных способов и средств обеспечения требуемого качества электроэнергии, потребляемой пропульсивного комплекса с ВРК, увеличения коэффициента мощности и фильтрации высших гармоник тока.

Решению данной проблемы посвящен ряд работ отечественных и зарубежных авторов, в которых успешно использованы различные методы для улучшения качества электроэнергии.

Однако разработка новых средств не может исчерпывать проблемы, т.к. при создании этих устройств не учитываются особенности корабельных и судовых электроэнергетических систем. Поэтому актуальность темы обуславливается поиском новых способов и средств для компенсации реактивной мощности и активной фильтрации высших гармоник токов, обеспечивающих высокое требуемое качество электроэнергии.

вывод

1. Принятые схемотехнические решения для устройства неактивной мощности позволяют обеспечить электроснабжение ВРК с % близким к единице в широком диапазоне изменения полной мощности нагрузки.

2. Высшие гармоники, обусловленные нелинейностью ВРК, могут быть снижены посредством методов и средств, принятых в работе, до уровня допустимых ГОСТ.

3. Самым тяжелым режимом работы устройства неактивной является режим при снижении мощности до 10 - 20% от номинальной мощности ВРК. Восполнение потерь активной мощности в этом режиме для поддержания напряжения на накопительном конденсаторе затрудняется. В результате подсистемы устройства начинают функционировать с предельно допустимым уровнем напряжения питания.

4. Полученные результаты работы макета статического компенсатора неактивной мощности показывают высокую эффективность разработанной цифровой системы управления компенсатора и правильности инженерного расчета компонентов его силовой части.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработаны принципы и создано новое устройство компенсации реактивной мощности и активной фильтрации высших гармоник тока для автономных объектов, в том числе электроэнергетическая система существующих судов и кораблей, позволяющее обеспечить компенсацию реактивной мощности и полное устранение гармонических составляющих тока сети. Полученным результатом является высокий коэффициент мощности, близкий к единице. В процессе выполнения диссертационной работы получены следующие основные новые научные и практические результаты:

1. На основе результатов улучшения качества электроэнергии СЭС, содержащих перспективные пропульсивные комплексы с ВРК, предложено устройство компенсации неактивной мощности, позволяющее повысить коэффициент мощности ВРК практически до единицы во всех режимах работы и обеспечить эффективное подавление высших гармоник потребляемого тока.

2. Разработана инженерная методика проектирования устройств компенсации неактивной мощности.

3. Предложены принципы управления, сочетающие различные способы модуляции при компенсации реактивной мощности и активной фильтрации тока, а также алгоритмы их реализации.

4. Разработаны компьютерные модели устройства компенсации неактивной мощности, позволяющие адекватно моделировать процессы при их работе в составе СЭС.

1. Ясаков Г. Корабельные электроэнергетические системы. Санкт- Петербург - Военно-морская академия и. Адмирала флота советского союза Н. Г. Кузнецова, 1999

2. Под общей редакцией Китаенко Г. И. Справочник судового электротехника в трех томах. Ленинград. Судостроение, 1980

3. Сергиенко Л. И., Миронов В. В. Электроэнергетические системы морских судов. М. Транспорт 1991.

4. Яковлев Г. Судовые электроэнергетические системы. Л. Судпромгиз. 1957.

5. Григорьев А. В., Ляпидов К. С , Макаров Л. Единая электроэнергетическая установка гидрографического судна на базе системы электродвижения переменного тока. Санкт - Петербург. Судостроение 2006 №4 (с. 33-34).

6. Лазаревский Н. А., Румянцев А. Ю., Самсыгин В. К., Хомяк В. А. Единая электроэнергетическая система малого гидрографического судна с гребной энергетической установки переменного тока. Судостроение и водный транспорт России. 2000/2003. с. 33-39.

7. Григорьев А. В. Экспериментальные исследования системы электродвижения переменного тока с полупроводниковым преобразователем. Санкт — Петербург. Судостроение 2007 №3. с. 30-33.

8. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники — Электрические цепи. Москва - Высшая школа 1996// 9-ое издание.

9. Супронович Г. Улучшение коэффициента мощности преобразовательных установок/пер. с польского под ред. Лабунцова В.А.. М.: Энергоатомиздат, 1985.

10. Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. - М.гЭнергоатомизхдат, 1992.

11. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники, учебное пособие, изд. 3- е - Новосибирск: изд. НГТУ, 2004, 672 с.

12. Розанов Ю. К., Рябчицкий М. В., Кваснюк А. А. Силовая электроника. М. Издательский дом МЭИ 2007.

13. Тиристорные устройства FACTS для электропередач переменного тока. IEEE Press Series on Power Engineering. Перевод Н.Г. Лозинова. Санкт-Петербург, НИИПТ. 2005г.

14. FACTS. Под редакцией Yong Yua Song, Allan Т Johns. The Institution of Electrical Engineers, 1999.

15. Akagi H. Active filters for power conditions. The power electronics. Handbook. Ed. T. L. Scvorenina, USA: CRC Press, 2002.

16. Ali Emadi, Abdolhosein Nasiri, Stoyan B. Bekiarov. Uninterruptible power supplies and active filters. USA: CRT Press, 2005.

17. Corzine K. Rashid Muhammed H. Power electronics. USA: Prentice — Hall, Inc., 1988

18. Кондиционеры сети на основе активных фильтров. Электротехника. 2007, №5.

19. Булатов О. Г., Царенко А. И. Тиристорно-конденсаторные преобразователи. М.: Энергоатомиздат, 1982.

20. Rashid М. Power Electronics Handbook.— В.: Academic Press, 2001.

21. Akagi H., Active and hybrid filters for power conditioning, in Proceedings of the IEEE Conference on Industrial Electronics, vol. 1, 2000.

22. Peng F. Z., Harmonic sources and filtering approaches, IEEE Industry Applications Magazine, 7 (4), 18-25, 2001.

23. Климов В. П., Москалев А. Д. Способы подавления высших гармоник тока в системах электропитания.- М.: АОЗТ ММП-Ирбис, 2002.- 8 C.+

24. Stacey E. J., Strycula E. С Hybrid power filters // IAS annual meeting: Тез. докл.-W., 1977.-P. 1133-1140

25. Кваснюк A. A, Регулятор качества электроэнергии с расширенной областью функциональных возможностей: Дне. канд. техн. наук.- М., МЭИ, 2002.-133 с.

26. Рябчицкий М. В. Регулятор качества электроэнергии: Дис. канд. техн. наук.- М., МЭИ, 1999.- 119 с.

27. Иванов И. В. Исследование и разработка регулятора сетевого фильтра высших гармоник для систем автономного электроснабжения: Дис. канд. техн. наук.-М., МЭИ, 1993.- 146 с.

28. Steffen Bernet. Recent Developments of High Power Converters for Industry and Traction Applications, IEEE Trans. On Power Electronics, vol.15, no. 6, nov. 2000.

29. Кочкин В. И., Нечаев О. П. Применение статических компенсаторов реактивной мощности в электрических сетях энергосистем и предприятий. М. Изд. НЦ ЭНАС, 2000г.

30. М. Moroozian, SM IEEE &е, ABB Utilities, FACTs Division "Benefits of SVC STATCOM for Electric Utility Application".

31. Четти П, Проектирование ключевых источников электропитания.- М.: Энергоатомиздат, 1990.—420 с.

32. Мустафа Г.М., Ковалев Ф.И. Сравнительный анализ трех способов управления импульсными следяш,ими инверторами // Электричество.-1989.-№2.- с. 29-37.

33. S. Fukuda, R. Imamura, "Application of a sinusoidal internal model to cuiTent control of three-phase utility-interface converters", IEEE Trans, on Industrial Electronics, vol.52, no.2, pp. 420-426, April 2005.

34. Н. Akagi, "Trends in active power line conditioners," IEEE Trans. On Power Electronics, vol.9, no. 3, may 1994.

35. H. Akagi, Instantaneous reactive power compensation comprising switching devices without energy storage elements, IEEE Transactions on Industry Applications, 2 (3), 625-630, 1984.

36. H. Jou. Performance comparison of the three-phase active-power-filter algorithms Generation. Proceedings of the lEE on Transmission and Distribution, 142 (6), 646-652, 1995.

37. L. A. Pittorino, A. Horn and J. H. Enslin. Power theory evaluation for the control of an active power filter. Proceedings of the IEEE 4'^ AFMCON, vol. 2, 1996, pp. 676-681.

38. G. D. Marques. A comparison of active power filter control methods in unbalanced and non-sinusoidal conditions. Proceedings of the IEEE 24^ Industrial Electronics Conference, vol. 1, 1998, pp. 444-449.

39. Дж. Дэбни, Т. Харман. Simulink 4 - секреты мастерства. Перевод с английского М. Л. Симонова. Москва.: БИНОМ Лаборатория знаний. 2003.

40. Герман-Галкин Г., Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0. - СПб.: Корона принт, 2001. - 320с. 43 ' Дьяконов В .П. Matlab 6/6.1/6.5 Simulink 4.5 в математике и моделированиию. - М.: 2003.-214 с.

41. Дьяконов В., Круглов В. Математические пакеты расширения MATLAB: Специальный справочник.- СПб: Питер, 2001.- 480 с.

42. Дьяконов В., Круглов В. MATLAB. Анализ, идентификация и моделирование систем: Специальный справочник.— СПб: Питер, 2002.-448 с.

43. Герман-Галкин С . Компьютерное моделирование преобразователей в пакете Matlab.- М.: Корона Принт, 2001.- 320 с.