автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Основы теории и проектирования оптимальных фильтрокомпенсирующих устройств для преобразователей

.......f\ IbíCW CilíiX

ВСЕРОССИЙСКИЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ

ИНСТИТУТ имени В. И. Ленина

На правах рукописи

ДОБРУСИН

Леонид Александрович

ОСНОВЫ ТЕОРИИ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ФИЛЬТРОКОМПЕНСИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени доктора технических наук

Специальность 05.09.03-Электротехнические комплексы и

системы, включая их управление и регулирование

Москва 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................5

ГЛАВА ПЕРВАЯ..............................................................................30

АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С ПИТАЮЩЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТЬЮ

1.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА...................................................30

1.2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ТЕРМИНЫ........32

1.3. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С УМЕНЬШЕННЫМ ПОТРЕБЛЕНИЕМ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ.....................................................36

1.4. ИССЛЕДОВАНИЯ И НОРМИРОВАНИЕ ВЫСШИХ ГАРМОНИК ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ

В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ,

ПИТАЮЩИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ........................................41

1.5. ПРИНЦИПЫ МИНИМИЗАЦИИ ГАРМОНИК В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ,

ПИТАЮЩИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ.......................................53

1.6. ВЫБОР РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ФИЛЬТРОКОМПЕНСИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА...............64

1.7. ПОТЕРИ В ФИЛЬТРОКОМПЕНСИРУЮЩЕМ УСТРОЙСТВЕ...............................................................................72

ГЛАВА ВТОРАЯ..............................................................................78

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ФИЛЬТРОКОМПЕНСИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

2.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА ФИЛЬТРОКОМПЕНСИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ..................78

2.2. ПРИНЦИПЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ МЕЖДУ ФИЛЬТРАМИ ФКУ............................86

2.3. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ОПТИМАЛЬНОГО

ПРОЕКТИРОВАНИЯ ФИЛЬТРОКОМПЕНСИРУЮЩЕГО

УСТРОЙСТВА И АЛГОРИТМ РЕШЕНИЯ.............................105

2.4. УРАВНЕНИЯ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ АЛГОРИТМ ФУНКЦИИ ОГРАНИЧЕНИЙ....................................................115

2.5. УРАВНЕНИЯ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ АЛГОРИТМ ЦЕЛЕВОЙ ФУНКЦИИ..............................................................123

2.6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОНДЕНСАТОРОВ, РЕАКТОРОВ И РЕЗИСТОРОВ.................................................130

ГЛАВА ТРЕТЬЯ............................................................................133

ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКТ ДЛЯ ОПТИМАЛЬНОГО СИНТЕЗА ПАРАМЕТРОВ ФИЛЬТРОКОМПЕНСИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА

3.1. ВЫБОР МЕТОДИЧЕСКОГО НАПРАВЛЕНИЯ...................133

3.2. МЕТОДЫ СИМПЛЕКСНОГО ПОИСКА И ЕГО МОДИФИКАЦИИ......................................................................138

3.3. АЛГОРИТМ ТОЖДЕСТВЕННОГО СЛУЧАЙНОГО ПОИСКА.....................................................................................152

3.4. АЛГОРИТМ ФОРМИРОВАНИЯ ВЕКТОРА

ПЕРВОЙ ВЕРШИНЫ МНОГОГРАННИКА........................155

3.5. АЛГОРИТМ ФОРМИРОВАНИЯ ИСХОДНОГО МНОГОГРАННИКА..................................................................158

3.6. АЛГОРИТМ СМЕЩЕНИЯ МНОГОГРАННИКА

В ОБЛАСТЬ ЭКСТРЕМУМА.................................................166

3.7. ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКТА ТОПМЕТ .......................................................183

3.8. СТРАТЕГИЯ ПОИСКА ГЛОБАЛЬНОГО

РЕШЕНИЯ..................................................................................191

3.9. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ................................................193

ГЛАВА ЧЕТВЁРТАЯ...................................................................199

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЛЬТРОКОМПЕНСИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ С МИНИМАЛЬНЫМИ ПОТЕРЯМИ

4.1. ПРИНЦИПЫ УМЕНЬШЕНИЯ ПОТЕРЬ

В СХЕМАХ ФКУ......................................................................199

4.2. УСЛОВИЯ КОРРЕКТНОГО ПРИМЕНЕНИЯ К-ФИЛЬТРА В КОМПЛЕКТЕ С У-ФИЛЬТРАМИ...........204

4.3. ШИРОКОПОЛОСНЫЕ ФИЛЬТРОКОМПЕНСИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО СОЕДИНЕНИЯ Д-ФИЛЬТРА И К-ФИЛЬТРА..................................................211

ГЛАВА ПЯТАЯ..............................................................................224

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЛЬТРОКОМПЕНСИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

5.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТ.................................225

5.2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ФКУ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ

ТИПА СПЧС-10 000..................................................................226

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................249

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................252

ИЛЛЮСТРАЦИИ..........................................................................293

АКТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ............................................348

ВВЕДЕНИЕ

Фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ) предназначены для нормализации показателей электромагнитной совместимости (ЭМС) полупроводниковых преобразователей электроэнергии с питающей сетью.

Проблема ЭМС преобразователей рассматривается во взаимосвязи с проблемой качества электрической энергии [1-9], так как физические явления, сопровождающие процесс преобразования параметров электрической энергии : потребление реактивной мощности; генерация гармоник тока; искажение формы кривой напряжения - оказывают отрицательное воздействие на качество электрической энергии в питающей электрической сети.

Негативные свойства преобразователей стали заметно проявляться в связи с ростом единичной мощности и количества преобразователей в промышленности и на транспорте. В промышленных сетях 6-10 кВ уровни высших гармоник напряжения достигают 20...25% [8, 10, 20, 24], что свидетельствует о низкой оснащенности этих сетей фильтрокомпенсирующими устройствами либо о слабой эффективности имеющихся в эксплуатации ФКУ.

Причины такого положения следует искать в том, что проблеме ЭМС преобразователей долго не уделялось должного внимания. Программы разработок и внедрения преобразователей значительно опережали темпы работ по ФКУ, так как применение преобразователей в технологических линиях быстро давало экономический эффект за счет повышения объемов производства и качества продукции, в то время как отсутствие ФКУ напрямую не влияло на эти характеристики производственного процесса.

С другой стороны недостаточность ФКУ в сетях с преобра-

зователями связано с нынешним состоянием отечественных энергосистем, которое характеризуется заниженной по сравнению с оптимальной степенью компенсации реактивной мощности -0,16... 0,2 кВАр на 1 кВт установленной мощности электростанций [8, 11, 12], в то время, как в промышленно развитых странах степень компенсации превышает 0,6 кВАр/кВт, а в отдельных энергосистемах достигает 1 кВАр/кВт [12, 13].

Низкая степень компенсации реактивной мощности противоречит основной задаче электроэнергетики на современном этапе, которая заключается в максимальной экономии энергоресурсов, снижению потерь электроэнергии в сетях и повышению ее качества в узлах потребления [8, 9]. Если в системах с потребителями синусоидального тока пути решения этой задачи относительно ясны и заключаются в интенсификации применения традиционных источников реактивной мощности - батарей конденсаторов, синхронных компенсаторов [8, 9, 12, 13] , то в сетях, питающих преобразователи, та же задача приобретает определенную специфику [14, 15, 16, 17].

Известно, что наиболее экономичным средством компенсации реактивной мощности являются батареи конденсаторов [12, 13, 18]. В электрических сетях промышленно развитых стран до 50% реактивной мощности компенсируется батареями конденсаторов [19]. При этом следует учитывать, что подключение конденсаторов приводит к изменению зависимости входного сопротивления сети от частоты, так как емкостное сопротивление конденсаторов и индуктивное сопротивление сети образуют резонансный контур. Полюс частотной характеристики контура, как правило, находится в области низких, наиболее мощных гармоник преобразователя. В сетях с потребителями синусоидального тока послед-

ствия этого резонанса не проявляются. Однако, если в сети имеется преобразователь, генерирующий гармоники тока, то происходит резонансное усиление гармоник тока и напряжения в питающей сети. В таких условиях конденсаторы хотя и могут теоретически компенсировать реактивную мощность на основной частоте, практически становятся вредным элементом системы электроснабжения, поэтому их приходится отключать. Таким образом, решение проблемы компенсации реактивной мощности заходит в тупик, когда вопросы массового внедрения преобразователей решаются в отрыве от создания средств компенсации их воздействий на питающую сеть.

Аналогичные процессы происходят при подключении к сети других нелинейных нагрузок, например, дуговых сталеплавильных печей, сварочных агрегатов и так далее .

Выход из этого тупика достаточно очевиден. Во-первых, необходимо исключать возможность появления полюсов на частотах наиболее мощных гармоник преобразователя, тем самым обеспечив батарее конденсаторов условия для выполнения основной функции - компенсации реактивной мощности. Во-вторых, следует создать условия для локализации гармоник тока преобразователя в узле его подключения к сети, используя емкость батареи конденсаторов как базу силового энергетического фильтра.

Решение данных вопросов для систем электроснабжения, питающих преобразователи, настолько тесно взаимосвязаны, что рассматривать их в отрыве друг от друга представляется нецелесообразным. По существу это две стороны одной проблемы - проблемы фильтрокомпенсации преобразователей, сущность которой состоит в отыскании оптимальных путей демпфирования отрицательных воздействий преобразователей на питающую сеть.

Электрические аппараты, предназначенные для практического решения данной проблемы, получили название фильтро-компенсирующих устройств (ФКУ) [14]. ФКУ должны обеспечивать компенсацию реактивной мощности, потребляемой преобразователем, и одновременную фильтрацию вносимых им в сеть высших гармоник тока, создавая тем самым условия для улучшения режима работы сети в соответствии с действующими нормативами.

Следует акцентировать еще одну важную сторону проблемы фильтрокомпенсации, которую необходимо решать при проектировании ФКУ.

Конденсаторные источники реактивной мощности получили широкое распространение благодаря относительно низкой стоимости, удобству эксплуатации и, что крайне важно, малым удельным потерям. Отечественные конденсаторы для повышения коэффициента мощности электроустановок переменного тока частоты 50 гц имеют потери 2... 2,5 Вт/кВАр для типоисполнений напряжением 6-10 кВ и 3,5... 4,5 Вт/кВАр для типоисполнений напряжением до 1000 В [21]. Прогресс в современном конденсато-ростроении, основанный на использовании новых изоляционных материалов и пропиточных жидкостей, позволил создать конденсаторы с удельными потерями 0,1...0,5 Вт/кВАр [12, 13, 22]. Применение именно таких конденсаторов делает экономически целесообразным повышение степени компенсации реактивной мощности до 1 кВАр/кВт.

ФКУ также являются конденсаторными источниками реактивной мощности, поэтому для повышения их экономической эффективности надо стремиться, чтобы потери в данном устройстве были максимально приближены к потерям в базовой батарее кон-

денсаторов. Отсюда, возникает идея минимизации потерь в ФКУ [23].

Актуальность задачи минимизации потерь в ФКУ следует из оценок перспективы увеличения мощности компенсирующих устройств в электрических сетях.

По предварительным расчетам в целом по стране для повышения степени компенсации до 50% требуется мощность компенсирующих устройств около 70 миллионов кВАр. Это дает эффект по снижению потерь электроэнергии в сетях, эквивалентный уменьшению потребности в дополнительной мощности электростанции на 4 миллиона кВт [25].

Если же повысить степень компенсации до 70...80%), то потери активной мощности в сетях снизятся на 15... 25%, что позволит сократить установленную мощность электростанций на 4,5 миллиона кВт [26].

Повышение степени компенсации до уровня, достигнутого в промышленно развитых странах, потребует определенного времени и материальных затрат. При решении этой задачи необходимо учитывать, что около 50% электроэнергии используется в преобразованном виде [27, 28]. Среднее значение коэффициента сдвига на входе преобразователя равно 0,7, что соответствует потреблению реактивной мощности 1 кВАр на 1 кВт активной мощности. Отсюда следует, что более половины дефицита реактивной мощ- / ности в электрических сетях страны надо компенсировать с помощью ФКУ.

Для повышения эффективности этого направления компенсации реактивной мощности задача минимизации потерь в ФКУ столь же актуальна, как в конденсаторостроении. Однако она не может быть решена только за счет применения в ФКУ экономич-

ных конденсаторов, так как потери в реакторах и резисторах ФКУ соизмеримы с потерями в конденсаторах. Поэтому общее решение этой задачи состоит в поиске рациональных схем ФКУ с минимальным объемом реакторов и резисторов, необходимых для придания схеме требуемых фильтрующих свойств, и последующей параметрической оптимизации схемы ФКУ по минимуму потерь.

Целью настоящей работы является разработка основ теории и принципов проектирования оптимальных фильтро-компенсирующих устройств, предназначенных для компенсаций воздействия полупроводниковых преобразователей электроэнергии на питающую сеть.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Изучить нормативные материалы по электромагнитной совместимости преобразователей; выделить показатели, которые нормализуются с помощью фильтрокомпенсирующих устройств и разработать требования к фильтрокомпенсирующим устройствам.

2. Исследовать методы повышения качества электрической энергии в электрических сетях, питающих преобразователи; оценить место фильтрокомпенсирующих устройств среди множества методов повышения показателей электромагнитной совместимости преобразователей и определить критерий оптимизации фильтрокомпенсирующих устройств.

3. Создать макеты фильтрокомпенсирующих устройств, экспериментально исследовать их фильтрующие и компенсирующие свойства в комплекте с макетами преобразователей и, опираясь на эти экспериментальные результаты, разработать математические модели фильтрокомпенсирующего устройства и преобразователя, корректные для теоретических исследований электромагнитной

совместимости преобразователя и оптимизации фильтрокомпен-сирующего устройства.

4. Обосновать физически и поставить математически задачу оптимизации фильтрокомпенсирующего устройства.

5. Изучить методы решения оптимизационных задач, обосновать выбор методического направления для решения поставленной задачи, разработать алгоритмы и метод решения задачи оптимизации фильтрокомпенсирующего устройства.

6. Создать автоматизированный программный комплект, позволяющий рассчитывать оптимальные фильтрокомпенсирующие устройства для преобразователей.

7. Теоретически исследовать с помощью программного комплекта различные схемы фильтрокомпенсирующих устройств и выработать рекомендации по их применению в зависимости от схемы преобразователя и материальных затрат на их реализацию.

8. Создать по заданиям конкретных заказчиков промышленные образцы фильтрокомпенсирующих устройств для преобразователей с параметрами, близкими к оптимальным, исследовать их в условиях действующего производства с реальной нагрузкой технологических линий и по результатам исследований оценить практическую значимость разработанных в диссертации теоретических положений и расчетных методов.

Научные исследования, определившие содержание диссертации, выполнены в рамках больших научно-технических программ в соответствии с планами НИОКР ВЭИ им. В.И.Ленина.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения.

В первой главе выполнен анализ проблемы электромагнитной совместимости преобразователей с питающей сетью. Рас-

смотрена терминология, нормативно-техническая литература по ЭМС преобразователей, методы и средства повышения показателей ЭМС преобразователей.

Отмечено, что единой терминологии по ЭМС преобразователей, регламентированной стандартом, не существует. В научно-технической литературе по этой проблеме в основном используются термины, заимствованные из нормативных документов по полупроводниковым преобразователям , общих стандартов по ЭМС технических средств и качеству электрической энергии . В тех случаях, когда существующая терминология недостаточно отражает физический смысл процессов ЭМС преобразователя, в литературу вводятся новые термины. В частности, термин "фильтрокомпенсирующее устройство (ФКУ)" предложен автором диссертации [14] и в последующем использован в публикациях других авторов [1,2, 29-35, 38].

В этой связи, поскольку ФКУ является объектом исследования, автор уточнил содержание этого термина. Конкретизированы также другие понятия, термины, определения, которые применяются в настоящей работе, либо указаны источники, откуда они заимствованы.

Аналогичное положение сложилось и в области нормализации параметров ЭМС преобразователей. Международные и национальные стандарты по ЭМС и полупроводниковым преобразователям не всегда согласованы в части параметров ЭМС преобразователей . В то же время в ряде промышленно развитых стран отрицательное влияние преобразователей на питаю