автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Разработка адаптивных алгоритмов поключевого управления тиристорными коммутаторами фазоповоротных устройств

На правах рукописи

Новиков Михаил Александрович

РАЗРАБОТКА АДАПТИВНЫХ АЛГОРИТМОВ ПОКЛЮЧЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРНЫМИ КОММУТАТОРАМИ ФАЗОПОВОРОТНЫХ УСТРОЙСТВ

Специальность 05.09.12 - Силовая электроника

А

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005546365

Москва 2013

005546365

Работа выполнена на кафедре промышленной электроники федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский

университет «МЭИ».

Научный руководитель

Ремизевич Татьяна Вячеславовна, кандидат технических наук, доцент, НИУ «МЭИ», Институт радиотехники и электроники, доцент кафедры Промышленной электроники

Официальные оппоненты

Розанов Юрий Константинович, доктор технических наук, профессор, НИУ «МЭИ», Институт электротехники, профессор кафедры Электрических и электронных аппаратов

Гуреев Александр Васильевич, доктор технических наук, доцент, НИУ «МИЭТ», заведующий кафедрой Радиоэлектроники

Ведущая организация

ОАО «Научно-технический центр

Федеральной сетевой компании Единой энергетической системы», г. Москва

Защита состоится 26 декабря 2013г. в 14 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.157.12 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ», по адресу 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 13, аудитория Е-511.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим присылать по адресу 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан «23» ноября 2013г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.12, к.т.н., доцент Ремизевич Т.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Энергосистема России - это уникальный технический объект, особенностью которого является наличие «закольцованных» связей и межсистемных связей с большой пропускной способностью. Межсистемные связи обеспечивают высокую надежность поставки электроэнергии потребителям, а так же рациональное использование различных энергетических ресурсов, географически и технологически неравномерно распределенных по территории страны.

Концепция развития электроэнергетики России направлена на создании так называемой Интеллектуальной электроэнергетической системы с активно -адаптивной сетью. Под этим понятием понимается система, в которой все субъекты электроэнергетического рынка (генерация, передача, потребители) принимают активное участие в процессах передачи и распределения электроэнергии.

Активная передача электроэнергии, т.е. с возможностью управляемого снижения потерь при транспортировке, а так же уменьшению последствий, возникающих при аварийных отключениях линий электропередач, осуществляется с помощью применения технологии гибких (управляемых) систем электропередачи переменного тока (в иностранной литературе известных как системы FACTS).

Фазоповоротное устройство с тиристорным коммутатором (ФПУ с ТК) является одной из перспективных разработок данного класса устройств. Исследованиями ФПУ с ТК и вопросами их применения занимались ученые из России, а так же иностранные ученые, такие как: Александров Г.Н., Веников В.А., Гринштейн Б.И., Калюжный А.Х., Рыжов Ю.П., Ситников В.Ф., Чебан В.М., W.Seitlinger, J.Verboomen и др.

Федеральная сетевая компания ОАО «ФСК ЕЭС» совместно с ОАО «Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского» ведут работы по созданию первого в мире опытно-промышленного образца фазоповоротного устройства с тиристорным коммутатором мощностью 104 МВА.

Проведенные ранее теоретические исследования выявили множество особенностей протекания электромагнитных процессов в оборудовании ФПУ, затронули вопросы надежности переключения фазоповоротного устройства. Средствами имитационного моделирования было показано, что алгоритмы переключения МТК должны претерпевать изменения в зависимости от параметров режима энергосистемы в текущий момент времени.

Поэтому задача исследования электромагнитных процессов в силовой схеме ФПУ с ТК, анализа и разработки алгоритмов управления тиристорным коммутатором в составе ФПУ, учитывающих состояние энергосистемы является своевременной и актуальной, и требует детального рассмотрения.

Степень разработанности проблемы. Структура фазоповоротного устройства с тиристорным коммутатором по соединению электромагнитного оборудования соответствует широко применяемым во всем мире

фазоповоротным трансформаторам (ФПТ). Основной отличительной особенностью является то, что в ФПТ для коммутации высоковольтных выводов трансформаторов применяются электромеханические устройства регулирования под нагрузкой (РПН). В ФПУ с ТК применяются бесконтактные переключатели, построенные с применением полупроводниковых однооперационных тиристоров.

В мире, на текущий момент отсутствуют введенные в эксплуатацию фазоповоротные устройства с тиристорными коммутаторами. Существуют работы, посвященные теме диссертации, построенные на основе имитационного моделирования и аналитических расчетах, но анализ процессов в ФПУ с ТК в данных работах проводился с учетом ряда допущений и с использованием упрощенных имитационных моделей.

Отсутствие практической реализации силовой схемы ФПУ с ТК и отработки алгоритмов управления на практике, диктует необходимость создания экспериментального образца ФПУ с ТК, а так же тщательного исследования статических и динамических режимов его работы.

Цель диссертационной работы: обеспечение безопасного переключения тиристорных коммутаторов фазоповоротного устройства в условиях медленного изменения параметров режима энергосистемы.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:

1. Создание экспериментального макета фазоповоротного устройства с тиристорным коммутатором мощностью 20 кВА, Проведение экспериментальных исследований процессов в схеме ФПУ с подключением шунтового трансформатора к средней точке сериесного трансформатора;

2. Разработка моделей для описания процессов в ФПУ с ТК в симметричном и несимметричном режимах его работы, а также процессов переключения тиристорных коммутаторов;

3. Валидация моделей на экспериментальном образце ФПУ;

4. Прогнозирование режимов работы опытно-промышленного образца ФПУ с использованием разработанных моделей. Исследование влияния параметров энергосистемы на область безопасного переключения ТК ФПУ;

5. Синтез адаптивных алгоритмов управления тиристорным коммутатором ФПУ, обеспечивающих его безопасное функционирование в нормальных режимах работы энергосистемы Определение параметров для системы управления преобразователем опытно-промышленного образца ФПУ.

Методы исследований. Для решения поставленных в работе задач использовались: теория электрических цепей, теория систем дифференциальных и линейных уравнений, численные методы их решения, имитационное моделирование в программном комплексе Ма11аЬ/81тиНпк, экспериментальные исследования.

Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием математического аппарата, сопоставлением основных результатов, полученных с применением различных методов математического и имитационного моделирования с результатами экспериментов по

воспроизведению аналогичных режимов работы на экспериментальном макете ФПУ с ТК.

Научная новизна:

1. Экспериментально выявлено и теоретически обосновано влияние взаимной магнитной связи вторичных обмоток шунтового трансформатора на область безопасного переключения тиристорных коммутаторов ФПУ;

2. Разработана методика расчета предельных коммутационных характеристик ФПУ с поключевым управлением тиристорными коммутаторами.

3. Разработана усовершенствованная имитационная модель ФПУ, учитывающая влияние реальных характеристик его элементов на статические и коммутационные характеристики ФПУ.

4. Разработана аналитическая модель ФПУ, описывающая связь режима энергосистемы и коммутационной способности ФПУ в несимметричных режимах его работы. Модель используется в адаптивном алгоритме управления ТК ФПУ для расчета коммутационной способности ФПУ в реальном масштабе времени.

Практическая полезность:

1. Предложена методика экспериментального определения коэффициентов взаимной связи вторичных обмоток шунтового трансформатора для усовершенствованной имитационной модели ФПУ;

2. Разработана усовершенствованная имитационная модель для опытно-промышленного образца ФПУ с ТК, проведено прогнозирование коммутационных характеристик опытно-промышленного образца ФПУ номинальной мощностью 104 МВА;

3. Разработаны адаптивные алгоритмы управления ФПУ, которые позволяют обеспечить безопасное переключение тиристорного коммутатора в условиях медленного изменения параметров режима энергосистемы;

4. Разработан и сконструирован экспериментальный образец ФПУ с ТК мощностью 20 кВА, который может быть использован для проведения дальнейших исследований в области алгоритмов управления фазоповоротными устройствами с тиристорными коммутаторами.

Внедрение результатов работы:

1. Разработанная методика проведения испытаний многообмоточного трансформатора включена в программу приемо-сдаточных испытаний шунтового трансформатора опытно-промышленного образца ФПУ, проводимых в ООО «Тольяттинский трансформатор».

2. Разработанные алгоритмы управления тиристорными коммутаторами ФПУ, а так же параметры настройки алгоритмов управления лежат в основе прикладного программного обеспечения центрального блока системы управления опытно-промышленного образца ФПУ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика расчета максимальной коммутационной способности ФПУ с ТК для проведения предпроектной оценки управляющей способности ФПУ с ТК в конкретном месте установки;

2. Усовершенствованная имитационная модель ФПУ с ТК, и полученные на ее основе результаты расчета коммутационной способности опытно-промышленного образца ФПУ с ТК мощностью 104 МВА;

3. Аналитическая модель работы ФПУ с ТК в несимметричных режимах работы, вызванных пофазным переключением тиристорных коммутаторов;

4. Адаптивный алгоритм управления тиристорным коммутатором, обеспечивающий безопасное переключение ФПУ с ТК, учитывающий текущее состояние энергосистемы с возможностью оценки режима работы ФПУ с ТК после переключения.

Апробация полученных результатов: Основные результаты работы докладывались на:

1. Заседании кафедры «Промышленная электроника» ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»;

2. Конференции молодых ученых «Энергия единой сети» (22 июня 2013, г. Санкт-Петербург).

3. XVI, XVII, XVIII международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ», г. Москва, 20Юг, 2011 г, 2012г.),

4. VII Межрегиональной научно-технической конференции «Информационные технологии, энергетика и экономика» (СФМЭИ, г. Смоленск, 20 Юг);

5. Международной научно-практической заочной конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии», (г. Липецк, 2012);

Публикации. Основные результаты диссертации освещены в 11 научных работах, из них две в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен один патент на полезную модель, одно свидетельство о регистрации программного обеспечения, также получено решение о выдаче патента на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 221 страницах, имеет 81 иллюстрацию, включает титульный лист, оглавление, введение, 4 основные главы результатов работы, заключение, список литературы (82 позиции)и 3 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении показаны актуальность выбранной темы диссертации, сформулированы цель работы и задачи, подлежащие решению, дана кратная характеристика работы, а так же приведены ее квалификационные признаки.

В первой главе диссертационной работы проведен анализ функционирования фазоповоротного устройства с тиристорным коммутатором, построенного по схеме с подключением первичной обмотки шунтового

трансформатора к средней точке сетевой обмотки сериесного трансформатора (рисунок 1).

Рисунок 1. Функциональная схема фазоповоротного устройства с тиристорными коммутаторами

Каждый мостовой тиристорный коммутатор (МТК) в составе ФПУ может находиться в одном из трех режимов, которым присвоены числовые индексы 11, 01 и 10 (рисунок 1). Ступень регулирования ФПУ (и соответствующий ей фазовый сдвиг между напряжением на входе и на выходе ФПУ) определяется комбинацией состояний мостовых тиристорных коммутаторов переменного тока (таблица 1). В работе рассматривается режим поключевого управления, при котором импульсы управления одновременно подаются на встречно-параллельные тиристоры двух проводящих плеч МТК.

Для оценки достоверности ранее проведенных исследований, выявления новых, ранее не рассматриваемых режимов работы ФПУ с ТК, а также для валидации разработанных автором моделей создан экспериментальный образец ФПУ мощностью 20 кВА, описание которого приведено в первой главе работы. Структурно схема экспериментального макета отличается от опытно-промышленного образца ФПУ наличием всего трех вторичных обмоток шунтового трансформатора в каждой фазе, что не влияет на функциональные возможности устройства, а лишь уменьшает количество возможных ступеней регулирования.

На основе проведенных ранее другими авторами исследований и по результатам экспериментальных исследований на макетном образце выявлены следующие проблемы переключения МТК ФПУ:

1. Необходимость формирования интервалов безопасного переключения МТК. Переключение МТК при поключевом управлении происходит путем одновременного снятия импульсов управления с тиристоров выключающегося плеча МТК и подачей импульсов управления на тиристоры выключающегося плеча МТК. Переключение ФПУ из одной ступени регулирования в другую возможно только в разрешенные временные интервалы. Переключение МТК не в пределах разрешенного временного интервала приведет к формированию контура протекания ударного тока короткого замыкания.

Определены два типа разрешенных временных интервалов. Переключение МТК в сторону увеличения номера ступени регулирования возможно в такие временные интервалы, когда ток, протекающий через МТК и напряжение, подводимое к МТК, имеют противоположные знаки. Переключение МТК в сторону уменьшение номера ступени регулирования возможно при равенстве знаков тока и напряжения МТК.

Длительность временных интервалов каждого типа определяется фазовым сдвигом между током и напряжением МТК v|/=<p-90, где ф - фазовый сдвиг между током и напряжением на входе ФПУ и определяется состоянием энергосистемы. Дополнительно накладывается ограничение, связанное с длительностью переходного процесса при переключении МТК и временем восстановления запирающих свойств тиристоров. Наложение корректных ограничений на временные интервалы является необходимым условием для обеспечения безаварийной работы МТК ФПУ.

Таблица 1. Соответствие состояния Введено понятие критического

мостов и ступеней регулирования фазового сдвига i|/Kp. Критический ФПУ фазовый сдвиг - это фазовый сдвиг

между током и напряжением в тиристорном коммутаторе, при котором присутствует только один тип разрешенных интервалов. Критический фазовый сдвиг определяется

длительностью коммутационного

процесса в МТК и характеризует зону частичной управляемости ФПУ.

В ходе экспериментов было подтверждено формирование контура протекания тока короткого замыкания при некорректном учете ограничений на разрешенные временные интервалы.

2. Работа ФПУ в режиме частичной управляемости. Характеризуется таким состоянием, когда фазовый сдвиг между током и напряжением в МТК находится в пределах критической зоны углов или зоны частичной управляемости [00; i|/Kp] или [180°- *|/кр;180°|. В таком случае переход в

.V» ступен II Угол регулирования град.эл. ТК1-Л ТК2-Л ТКЗ-А ТК4-Л

15 20,0 01 01 01 01

14 18.66 11 01 01 01

2 2,66 11 01 11 11

1 из 01 11 11 11

0 0 11 11 11 11

-1 -1,33 10 11 11 11

_2 -2,66 11 10 И 11

-14 -18.66 11 10 10 10

-15 -20,0 10 10 10 10

некоторое множество ступеней регулирования необходимо проводить через промежуточные ступени, находящиеся вне зоны частичной управляемости. Таким образом формируются маршруты переключения из начальной ступени в конечную через промежуточную ступень регулирования ФПУ.

3. Работа ФПУ в режиме неуправляемости. Характеризуется таким состоянием, когда ФПУ может переключаться только между ступенями регулирования, которые находятся в зоне частичной управляемости. В результате фазоповоротное устройство теряет способность к выходу из зоны частичной управляемости.

Способы управления, предотвращающие переход ФПУ в режим неуправляемости на текущий момент отсутствуют.

4. Отсутствие ранее проведенных исследований одновременной коммутации нескольких обмоток шунтового трансформатора.

Опыты, проведенные на экспериментальном макете ФПУ, показали возможность применения разработанных ранее другими авторами аналитических моделей для вычисления длительности коммутационных процессов при переключении одного МТК. Расхождение результатов, полученных с помощью аналитического расчёта и во время экспериментов, проводимых на физической модели ФПУ, не превышает 10%.

Проведенная классификация всех возможных переключений опытно-промышленного образца фазоповоротного устройства (всего 930 переключений), показала, что большинство переходов ФПУ из одной ступени в другую характеризуется необходимостью переключения нескольких тиристорных коммутаторов одной фазы. Для уменьшения общего времени перехода ФПУ со ступени на ступень, целесообразно проводить данные переключения одновременно. Введено понятие множественной коммутации. Множественная коммутация - это переключение фазоповоротного устройства, для реализации которого необходимо одновременно изменить состояние нескольких тиристорных коммутаторов в одной фазе тиристорного преобразователя, т.е. провести одновременную коммутацию нескольких вторичных обмоток одной фазы шунтового трансформатора.

В ходе физических экспериментов обнаружено, что на длительность переходных процессов при множественном переключении тиристорных коммутаторов влияют не учтенные ранее свойства электромагнитного оборудования ФПУ. Это приводит к увеличению длительности коммутационных процессов по сравнению с принятой ранее теорией. Сделано предположение, что на длительность коммутационных процессов влияет наличие взаимной магнитной связи между вторичными обмотками шунтового трансформатора. Наличие взаимной связи по потокам рассеяния так же влияет на общее эквивалентное сопротивление фазоповоротного устройства на каждой ступени регулирования. Данный параметр определяет статические характеристики устройства и необходим для проведения расчетов режимов работы энергосистемы с включенным в нее ФПУ.

5. Переход ФПУ в неполнофазный режим. Переключения тиристорных коммутаторов ФПУ производится пофазно, вследствие

несовпадения во времени разрешенных интервалов безопасного переключения для МТК трех фаз. В ранее проведенных работах был обнаружен эффект перехода ФПУ в установившийся несимметричный режим (неполнофазный режим), который возникает за счет того, что переключение первых двух фаз тиристорных коммутаторов ФПУ приводит к исчезновению разрешенных временных интервалов в третьей коммутируемой фазе.

Эффект перехода ФПУ в неполнофазный режим был неоднократно зарегистрирован на экспериментальном образце ФПУ. Однако, факторы, приводящие к возникновению такого режима, в настоящее время не изучены.

Вторая глава посвящена исследованию электромагнитных процессов в оборудовании ФПУ при множественном переключении тиристорных коммутаторов.

Проведен анализ электромагнитных процессов одновременной коммутации нескольких вторичных обмоток шунтового трансформатора, получены аналитические выражения, для описания коммутационных процессов (1). Данные аналитические выражения отражают связь производных тока во вторичных обмотках п-обмоточного трансформатора (¡¡), с напряжениями на вторичных обмотках (е„,), активными и реактивными составляющими собственного сопротивления (г;, Ь|) вторичных обмоток и взаимного сопротивления вторичных обмоток (Мд1у).

0 = di"

К,„J dt К,„ ) " lit Kln-KIn., ""

Расчет выражений (1) проводился путем имитационного моделирования, для чего была разработана эквивалентная (1) схема замещения многообмоточного трансформатора, включающая в себя дополнительные зависимые источники напряжения во вторичных обмотках трансформатора (е32, е42, е23, е43, е24, е34), определяющие взаимное влияние потоков рассеяния трансформатора.

На основе схемы замещения (рисунок 2) составлена модифицированная имитационная модель шунтового трансформатора ФПУ для программного комплекса Matlab/Simulink. Для определения параметров этой модели недостаточно стандартного множества параметров, которые рассчитываются из результатов испытаний силовых многообмоточных трансформаторов по ГОСТ 3484.1-88.

Разработана методика экспериментального определения коэффициентов взаимной связи вторичных обмоток шунтового трансформатора Мдху, а так же п, Lj, которые присутствуют в виде параметров модели.

Рисунок 2. Схема замещения многообмоточного трансформатора с учетом взаимного влияния потоков рассеяния вторичных обмоток.

Построена усовершенствованная имитационная модель ФПУ, отличающаяся использованием модифицированной модели шунтового трансформатора.

Проведенное сравнение результатов имитационного моделирования коммутационных процессов в МТК ФПУ и результатов опытов на экспериментальном макете ФПУ, показало хорошую сходимость, что послужило основанием для применения разработанной имитационной модели ФПУ для предварительных расчетов коммутационной способности опытно-промышленного образца ФПУ, проведенных в главе 4 диссертационной работы.

На рисунке 3 представлены временные диаграммы токов во вторичных обмотках шунтового трансформатора при множественной коммутации одновременно трех обмоток шунтового трансформатора экспериментальной установки ФПУ с ТК. В отличие от «Т-образной» модели трансфрматора, предложенная модифицированная модель отражает характерное изменение производных токов при множественной коммутации. Погрешность вычисления длительности множественных коммутаций с использованием разработанной модели по отношению к физическим экспериментам составляет 10%.

^с - Ток сЕмотки «3

Экспериментальный оЕрозец

- Ток сб мотки \'/1

Ток оСмотки у/2

Т-образная схема замещения

МоЭифициробанная моЭель

- Ток оЕмотки

- Ток Ймотки и2

- Ток обмотки

• • • • Ток оЕмотки

----- Ток оСмотки м2

..... Ток оЕмотки «3

Рисунок 3 - Сравнение результатов имитационного и физического моделирования процессов одновременного переключения обмоток шунтового

трансформатора.

На предпроектном этапе разработки ФПУ параметры реального шунтового трансформатора неизвестны. Для оценки ширины зоны частичной управляемости разработана методика расчета предельной коммутационной способности, основанная на оценке максимальных времен переключения МТК ФПУ при всех множественных коммутациях. Методика основана на следующих допущениях:

1) Индуктивность рассеяния каждой вторичной обмотки трансформатора рассчитывается из условия ограничения амплитуды ударной полуволны тока короткого замыкания МТК на допустимом для выбранного типа тиристоров уровне;

2) При множественных переключениях наблюдается эффект принудительной последовательной коммутации, вызванной глубокой взаимной связью вторичных обмоток шунтового трансформатора.

Третья глава работы посвящена анализу пофазного переключения тиристорных коммутаторов ФПУ. Ранее, при рассмотрении пофазного переключения МТК, было принято упрощение, что за время переключения трех фаз МТК, реакцией энергосистемы переключение можно пренебречь.

Физическое и имитационное моделирование показало, что независимо от схемы включения ФПУ в энергосистему, после переключения каждой фазы тиристорного коммутатора, к энергосистеме прикладываются возмущающие воздействия, которые мгновенно влияют на ширину интервала безопасного переключения тиристорных коммутаторов оставшихся фаз.

Составлена аналитическая модель (2), которая определяет зависимость фазового сдвига между током и напряжением в тиристорных коммутаторах трех

фаз от коэффициентов трансформации шунтового трансформатора (КТ1А, Ktib, Ktic)- Модель устанавливает связь параметров двухмашинной модели схемы включения ФПУ (Zb Z2, Едь ЕА2, ЕВ1, ЕВ2, ЕСь ЕС2), напряжений на входе и выходе ФПУ (Uai, UA2, UBi, Ub2, UCi, UC2) и фазового сдвига между током и напряжением в МТК трех фаз (i|/A, i|/B, \|»с)-

и Um + (/„,

2- 2. КГ\с

и, í/r, +(/,.,

А'г; 2. КТ\с 2- К,и

ч, + 1! „ Им

К12 2- К ПА 2- Кцн

(Е„ - им )-[еп - f.„ + ип - ип + (иГ2 - кп - (/„ + *„>■ -Ь*--((/„-ЕМ).Ъ- = о

{Em - и„ )-{ел - Еп-{/„+ (/п + ((/..,2-{/„ - Ел2 + Ес:)-|l]. _ (и„2 - Ев2)■ |l = О

(л-,, - г /,.,)- í еп - е „ -(/„,+ (/„ + ((/„ - (/.„ - а-м + /;',, - (ис2 - ,;г2). |l = о

v •íj ' TIC Z2

ХЕс1-1!,л-Еы+11п)-7.2+(ис2 -EC2-U„2 + E„. M.

(Г/„,+£/„ Л-Z, ■Z,

ÍEA¡-lf,n-En+Ucl)-Z2+(UA2 -EJ2-Ur2 + Er:

(Ur¡+Ur2)-Z, ■Z,

arJ_VVi тчдГ'-1 ■■'-г_

Л te, -í/B, -/í„ +uJ-z2+(uB2-eB2-vJ2 +e,2)-z,

Пофазное переключение МТК ФПУ представляется в данной модели путем введения неравенства коэффициентов трансформации шунтового трансформатора в трех фазах. Например, после переключения фазы А и до переключения фаз В и С, в аналитической модели принимается коэффициент трансформации КТ1А равным коэффициенту трансформации, соответствующему конечному состоянию ФПУ, а коэффициенты трансформации К(|К-пс остаются равными начальному состоянию ФПУ.

Анализ полученных выражений показал, что коммутация фазы А приводит к противоположному изменению фазовых сдвигов в МТК фаз В и С (Рисунок 46). Этот эффект может привести к исчезновению разрешенного временного интервала только в одной из оставшихся фаз МТК (В или С). Следовательно, после коммутации МТК фазы А, как минимум еще в одной фазе тиристорных коммутаторов будут наблюдаться разрешенные временные интервалы.

Это так же говорит, что коммутационная способность тиристорных коммутаторов ФПУ при пофазном переключении характеризуется наличием временных интервалов безопасного переключения в тиристорных коммутаторах третьей коммутируемой фазы (Рисунок 4 в). По результатам расчета (2) можно предсказать, вызовет ли пофазное переключение МТК переход ФПУ в неполнофазный режим работы. Для этого необходимо подставить в систему уравнений (2) параметры двухмашинной модели замещения схемы

энергосистемы, в которую включено ФПУ, и коэффициенты трансформации шунтового трансформатора. Коэффициенты трансформации двух фаз соответствуют конечному состоянию ФПУ (Кпд и КТщ), а один (Клс) -начальному состоянию ФПУ, из которого происходит переключение.

ЦтА\

Цшс1Л

Цп;ал

Ул

,Ьл

4^=0 < коммутация невозможна

а) б) в)

Рисунок 4. Векторные диаграммы установившихся режимов при пофазном переключении ФПУ

а) до переключения ФПУ (симметричный режим)

б) после переключения фазы А

в) после переключения фазы В (коммутация фазы С невозможна)

Сравнив полученное из системы уравнений (2) значение фазового сдвига между током и напряжением в тиристорном коммутаторе фазы С (ус) при создавшейся несимметрии, с критическим углом для запланированной коммутации, можно определить реализуемость запланированного переключения.

Представленная аналитическая модель использована в составе алгоритма управления фазоповоротного устройства опытно-промышленного образца для расчета коммутационной способности ФПУ в режиме реального времени.

Для валидации полученной модели, был проведен эксперимент, на котором была создана аналитическая модель работы экспериментального макета ФПУ в несимметричном режиме. Результаты расчета аналитической модели показали такие переключения, при которых должен наблюдаться неполнофазный режим работы ФПУ. Эксперименты по переключению реальной экспериментальной установки в аналогичных режимах так же завершились переходом ФПУ в неполнофазный режим работы (рисунок 5).

Проведенные опыты так же подтвердили, что при разных параметрах схемы включения ФПУ, переключение при одинаковой смене номера ступени ФПУ могут быть как успешными, так и приводящими к устойчивому несимметричному режиму работы.

Таким образом доказано, что для предупреждения перехода ФПУ в неполнофазный режим работы требуется определение схемы замещения энергосистемы в реальном масштабе времени.

Рисунок 5. Временные диаграммы напряжений и токов МТК трех фаз ФПУ при

пофазном переключении

Четвертая глава посвящена прогнозированию режимов работы тиристорного коммутатора опытно-промышленного образца ФПУ мощностью 104 MB А и синтезу алгоритмов управления для опытно-промышленного образца ФПУ.

Проведен расчет максимальной коммутационной способности опытно-промышленного образца ФПУ по разработанной в главе 2 методике. Полученные значения критического угла, для различных типов переключения составляют от 12 до 51 электрических градусов.

Проведен расчет параметров модифицированной модели шунтового трансформатора для усовершенствованной имитационной модели опытно-промышленного образца ФПУ мощностью 104 МВА. Для определения параметров были использованы результаты испытаний реального шунтового трансформатора по разработанной методике.

С помощью имитационного моделирования на усовершенствованной модели опытно-промышленного образца ФПУ, рассчитаны реальные критические углы, которые составляют от 12 до 38 электрических градусов для различных типов переключений.

Сравнительный анализ максимальной коммутационной способности ФПУ и уточненных данных показал, что в среднем, ширина зоны частичной управляемости была уменьшена на 26.3% при сохранении безаварийной работы тиристорных коммутаторов, что подтверждает: во-первых необходимость использования усовершенствованной имитационной модели ФПУ, а во-вторых

целесообразность дифференцированного учета ограничения разрешенного временного интервала в зависимости от типа коммутации.

Разработанный адаптивный алгоритм переключения тиристорного коммутатора ФПУ выполняет функцию предварительного расчета безопасных и заведомо реализуемых переключений по следующим критериям:

1) При переключении МТК не будет возникать контур протекания тока короткого замыкания;

2) При переключении ФПУ не будет формироваться устойчивый несимметричный (неполнофазный) режим работы.

Так же, разрабатываемый алгоритм управления должен выполнять функцию выделения таких ступеней регулирования (названных в работе нежелательными), при которых возможно возникновение следующих ситуаций:

1) После переключения, фазоповоротное устройство переходит в зону неуправляемости;

2) Переход ФПУ в заданную ступень регулирования может привести к токовой перегрузке тиристорного преобразователя ФПУ;

Структурная схема алгоритма представлена на рисунке 6.

АЗоптиЬный алгоритм переключения

Рисунок 6. Структура адаптивного алгоритма переключения

Блок расчет параметров двухмашинной схемы замещения энергосистемы. Выполняет расчет параметров двухмашинной схемы замещения энергосистемы в режиме реального времени по данным о токах и напряжения на входе и выходе ФПУ на предыдущей и текущей ступени регулирования ФПУ с учетом погрешности устройств синхронного векторного измерения.

Показано, что для каждого квазистационарного режима работы энергосистемы можно поставить в соответствие двухмашинную схему замещения, причем режим работы ФПУ, включенного в данную двухмашинную модель будет соответствовать режиму работы ФПУ в реальной энергосистеме, а расчет параметров схемы замещения можно провести по реакции энергосистемы на переключение ФПУ. Данное утверждение доказано равенством полученных значений токов и напряжений на входе и выходе ФПУ при:

• Расчете установившихся процессов в полной схеме энергосистемы, включающей в себя всех потребителей и все генерации классом напряжения от 110 кВ до 750 кВ, полученных в программном комплексе RastrWin;

• Расчете процессов в двухмашинной схеме замещения для рассматриваемого режима работы энергосистемы с установленным ФПУ.

Блок расчета характеристики ФПУ в симметричном режиме. Проводит расчет зависимости длительности разрешенных интервалов переключения тиристорных коммутаторов от номера ступени регулирования по аналитической модели ФПУ (2) при равенстве коэффициентов трансформации шунтового трансформатора в трех фазах, а так же проводит расчет действующего значения тока, который будет протекать тиристорный коммутатор ФПУ на всех ступенях регулирования при следующем переключении.

Блок определения нежелательных ступеней регулирования. На основе вычислений блока расчета характеристик ФПУ в симметричном режиме, проводит выбор нежелательных ступеней регулирования ФПУ. Нежелательные ступени регулирования выбираются путем сравнения рассчитанного значения тока МТК с номинальным длительно допустимым током МТК, а так же сравнением расчетных значений фазового сдвига в МТК трех фаз с критической зоной для всех типов переключений.

Блок генерации оптимального маршрута переключения ФПУ. Проводит расчет ступеней регулирования, переход в которые из текущей ступени регулирования не вызовет формирование контура короткого замыкания и переход ФПУ в неполнофазный режим работы. Расчет ведется на основании данных о параметрах двухмашинной модели энергосистемы и значений текущего фазового сдвига между током и напряжением в МТК, с применением аналитической модели ФПУ для несимметричных режимов работы (2). Если по результатам расчетов оказывается, что из текущей ступени регулирования за один этап переключения, ФПУ не способно перейти во все возможные ступени регулирования, то проводится расчет маршрутов переключения.

При расчете маршрутов переключения принимается, что:

1) Промежуточной ступенью регулирования может быть любая ступень, достижимая на первом этапе переключения;

2) Конечной ступенью регулирования будет любая из недостижимых на первом этапе ступеней регулирования;

3) Начальными условиями для второго этапа переключения являются расчетные значения, проведенные по аналитической модели ФПУ (2)

В результате работы блока формируется таблица маршрутов переключения из текущей ступени регулирования во все остальные. Осуществляется выбор оптимальных маршрутов для достижения всех ступеней регулирования по условиям:

1) Обеспечение минимального суммарного воздействия на энергосистему при переключении;

2) Обеспечение минимального числа коммутируемых обмоток шунтового трансформатора

В работе приведен пример формирования таблицы маршрутов переключения ФПУ из +5 ступени регулирования для режима работы ФПУ в перспективной схеме энергосистемы для летнего максимума потребления мощности 2020 года.

На разработанный алгоритм управления получен патент на полезную модель [9], а так же подана патентная заявка на «Способ управления переключением обмоток трансформатора фазоповоротного устройства», по которой получено решение Роспатента о выдаче патента на изобретение [10].

Заключение

1) Теоретически обосновано и экспериментально доказано существенное влияние взаимных потоков рассеяния вторичных обмоток шунтового трансформатора на длительность переходных процессов в тиристорном коммутаторе, вплоть до эффекта принудительного последовательного переключения обмоток шунтового трансформатора.

2) Разработана методика определения предельных коммутационных характеристик ФПУ с ТК, для предпроектного анализа эффективности ФПУ с ТК в планируемом месте установки;

3) Разработана имитационная модель фазоповоротного устройства с тиристорным коммутатором, позволяющая корректно отображать статические и коммутационные процессы в ФПУ с ТК.

4) Предложена методика экспериментального определения параметров шунтового трансформатора для имитационной модели ФПУ, методика включена программу приемо-сдаточных испытаний шунтового трансформатора мощностью 104 MB А для опытно-промышленного образца ФПУ;

5) Создана аналитическая модель трехфазного ФПУ с ТК, описывающая связь режима энергосистемы и коммутационной способности ФПУ в симметричных и несимметричных режимах работы.

6) Разработан адаптивный алгоритм переключения тиристорных коммутаторов опытно-промышленного образца ФПУ, основанный на вычислении коммутационной способности ТК в зависимости от текущего режима работы энергосистемы. Алгоритм исключает:

• Переход ФПУ в неполнофазный режим работы;

• Формирование ударных токов короткого замыкания в тиристорных коммутаторах ФПУ при переключении;

• Переход ФПУ в зону в режим неуправляемости;

• Токовую перегрузку МТК ФПУ.

7) Средствами имитационного моделирования проведено прогнозирования режимов работы опытно-промышленного образца ФПУ. По результатам исследований рассчитаны параметры настройки для системы управления опытно-промышленного образца ФПУ;

8) Впервые разработан и сконструирован экспериментальный макет ФПУ с ТК мощностью 20 кВА, который может быть использован для проведения дальнейших исследований в области алгоритмов управления фазоповоротными устройствами с тиристорными коммутаторами.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Новиков М. А., Панфилов Д. И., Ремизевич Т. В., Рашитов П. А. Анализ процессов одновременной коммутации тиристорных мостов в преобразователя с многообмоточными трансформаторами // Электричество. № 6. 2013. С. 26-35.

2. Новиков М.А. Рашитов П.А., Ремизевич Т.В., Федерова М.И. Выбор структуры высоковольтных тиристорных ключей мощного фазоповоротного устройства по результатам прогнозирования показателей надежности // Электротехника. №12. 2013. С. 29-35.

3. Новиков М.А., Асташев М.Г., Панфилов Д.И. Применение фазоповоротных устройств с тиристорными коммутаторами в активно-адаптивных электрических сетях // Энергия единой сети. №5. 2013. С. 70-77.

4. Новиков М.А. Исследование влияния дросселей защиты тиристорного коммутатора переменного тока на зону неполной управляемости фазоповоротного устройства// Тез. докладов V международной научно-практической заочной конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии». - Липецк: Издательство ЛГТУ, 2012

5. Новиков М.А., Ремизевич Т.В. Способы регистрации аварии в мощных тиристорных коммутаторах переменного тока// РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОНИКА И ЭНЕРГЕТИКА: Восемнадцатая Междунар. Науч.-техн. Конф. Студентов и аспирантов: Тез. Докл. В4 т. T.l. М: Издательский дом МЭИ, 2012

6. Новиков М.А., Ремизевич Т.В. Программно-аппаратный комплекс для исследования алгоритмов и средств управления и диагностирования мощным тиристорным преобразователем в режиме реального времени // РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОНИКА И ЭНЕРГЕТИКА: Семнадцатая Междунар. науч.- техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. T.l. М.: Издательский дом МЭИ, 2011

7. Новиков М.А., Ремизевич Т.В. Исследование аварийных режимов тиристорных мостов в составе мощного фазоповоротного устройства // Сборник тезисов докладов VII Межрегиональной научно-технической конференции

«Информационные технологии, энергетика и экономика» СФМЭИ. Смоленск, 2010

8. Новиков М.А., Ремизевич Т.В. Разработка стратегий функционирования системы диагностики состояния тиристоров мощного тиристорного преобразователя// РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОНИКА И ЭНЕРГЕТИКА : Шестандцатая Междунар. науч.- техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. T.l. М.: Издательский дом МЭИ, 2010

Объекты интеллектуальной собственности

1. Панфилов Д.И., Ремизевич Т.В., Асташев М.Г., Рашитов П.А., Новиков М.А. Система управления поэтапным переключением обмоток шунтового трансформатора фазоповоротного устройства и фазоповоротное устройство с такой системой управления // Патент на полезную модель № 122814. Патентообладатели: ОАО «ФСК ЕЭС» и ОАО «ЭНИН», опубликовано 10.12.2012, бюл. №34

2. Ремизевич Т.В., Рашитов П.А., Новиков М.А., Программа управления фазоповоротного устройства «ФАЗАКОН1»// Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012617751 от 05.07.2012г

3. Решение о выдаче патента на изобретение «Способ управления Фазоповоротным устройством» от 5 августа 2013г. Заявка №2012123856/07 (036475)

Подписано в печать 22.11.2013г. Типография ООО «ПК ВП-принт» Москва, Нагорный проезд, дом 7, стр

Зак. 102 Тир. 100

П.л. 1,25

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»

(Н2В1452923 на правах рукописи

Новиков Михаил Александрович

РАЗРАБОТКА АДАПТИВНЫХ АЛГОРИТМОВ ПОКЛЮЧЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРНЫМИ КОММУТАТОРАМИ ФАЗОПОВОРОТНЫХ УСТРОЙСТВ

Специальность 05.09Л2 - силовая электроника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Ремизевич Т.В.

МОСКВА 2013

Оглавление

Оглавление..............................................................................................................................2

Введение...................................................................................................................................4

Глава 1. Фазоповоротное устройство с симметричны!» регулированием. Проблемы управлении и экспериментальные исследования режимов работы................................9

1.1 Фазоповоротное устройство с подключением шунтового трансформатора к средней точке сетевой обмотки сериесного трансформатора.........................................................10

1.1.1 Структурная схема фазоповоротного устройства с тиристорными коммутаторами................................................................................................................13

1.1.2 Состояния тиристорных коммутаторов ФПУ.......................................................15

1.1.3 Выходная характеристика ФПУ.............................................................................18

1.2 Проблемы управления фазоповоротным устройством с тиристорным коммутатором

.............................................................................................................................................20

1.2.1 Повентельное и поключевое управление мостовым тиристорным коммутатором

..........................................................................................................................................20

1.2.2 Допустимые временные интервалы переключения мостового тиристорного коммутатора ФПУ...........................................................................................................21

1.2.3 Формирование интервалов безопасного переключения МТК с поюпочевым управлением....................................................................................................................22

1.2.4 Работа ФПУ в режиме неуправляемости...............................................................26

1.2.5 Одновременное переключение МТК в одной фазе ФПУ......................................28

1.2.6 Пофазное переключение тиристорных коммутаторов ФПУ................................30

1.3 Цель, задачи и методика исследований........................................................................31

1.4 Классификация типов переключений МТК.................................................................34

1.5 Экспериментальные исследования процессов в ФПУ с ТК........................................39

1.5.1 Исследование статических режимов работы экспериментальной установки ФПУ ..........................................................................................................................................45

1.5.2 Исследование динамических режимов работы экспериментальной установки ФПУ.................................................................................................................................46

1.6 Выводы по главе 1.........................................................................................................63

Глава 2 Исследование режимов множественной коммутации в тиристорном преобразователе ФПУ..........................................................................................................65

2.1 Анализ электромагнитных процессов в многообмоточном трансформаторе при множественной коммутации вторичных обмоток.............................................................65

2.2 Модификация имитационной модели шунтового трансформатора............................74

2.4 Валидация усовершенствованной имитационной модели ФПУ с ТК........................80

2.5 Экспериментальное определение параметров модели шунтового трансформатора..83

2.6 Методика проведения испытаний шунтового трансформатора в разделе «Измерение потерь и напряжения короткого замыкания».....................................................................87

2.7 Предельные коммутационные характеристики ФПУ..................................................90

2.7.1 Прогнозирование длительности коммутации для простого переключения.........91

2.7.2 Прогнозирование длительности множественной коммутации.............................95

2.8 Выводы по главе 2.........................................................................................................98

Глава 3. Исследование режимов последовательной коммутации фаз тиристорного преобразователя ФПУ..........................................................................................................99

3.1 Аналитическая модель ФПУ в установившемся режиме работы.............................100

3.1.1 Работа ФПУ в симметричной энергосистеме......................................................103

3.1.2 Работа ФПУ несимметричной энергосистеме.....................................................104

3.2 Исследование влияния пофазного переключения на коммутационную способность преобразователя................................................................................................................108

3.2.1 Начальные условия...............................................................................................108

3.2.2 Первый шаг коммутации: включение обмотки шунтового трансформатора фазы

А.....................................................................................................................................110

3.2.3 Второй шаг коммутации: включение обмотки шунтового трансформатора фазы

В или С...........................................................................................................................125

3.3 Обобщенная аналитическая модель ФПУ в симметричных и несимметричных

режимах работы................................................................................................................136

3.4 Валидация аналитической модели ФПУ в установившемся режиме........................139

3.4.1 Валидация аналитической модели в симметричном режиме работы ФПУ.......140

3.4.2 Валидация аналитической модели в несимметричных режимах работы ФПУ. 141

3.5 Выводы по главе 3.......................................................................................................147

Глава 4 Расчет режимов и синтез адаптивных алгоритмов управления для опытно-промышленного образца ФПУ..........................................................................................148

4.1 Расчет предельных коммутационных характеристик................................................149

4.2 Определение параметров имитационной модели шунтового трансформатора........157

4.3 Расчет эквивалентного сопротивления ФПУ.............................................................160

4.4 Оценка реальной коммутационной способности.......................................................163

4.5 Прогнозирование режимов работы опытно-промышленного образца ФПУ............171

4.6 Адаптивный алгоритм переключения тиристорного коммутатора опытно-

промышленного образца ФПУ.........................................................................................176

4.7 Выводы по главе 4.......................................................................................................202

Заключение..........................................................................................................................203

Список используемой литературы...................................................................................204

Приложение 1. Построение двухмашинной схемы замещения для физической

модели ФПУ.........................................................................................................................211

Приложение 2. Определение параметров двухмашинной схемы замещения ФПУ для

нормального квазистационарного режима работы ФПУ.............................................213

Приложение 3. Точность устройств синхронного векторного измерения..................216

Введение

Актуальность работы. Энергосистема России - это уникальный технический объект, особенностью которого является наличие «закольцованных» связей и межсистемных связей с большой пропускной способностью. Межсистемные связи обеспечивают высокую надежность поставки электроэнергии потребителям, а так же рациональное использование различных энергетических ресурсов, географически и технологически неравномерно распределенных по территории страны.

Концепция развития электроэнергетики России направлена на создании так называемой Интеллектуальной электроэнергетической системы с активно - адаптивной сетыо. Под этим понятием понимается система, в которой все субъекты электроэнергетического рынка (генерация, передача, потребители) принимают активное участие в процессах передачи и распределения электроэнергии.

Активная передача электроэнергии, т.е. с возможностью управляемого снижения потерь при транспортировке, а так же уменьшению последствий, возникающих при аварийных отключениях линий электропередач, осуществляется с помощью применения технологии гибких (управляемых) систем электропередачи переменного тока (в иностранной литературе известных как системы FACTS).

Фазоповоротное устройство с тиристорным коммутатором (ФПУ с ТК) является одной из перспективных разработок данного класса устройств. Исследованиями ФПУ с ТК и вопросами их применения занимались ученые из России, а так же иностранные ученые, такие как: Александров Г.Н., Веников В.А., Гринштейн Б.И., Калюжный А.Х., Рыжов Ю.П., Ситников В.Ф., Чебан В.М., W.Seitlinger, J.Verboomen и др.

Федеральная сетевая компания ОАО «ФСК ЕЭС» совместно с ОАО «Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского» ведут работы по созданию первого в мире опытно-промышленного образца фазоповоротного устройства с тиристорным коммутатором мощностью 104 МВА.

Проведенные ранее теоретические исследования выявили множество особенностей протекания электромагнитных процессов в оборудовании ФПУ, затронули вопросы надежности переключения фазоповоротного устройства. Средствами имитационного моделирования было показано, что алгоритмы переключения МТК должны претерпевать изменения в зависимости от параметров режима энергосистемы в текущий момент времени.

Поэтому задача исследования электромагнитных процессов в силовой схеме ФПУ с ТК, анализа и разработки алгоритмов управления тиристорным коммутатором в составе

ФПУ, учитывающих состояние энергосистемы является своевременной и актуальной, и требует детального рассмотрения.

Степень разработанности проблемы. Структура фазоповоротного устройства с тиристорным коммутатором по соединению электромагнитного оборудования соответствует широко применяемым во всем мире фазоповоротным трансформаторам (ФПТ). Основной отличительной особенностью является то, что в ФПТ для коммутации высоковольтных выводов трансформаторов применяются электромеханические устройства регулирования под нагрузкой (РПН). В ФПУ с ТК применяются бесконтактные переключатели, построенные с применением полупроводниковых однооперационных тиристоров.

В мире, на текущий момент отсутствуют введенные в эксплуатацию фазоповоротные устройства с тиристорными коммутаторами. Существуют работы, посвященные теме диссертации, построенные на основе имитационного моделирования и аналитических расчетах, но анализ процессов в ФПУ с ТК в данных работах проводился с учетом ряда допущений и с использованием упрощенных имитационных моделей.

Отсутствие практической реализации силовой схемы ФПУ с ТК и отработки алгоритмов управления на практике, диктует необходимость создания экспериментального образца ФПУ с ТК, а так же тщательного исследования статических и динамических режимов его работы.

Цель диссертационной работы: обеспечение безопасного переключения тиристорных коммутаторов фазоповоротного устройства в условиях медленного изменения параметров режима энергосистемы.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:

1. Создание экспериментального макета фазоповоротного устройства с тиристорным коммутатором мощностью 20 кВА. Проведение экспериментальных исследований процессов в схеме ФПУ с подключением шунтового трансформатора к средней точке сериесного трансформатора;

2. Разработка моделей для описания процессов в ФПУ с ТК в симметричном и несимметричном режимах его работы, а также процессов переключения тиристорных коммутаторов;

3. Валидация моделей на экспериментальном образце ФПУ;

4. Прогнозирование режимов работы опытно-промышленного образца ФПУ с использованием разработанных моделей. Исследование влияния параметров энергосистемы на область безопасного переключения ТК ФПУ;

5. Синтез адаптивных алгоритмов управления тиристорным коммутатором ФПУ, обеспечивающих его безопасное функционирование в нормальных режимах работы энергосистемы Определение параметров для системы управления преобразователем опытно-промышленного образца ФПУ.

Методы исследований. Для решения поставленных в работе задач использовались: теория электрических цепей, теория систем дифференциальных и линейных уравнений, численные методы их решения, имитационное моделирование в программном комплексе Matlab/Simulink, экспериментальные исследования.

Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием математического аппарата, сопоставлением основных результатов, полученных с применением различных методов математического и имитационного моделирования с результатами экспериментов по воспроизведению аналогичных режимов работы на экспериментальном макете ФПУ с ТК.

Научная новизна:

1. Экспериментально выявлено и теоретически обосновано влияние взаимной магнитной связи вторичных обмоток шунтового трансформатора на область безопасного переключения тиристорных коммутаторов ФПУ;

2. Разработана методика расчета предельных коммутационных характеристик ФПУ с поключевым управлением тиристорными коммутаторами.

3. Разработана усовершенствованная имитационная модель ФПУ, учитывающая влияние реальных характеристик его элементов на статические и коммутационные характеристики ФПУ.

4. Разработана аналитическая модель ФПУ, описывающая связь режима энергосистемы и коммутационной способности ФПУ в несимметричных режимах его работы. Модель используется в адаптивном алгоритме управления ТК ФПУ для расчета коммутационной способности ФПУ в реальном масштабе времени.

Практическая полезность:

1. Предложена методика экспериментального определения коэффициентов взаимной связи вторичных обмоток шунтового трансформатора для усовершенствованной имитационной модели ФПУ;

2. Разработана усовершенствованная имитационная модель для опытно-промышленного образца ФПУ с ТК, проведено прогнозирование коммутационных характеристик опытно-промышленного образца ФПУ номинальной мощностью 104 МВА;

3. Разработаны адаптивные алгоритмы управления ФПУ, которые позволяют обеспечить безопасное переключение тиристорного коммутатора в условиях медленного изменения параметров режима энергосистемы;

4. Разработан и сконструирован экспериментальный образец ФПУ с ТК мощностью 20 кВА, который может быть использован для проведения дальнейших исследований в области алгоритмов управления фазоповоротными устройствами с тиристорными коммутаторами.

Внедрение результатов работы:

1. Разработанная методика проведения испытаний многообмоточного трансформатора включена в программу приемо-сдаточных испытаний шунтового трансформатора опытно-промышленного образца ФПУ, проводимых в ООО «Тольятгинский трансформатор».

2. Разработанные алгоритмы управления тиристорными коммутаторами ФПУ, а так же параметры настройки алгоритмов управления лежат в основе прикладного программного обеспечения центрального блока системы управления опытно-промышленного образца ФПУ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика расчета максимальной коммутационной способности ФПУ с ТК для проведения предпроектной оценки управляющей способности ФПУ с ТК в конкретном месте установки;

2. Усовершенствованная имитационная модель ФПУ с ТК, и полученные на ее основе результаты расчета коммутационной способности опытно-промышленного образца ФПУ с ТК мощностью 104 МВА;

3. Аналитическая модель работы ФПУ с ТК в несимметричных режимах работы, вызванных пофазным переключением тиристорных коммутаторов;

4. Адаптивный алгоритм управления тиристорным коммутатором, обеспечивающий безопасное переключение ФПУ с ТК, учитывающий текущее состояние энергосистемы с возможностью оценки режима работы ФПУ с ТК после переключения.

Апробация полученных результатов: Основные результаты работы докладывались на:

1. Заседании кафедры «Промышленная электроника» ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»;

2. Конференции молодых ученых «Энергия единой сети» (22 июня 2013, г. Санкт-Петербург).

3. XVI, XVII, XVIII международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ», г. Москва, 20 Юг, 2011 г, 2012г.),

4. VII Межрегиональной научно-технической конференции «Информационные технологии, энергетика и экономика» (СФМЭИ, г. Смоленск, 20 Юг);

5. Международной научно-практической заочной конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии», (г. Липецк, 2012);

Публикации. Основные результаты диссертации освещены в 11 научных работах, из них две в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен один патент на полезную модель, одно свидетельство о регистрации программного обеспечения, также получено решение о выдаче патента на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 221 страницах, имеет 81 иллюстрацию, включает титульный лист, оглавление, введение, 4 основные главы результатов работы, заключение, список литературы (82 позиции) и 3 приложения.

Глава 1. Фазоповоротное устройство с симметричным регулированием. Проблемы управления и экспериментальные исследования режимов работы.

Единая электроэнергетическая система (ЕЭС) России (бывшего СССР), созданная