автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.06, диссертация на тему:Регулятор качества электроэнергии

ВЕДЕНИЕ

ПАВА I АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1. Основные показатели качества электроэнергии и их влияние на 7 отдельные группы потребителей в системе электроснабжения

1.2. Способы улучшения качества электроэнергии

1.3. Постановка задачи 21 ЛАВА II АНАЛИЗ УСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ РЕГУЛЯТОРА

КАЧЕСТВА И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА ЕГО ПАРАМЕТРОВ

2.1. Принцип действия и схемотехническое исполнение силовой части

2.2. Анализ установившихся режимов работы

2.3. Методика расчета основных параметров регулятора 44 ЛАВАШ АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ РЕГУЛЯТОРА И

АНАЛИЗ ЕГО УСТОЙЧИВОСТИ

3.1. Блок схема и алгоритм работы системы управления

3.2. Оценка динамических процессов при слежении за сигналом задания

3.3. Описание системы управления

3.4. Динамические характеристики канала подзарядки накопительного 73 конденсатора

3.5. Оценка статической точности выходного напряжения 75 "ЛАВА IV МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

4.1. Математическое моделирование

4.2. Физическое моделирование 92 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 101 ПРИЛОЖЕНИЯ 105 ШИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Создание и освоение промышленностью высокоэффективных силовых электронных приборов типа ЮВТ, О ГО и др. позволило существенно расширить функции силовых электронных устройств, используемых для регулирования качества электроэнергии. Решение этих задач стало особенно актуальным в связи с реализацией программ в области энергосбережения, принятых в большинстве стран с развитой промышленностью. За последние годы в этих странах внедрены стандарты с жесткими требованиями к качеству электроэнергии. При этом увеличено количество показателей, определяющих последнее. Так, например, стали ограничиваться не только интегральные показатели нелинейных искажений, но и уровень гармонических составляющих тока, создаваемых нелинейными потребителями.

Традиционно для регулирования качества электроэнергии использовались тиристорные стабилизаторы, компенсаторы реактивной мощности и пассивные фильтры. Новая элементная база силовой электроники позволяет создавать преобразователи переменного/постоянного тока, работающие в 4-х квадрантах комплексной плоскости на стороне переменного тока с импульсной модуляцией на повышенных частотах. Это позволяет управлять потоками электроэнергии в любом направлении по заданному закону. При подключении накопителей энергии к преобразователю со стороны постоянного тока становится возможным осуществлять обмен реактивной мощностью, включающей мощность высших гармоник между сетью переменного тока и накопителем. Такая схема лежит в основе наиболее эффективных и перспективных методов регулирования качества электроэнергии.

В то же время не достаточно глубоко проработан ряд вопросов, связанных с созданием многофункциональных регуляторов качества, позволяющих одновременно выполнять функции стабилизации напряжения, улучшать его гармонический состав, ограничивая поступление высших гармоник в сеть переменного напряжения и др. На сегодняшний день таких устройств, методик их проектирования, алгоритмов управления не существует как в нашей стране, так и за рубежом. Устройства с аналогичными функциональными возможностями в зарубежной литературе часто принято называть "кондиционером сети", однако они выполняют значительно меньше функций либо в них применяются малоэффективные методы регулирования. Поскольку термин "кондиционер сети" не получил достаточного распространения в отечественной литературе в настоящей работе такое устройство названо регулятором качества электроэнергии.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ Поиск технического решения, разработка принципов действия, схемотехнического исполнения и методов проектирования эффективных, многофункциональных регуляторов качества электроэнергии на современной элементной базе силовой электроники.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Достижение цели потребовало решения комплекса следующих научно-исследовательских и инженерных задач:

1. проведение аналитического обзора современной научно - технических решений в этой области, выявление наиболее перспективных принципов регулирования параметров электроэнергии с применением силовых электронных приборов;

2. Поиск принципа регулирования качества элек

3. анализа электромагнитных процессов и разработка на их основе методик проектирования регулятора качества с учетом минимизации массогабаритных параметров;

4. разработки математических моделей регулятора качества на персональном компьютере и проведение экспериментальных исследований на построенных моделях;

5. разработки алгоритмов управления регулятором качества;

6. разработки лабораторной физической модели, проведение эксперимента, сопоставление результатов с численным моделированием и теоретическими результатами.

Научная новизна. На защиту выносятся следующие результаты:

- Впервые предложен новый принцип, реализации функции стабилизации напряжения в статических и динамических режимах и фильтрации высших гармоник на основе прямого однократного преобразования электроэнергии;

- Разработаны алгоритмы раздельного управления потоками реактивной мощности основной гармоники и мощности искажения и предложен принцип их практической реализации;

Разработаны методики проектирования основных элементов силовой части регулятора качества с минимизацией массогабаритных параметров;

- Предложены математические модели, позволяющие оценить технические характеристики нового регулятора в режиме работы в составе электротехнических комплексов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. В результате выполненной работы предложены принципиально новые схемотехнические решения регуляторов качества с широкими функциональными возможностями: фильтрация тока нелинейной нагрузки; стабилизация напряжения на шинах потребителя; - компенсация реактивной мощности первой гармоники потребителя; исключение кратковременного пропадания напряжения на шинах потребителя; защита от грозовых и индустриальных входных импульсов.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Полученные результаты использованы в госбюджетных работах, проводимых кафедрой, а также по договорам с Министерством обороны РФ. Разрабатывается конструкторская документация на промышленный образец регулятора качества мощностью 5 КВА на Мытищинском электротехническом заводе.

АПРОБАЦИЯ. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях: СИЕЛА'97 (Болгария, Пловдив), 1ЕСОТ\Г98 (Германия, Ахен), МКЭЭ-98 (Россия, Клязьма), а также на семинарах Ассоциации инженеров Силовой Электроники и заседаниях кафедры Электрических и Электронных Аппаратов в 1998-99 гг.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 10 работ, получено одно авторское свидетельство, работа на тему "Активный -фильтр стабилизатор" отмечена дипломом конкурса Ассоциации инженеров Силовой Электроники, на конкурсной основе при поддержке конкурсного центра по Грантам Министерства образования России выполнена работа на тему: "Разработка методов регулирования качества электроэнергии и их реализация на основе силовых электронных фильтров".

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы и имеет объем 119 стр., 61 рисунок, 5 таблиц и 7 приложений.

Основные результаты и выводы диссертационной работы заключаются в следующем:

1) На основе выполненного анализа различных методов улучшения качества электроэнергии, определены перспективные по функциональным и технико-экономическим параметрам схемотехнические решения.

2) Впервые предложен новый принцип, реализации функции стабилизации напряжения в статических и динамических режимах и фильтрации высших гармоник на основе однократного прямого преобразования электроэнергии.

3) Разработаны алгоритмы раздельного управления потоками реактивной мощности основной гармоники и мощности искажения и предложен принцип их практической реализации

4) Показано, что в процессе регулирования выходного напряжения изменение баланса реактивных мощностей имеет для сети положительный характер.

5) Разработана методика проектирования и выбора основных элементов схемы, с минимизацией массогабаритных показателей и учетом частотных зависимостей допустимых уровней пульсации на накопительном конденсаторе.

6) Предложены математические модели, с использованием программного комплекса РБрке, позволяющие оценить технические характеристики нового регулятора в режиме работы в составе электротехнических комплексов.

7) Получены зависимости, позволяющие определить влияние внешних факторов на рабочую частоту, и предложен способ коррекции частоты регулятора.

8) Разработан физический макет регулятора, на котором были проведены экспериментальные исследования, которые подтвердили основные положения исследований и правильность принятых допущений.

Заключение

1. ГОСТ 13109-99 Показатели качества электроэнергии.-М.:Изд-во стандартов, 1999.-25 с.

2. D.Daniel Sabin, Ashok Sundaram. Quality Enhances Reliability// Spectrum IEEE, -1996.-№ 2.-c. 38-44.

3. P. Rioual, T. Deflandre. Impact on the distribution and transmission systems of harmonic current injection due to capacitive load rectifiers in commercial, residental and industrial installations.// EPE'95 Тез.док.- Sevilla, 1995,- т.З. с. 3.503-3.508.

4. F. Curtarelli, B. Delfino, G.B. Denegri, A. Blotto, F.Profumo Current harmonic in industrial power systems arising from AC/DC converters. // IPEC83 Тез. док.- Tokyo, 1983 с. 1016-1024.

5. N.G. Hingorani. Introducing custom power // Spectrum IEEE, -1995.-№5.-c. 41-48.

6. Allan Ludbork. Harmonic filters for notch reduction // IEEE IAS Тез.док. Denver 1993,- c. 10431047.

7. Абакумов П.Н. Баранов C.A. Фильтр стабилизатор переменного напряжения для питания персонального компьютера// Электротехника, 1993.-е. 35-38.

8. R. Redl, P. Tenti, J.D. Van Wyk. Power electronics' polluting effects. // Spectrum IEEE, 1997.-№5,- c. 32-39.

9. Malcolm M. Cameron. Trends in Power Factor Correction with Harmonic Filtering // Spectrum IEEE,- 1993.-№ 7.- 45-48.

10. IEEE Guide for harmonic control and reactive compensation of static power converters. Научно технический отчет IEEE New York 1978-120c.

11. Н.И.Джус, Многофазное воздействие на сеть в каскадных преобразователях.// Электротехника.- 1980 № 7,- с. 36-38

12. Alvin L. Day, Aly A. Mahmoud. Methods of evaluation of harmonic levels in industrial plant distribution systems// IEEE transaction on industry application.- 1987.-№3.- c.56-63.

13. Ковалев Ф.И., Адамия Г.Г. Электромагнитная совместимость агрегатов бесперебойного питания и нелинейных нагрузок.// Электротехника.- 1987 №7.- с. 46-48.

14. Зиновьев Г.С. Вентильные компенсаторы реактивной мощности, мощности искажений и мощности несимметрии на базе инвертора напряжения. // Современные задачи преобразовательной техники.- Киев: 1975,- ч.2,- с.45-47.

15. Рыжов Ю.П., Розанов Ю.К.,Федченко В.Г., Сухинин A.M. Несинусоидальность напряжения в автономных электирческих системах.// Электротехника.- 1981.- №5.- с.27-30.

16. Розанов Ю.К. Логинов А.А. Сухинин A.M. Анализ гармонического состава первичных токов в преобразователях со звеном повышенной частоты.//Электротехника. Сер. Преобразовательная техника.- 1984.- вып. 1(159).- с.3-6.

17. Супрунович Г. Улучшение коэффициента мощности преобразовательных установок: Пер. С польск. -М. : Энергоатомиздат, 1985. 136 е., ил.

18. Н. Akagi, Y. Kanazawa, A. Nabae. Generalized theory of the instantaneous reactive power in three phase circuits // IPEC83: Тез. док.- Tokyo., 1983,- с. 1375 - 1386.

19. Скороходов В.А. Методы и технические средства повышения качества электроэнергии и компенсации реактивной мощности. -М.: Энергоатомиздат, 1992.- 152 с.

20. Loren Н. Walker. Force commutated reactive - power compensator // IEEE Transactions on industry applications.- 1986.- № 6.- c. 1091-1104.

21. Розанов Ю.К., Рябчицкий M.B. Современные методы улучшения качества электроэнергии (аналитический обзор) // Электротехника.- 1998,- № 3.- с.42-47.

22. Alvin L. Day, Aly A. Mahmoud. Methods of evaluation of garmonic levels in industrial plant distribution systems // IAS85: Тез. док.- с. 306-311.

23. L. Gyugyi, E.C. Stricula. Active AC Power Filters // IEEE Transactions on industry applications.-1976,-№6,- c. 529-535

24. E.J. Stacey, E.C. Strycula. Hybrid power filters // IAS'77: Тез. док. 1977,- с. 1133-1140.

25. Mark J. Kocher, Robert L. Steigerwarld. An AC-to-DC Converter with high quality input waveforms // IEEE transactions on industry applications.- 1983.-№ 4.- c.586-599.

26. Научно технический отчет. Разработка отдельных разделов методологии построения СЭС и проекта ОТТ. Отчет по НИР/ М., 1999,- 277 с.

27. М. Kazerani, G. Joos, P.D. Ziogas. Programmable input power factor correction methods for single phase diode rectifiers circuits // IEEE Transactions on industry applications.- 1990.-№7.- c. 177-183.

28. C. Blanco, J.M. Alonso, P. Villegas, E. Lopez, M. Rico. High frequency supply system with power factor correction for halogen cycle lamps // EPE'95: Тез. док.- Sevilla.-1995.- с. 2.323-2.328

29. H. Kawahira, Т. Nakamura, S.Nakazawa, M. Nomura. Active power filter // IPEC83: Тез. док.-Tokyo.- 1983 с. 981-992.

30. H. Akagi, Y. Tsukamoto and A. Nabae. Analysis and design of an active power filter using quad-series voltage source PWM converters // IEEE/IAS: Тез. док.- Pittsburgh (Pennselvania).- 1988.- c. 867-873.

31. Guy-Ha Choe, Min-Ho Park Analysis and control of active power filter with optimized injection// IEEE/PES С: Тез. док.- New York.- 1986,- c.401-409.

32. Stephen M. Williams, Richard G. Hoft Discrete controlled harmonic and reactive power compensator// IEEE/IAS: Тез. док.- Pittsburgh (Pennselvania).- 1988.- c. 881-887.

33. L. Malesani, L. Rossetto, P. Tenti. Active power filter with hybrid energy storage// IEEE Transaction on industry application.- 1989.- № 5,- c. 385-391.

34. Kazunari Komatsugi, Teruo Imura. Harmonic current compensator composed of static converter // IEEE/PES С: New York., 1986,- c. 283-290.

35. Hirofumi Akagi, Akira Nabae, Satoshi Atoh. Control strategy of active power filters using multiple voltage source PWM converters// IEEE Transactions on industry application.-1986.- №3,-c. 346-350.

36. Gyu-ha Choe, Min-ho Park. A new injection method for AC harmonic elimination by active power filter // IEEE transactions on industrial electronics.- 1988.- № 1,- c. 141-148.

37. Мустафа Г.М. Метод приближенного анализа импульсно-модулированных инверторов с синусоидальным выходным напряжением. // Электротехника.- 1987.- № 10.- с. 2-8.

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

39. Мустафа Г.М. Построение автономных устройств управления импульсного-модуляционными преобразователямина основе одношагового условного прогноза. // Электричество.- 1989.- № 5,- с. 21-30.

40. Yoichi Hayashi, Noriaki Sato, Kinzo Takahashi. A novel control of a current source active filter for AC power system harmonic compensation // IEEE/IAS: Pittsburg (Pensylvania)., 1988,- c. 837842.

41. Г. Malesani, P. Tenti. A novel hysteresis control method for current controlled voltage - source PWM inverters with constant modulation frequency // IEEE Transaction on industry application.-1990,- №l.-c. 88-92.

42. D. Voncina, J. Nastran, R. Cajhen, D. Nedeljkovic. Active power filter for the reduction of harmonic distortion and fundamental reactive power with improved dynamic response // Stocholm power tech conference: тез.док. Stocholm.- 1995,- c. 225-230

43. W. Koczara, B. Dakyo, L. Protin. AC/AC three phase converter operating with unity power factor and sinusoidal input current // Epe'95: Тез.док.- Sevilla.- 1995.- c. 920-924.

44. Рыжов С.Ю. Рябчицкий M.B., Кваснкж A.A., Попов Д.К. Микропроцессорная система управления активного фильтра переменного напряжения. // III Международная конференция Электромеханика и электротехнологии. МКЭЭ-98: Тез.док,- 1998.- с. 316-318.

45. М. Machmoum, N. Bruyan, S. Siala, R. Le Doeuff. A practical approach to harmonic current compensation by single-phase active filter. // Epe'95: Тез. док.- Sevilla.- 1995,- с. 505-510.

46. H. Pouliquen, P. Rioual. Vector control of shunt active filters // Epe'95: Тез.док.- Sevilla.- 1995.-c. 880-885.

47. J.M.Carraso, J.M. Quero, R. Gomez and L.G. Franquelo. An analog neural network conroller for an active power filter on the instananeous reactive power theory // Epe'95: Тез.док.- Sevilla.- 1995.-c. 385-389.

48. R. Ghazi, H.A. Toliyat, S.M.R. Rafiei. A fuzzy genetic pulse width modulation for active power filters // Stocholm power tech conference: Тез.док.- Stocholm.-1995,- c. 267-272.

49. Takeda, Ikeda, Tominaga, Mori. Harmonic suppressing device // Europen Patent Application Publication number 0 254 073 26.06.87.

50. F. Z. Peng, H. Akagi, A. Nabae / A new approach to harmonic compensation in power systems // IEEE/IAS: Тез.док.- Pittsburg (Pensylvania).- 1988,- c. 874-880.

51. Hirofumi Akagi, Yoshihira Kanazawa, Akira Nabae. Instantaneous reactive power compensators comprising switching devices without energy storage components // IEEE Transactions on industry application.- 1984,- №3.- c. 625-630.

52. E.H. Watanabe, L.A.S. Pilotto. Series active power filter for the DC side of HVDC transmission systems // IPEC'90: тез.док,- 1990,- с. 1024-1030

53. H. Y. Chu, H.L. Jou, C.L. Huang, L.C. Wang. A novel bidirectional UPS // ЕРЕ: Тез.док,-Firenze.-1991,- с. 199-204.

54. Розанов Ю.К., Рябчнцкий М.В., Кваснюк A.A. Новые функции активного фильтра. // Межвузовский сборник научных трудов. Электрические аппараты. Чебоксары, 1998.- с. 45-49.

55. С.А. Ayres, I.Barbi. A famly of converters for UPS production burn-in energy recovery // IEEE Trans, on power electronics.- 1992.- № 6.- c. 615-622

56. M. Aredes, J. Hafner, К. Heumann. Three-phase four-wire shunt active filter control strategies // IEEE Trans, on power electronics.- 1997.- № 2.- c. 311-318.

57. David A. Torrey, Adel M.A.M. Al-Zamel. Single-phase active power filters for Multiple nonlinear loads // IEEE Trans, on power electronics.- 1995.- № 3,- c. 263-272.

58. E. Destobbeleer, L. Protin. On the detection of load active currents for active filter control // IEEE Trans, on power electronics.- 1996.-№ 5.- c. 768-775.

59. H. Pouliquen, E. Bettega, M. Wang. A new control strategy of combined system of series active and shunt passive filters for minimising passive filter number // Epe'95: Тез. док.- Sevilla.- 1995.- с. 135-139.

60. Johan H.R. Enslin, Jian Zhao, and Rene Spee. Operation of Unified power flow controller as harmonic isolation // IEEE Trans, on power electronics.- 1996.- № 6,- c. 776-784.

61. Kawaguchi, H. Ikeda, S. Kaga, Y. Ogihara, M. Matsukawa, S. Tada. Suppression of harmonics resonance using active filter in cycloconverter system // IPEC'90: тез.док. 1990.- с. 809-816.

62. M. Aredes, J. Hafner, K. Heumann. A combined series and shunt active power filter // Stocholm power tech conference: тез. док.- Stocholm.-1995.- с. 237-242.

63. Y. Komatsu, T. Kawabata. A control method of active power filter in unsymmetrical voltage system // Epe'95: тез. док.- Sevilla.- 1995,- с. 904-907.

64. G. Kamath, N. Mohan, V. D. Albertson. A transformer coupled active filter for 3-phase, 4-wire systems // Stocholm power tech conference: тез.док.- Stocholm.- 1995,- c. 253-255.

65. Luis Moran, Phoivos Ziogas, Geza Joos. Analisis and design of a novel 3-phase solid state power factor compensator and harmonic suppresor system // IEEE Transactions on industry application.- 1988.- №4,- c. 267-277.

66. G. Vaupel. Wide-band filter with actively reduced losses for power systems // Epe'95: Тез.док.-Sevilla.- 1995,- c. 892-897.

67. E. Akawa, A. Uedo, M. Yamada, M. Takeda, S. Murakami, T. Kumagai. Fast-Acting voltage compensatoer with an active filter.// IPEC'90: тез. док.- 1990,- с. 985-992.

68. Т. Ohnuki, О. Miyashita, Т. Haneyoshi, Е. Ohtsuji. High power factor PWM rectifiers with an pulse width prediction controller // Epe'95: Тез.док.- Sevilla.- 1995,- c. 692-697.

69. Розанов Ю.К., Рябчицкий M.B., Кваснюк A.A. Попова Е.П. Современные методы улучшения качества электроэнергии. // III Международная конференция Электромеханика и электротехнологии. МКЭЭ-98: тез. док.- Клязьма,- 1998.- с.234

70. Розанов Ю.К., Алферов Н.Г.,Рябчицкий М.В.,Кваснюк A.A. A new function of the active filter // SIELA'97: тез. док.- Plovdiv Bulgaria.- 1997.- c. 45-47.

71. Ф.И. Ковалев. Статические агрегаты бесперебойного питания,- М.: Энергоатомиздат, 1992,- 288 с.

72. Розанов Ю.К., Рябчицкий М.В., Кваснюк А.А. Современные методы регулирования качества электроэнергии средствами силовой электроники. // Электротехника.- 1999.- № 4,-с.36-38.

73. Розанов Ю.К., Рябчицкий М.В., Кваснюк А.А. Power quality regulators based on active filters. // IECON'98: тез. док. Aachen, Germany.- 1998.- c. 356-358.

74. A.c. № 2094935.Фильтр-стабилизатор переменного напряжения. / Розанов Ю.К. Рябчицкий М.В., Алферов Н.Г. 6 с. ил.