автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Регулятор качества электроэнергии с расширенной областью функциональных возможностей

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И СПОСОБЫ ЕГО УЛУЧШЕНИЯ

1.1 Показатели качества электроэнергии и требования предъявляемые к ним

1.2. Причины и последствия ухудшения качества электроэнергии

1.3. Устройства, предназначенные для улучшения качества электроэнергии

ГЛАВА II АНАЛИЗ УСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ РЕГУЛЯТОРА КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ЕГО СИЛОВОЙ ЧАСТИ

2.1 Устройство и принцип действия регулятора качества электроэнергии

2.2. Анализ установившихся режимов работы

2.3. Методика проектирования силовой части регулятора качества электроэнергии

ГЛАВА III РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ И АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СИСТЕМЫ.

3.1. Разработка алгоритма управления регулятором качества электроэнергии

3.2. Определение передаточной функции системы, анализ устойчивости и качества регулирования

3.3. Выбор алгоритма управления четырехквадрантными преобразователем

ГЛАВА IV МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ РЕГУЛЯТОРА КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

4.1. Математическое моделирование

4.2. Физическое моделирование

Нормальная работа потребителей электроэнергии и выполнение возложенных на них функций зависит от совокупности характеристик потребляемой ими электроэнергии, которые определяют ее качество.

Последствия ухудшения качества электроэнергии могут проявляться в виде технологического (порча и ухудшении качества продукции, расстройстве технологических процессов, снижении производительности механизмов) и электромагнитного (снижение эффективности процессов генерации и передачи электроэнергии, нарушение нормальной работы, уменьшение срока службы и выход из строя электрооборудования, нарушении работы телемеханики, автоматики, связи) ущерба.

Благодаря широкому распространению электроэнергии проблема ее качества приобрела большое значение.

Она усугубилась вместе с развитием и широким внедрением на производстве силовых электронных преобразователей. Это связано с их негативным влиянием на сеть, которое проявляется в основном в виде увеличения реактивной мощности и мощности искажения. Причиной этого является импульсный характер процессов преобразования электроэнергии посредством ключевых элементов.

Комплекс указанных причин побудил развитые страны разработать и принять многочисленные программы энергосбережения, а также стандарты с жесткими требованиями к качеству электроэнергии, в которых в том числе ограничивается уровень гармонических составляющих тока, создаваемых нелинейными потребителями.

Для улучшения качества электроэнергии традиционно используются тиристорные стабилизаторы, конденсаторные батареи, синхронные генераторы и пассивные фильтры.

Кроме этого получили распространение АБП и регуляторы качества электроэнергии *, которые, как правило, имеют несколько функций. Обладая определенными недостатками, эти устройства не позволяют в ряде случаев эффективно решать возложенные на них задачи.

Новая элементная база силовой электроники, появившаяся в 90-х годах XX века, позволила создавать эффективные преобразователи переменного/постоянного тока, работающих в 4-х квадрантах комплексной плоскости параметров на стороне переменного тока. 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. Эта схема лежит в основе наиболее эффективных и перспективных методов регулирования качества электроэнергии, которые были применены при создании активных и гибридных фильтров, предназначенных для устранения искажений тока или напряжения.

Современные методы активной фильтрации и компенсации неактивной мощности были успешно использованы для решения других задач, связанных с обеспечением качества электроэнергии. Например, стабилизации напряжения и др. Так, с учетом возможностей активного фильтра был разработан регулятор качества электроэнергии нового поколения, что нашло свое отражение в работах Розанова Ю.К., Рябчицкого М.В., Алферова Н.Г, и др.

Это устройство является одним из самых перспективных на сегодняшний день, поскольку в отличие от других, выполняющих те же функции, использует однократное преобразование энергии с загрузкой силовой части регулятора пропорционально ухудшению качества электроэнергии. За рубежом получил распространение термин «power conditioner» - кондиционер сети.

Однако, регулятор качества электроэнергии не выполняет свои функции при некоторых случаях ухудшения качества электроэнергии, таких как кратковременные провалы сетевого напряжения, искажение его формы, отклонение частоты и др. Это обстоятельство ограничивает область его применения.

В настоящее время не проработан вопрос устранения указанных недостатков и создания многофункционального регулятора качества электроэнергии с расширенной областью функциональных возможностей, который бы обеспечивал питание нагрузки при любых случаях ухудшения качества электроэнергии. На сегодняшний день работ на эту не существует как в нашей стране, так и за рубежом. ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

Улучшить и расширить функции регулятора качества электроэнергии, создать на его основе многофункциональное устройство, обеспечивающее заданное качество выходного напряжения, фильтрацию высших гармоник тока и компенсацию реактивной мощности при различных возмущающих воздействиях нагрузки и питающей сети, включая кратковременные провалы входного напряжения (1-2 периода), искажения его формы и отклонение частоты.

Достижение цели потребовало решения комплекса следующих задач:

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

2. разработка нового принципа управления регулятором качества электроэнергии, позволившего улучшить и расширить его функции;

3. проведение анализа электромагнитных процессов в новых режимах работы и на его основе разработка методики инженерного проектирования силовой части регулятора;

4. разработка алгоритма функционирования, в различных режимах работы;

5. разработка математических моделей.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Для решения поставленных задач были использованы методы теории электрических цепей, методы теории автоматического управления, методы анализа преобразователей переменного/постоянного тока, основанные на усреднении переменных, методы цифрового моделирования и численного анализа.

ОБОСНОВАНИЕ И ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ.

Подтверждается использованием апробированных методов анализа электромагнитных процессов в силовых электронных устройствах и корректностью принятых допущений, а также экспериментальными результатами, полученными на физических моделях. НАУЧНАЯ НОВИЗНА. На защиту выносятся следующие результаты:

1. впервые разработаны принципы создания многофункционального регулятора качества электроэнергии, реализующего функции: стабилизации выходного напряжения; фильтрации высших гармоник тока нелинейной нагрузки и сетевого напряжения, включая его исчезновение на время, не превышающее нескольких периодов (1-2 периода); компенсации реактивной мощности нагрузки;

2. разработана методика проектирования основных элементов силовой части с учетом требуемого качества выходного напряжения и минимизации стоимости устройства;

3. разработана структура и алгоритм управления регулятором, в различных режимах работы, обеспечивающие заданные функции;

4. разработана математическая модель регулятора с емкостным накопителем и импульсным управлением, которая позволяет оценить динамические характеристики последнего и скорректировать звенья системы управления.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ.

В результате выполненной работы предложено новое схемотехническое решение многофункционального регулятора качества с широкими функциональными возможностями, позволяющего обеспечить высокое качество электроснабжения потребителей при одновременном повышении их энергоэффективности.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ.

Полученные результаты использованы при разработке новых устройств в ГОКБ «Прожектор».

АПРОБАЦИЯ.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях: МКЭЭ-2000 (Россия, Клязьма), СЭЭ'2001 (Украина, Алушта) а также на семинарах Общества инженеров Силовой Электроники и заседаниях кафедры Электрических и Электронных Аппаратов в 2000-2001 гг.

ПУБЛИКАЦИИ.

По теме диссертации опубликовано В работ, на конкурсной основе при поддержке конкурсного центра по грантам Министерства образования России выполняется работа на тему: "Разработка принципов создания аппаратов для улучшения качества электроэнергии в энергосистемах с нетрадиционными источниками питания".

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы и имеет объем 133 стр., 78 рисунков, 21 таблицу.

Основные результаты и выводы диссертационной работы заключаются в следующем:

1) разработан новый принцип управления регулятором качества электроэнергии, структура его реализации и алгоритм функционирования, в различных режимах работы, обеспечивающие заданное качество выходного напряжения при воздействии возмущающих факторов нелинейной нагрузки и сетевого напряжения, включая его исчезновение на время не превышающее нескольких периодов;

2) разработана методика выбора основных элементов схемы, с учетом заданного времени питании нагрузки при отсутствии сетевого напряжения и минимизации стоимостных показателей;

3) показано, что входной коэффициент мощности регулятора качества электроэнергии при новом принципе управления носит адаптивный характер, т.е. близок к единице при номинальном входном напряжении, и снижается, изменяя свой характер на емкостной или индуктивный при снижениях и повышениях входного напряжения соответственно;

4) разработана математическая модель регулятора качества электроэнергии с емкостным накопителем и импульсным управлением с использованием пакета программ DesignLab 8.0, которая позволяет оценить динамические характеристики и скорректировать звенья системы управления;

5) показано, что новый принцип управления позволяет регулятору качества электроэнергии выполнять функции интерактивного агрегата бесперебойного питания при подключении к накопительному конденсатору аккумуляторной батареи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. ГОСТ 13109-97. Показатели качества электроэнергии,- М.:Изд-во стандартов, 1999.-25с.

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

3. Москаленко Г.А. Высшие гармоники в системах электроснабжения. Киев, 1988. - 41 с. (Препринт / АНУССР. Ин.-т электродинамики. № 604)

4. Аррилага Дж., Брули Д., Боджер П. Гармоники в электрических системах. М.: Энергоатомиздат, 1989. 179 с.

5. Димитриос С. Анализ и исследование нового класса силовых фильтров для трехфазных промышленных сетей 380 В: Дис. к.т.н. М., -2000. - 162 с.

6. Кудрин Б.И. Электроснабжение промышленных предприятий: Учебник для вузов. -М.: Энергоатомиздат, 1995. 416 с.

7. Миронов Ю.М., Миронова А.Н. Электрооборудование и электроснабжение, плазменных и лучевых установок: Учебное, пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1991.316 с.

8. Лопухин А. А., Желбаков И. Н. Системы бесперебойного питания // Сети и системы связи. 1996. - №7.

9. Red. R., Tenti P., Van Wyk J.D. Power electronics' polluting effects // Spectrum IEEE. -1997,-№5,-C. 32-39.

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

11. Джус Н.И. 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. Галанов В.П., Галанов В.В. О влиянии нелинейных и несимметричных нагрузок на качество электрической энергии // Промышленная энергетика. 2001. - № 3.

15. Борисов В.Н. Повышение надежности работы конденсаторных батарей // Электрические станции. 1978. - №6. - С. 34-37.

16. Рябчицкий М.В. Регулятор качества электроэнергии: дис.к.т.н. М., 1999. - 119 с.

17. Шидловский А.К, Федий B.C. Частотно-регулируемые источники реактивной мощности. Киев: Наук. Думка, 1980. - 304 с.

18. Статические источники реактивно мощности в электрических сетях / коллектив авторов -М.: Энергия, 1975. 136 с.

19. Бурцева Г.Е., Глебов И.А., Захаров Е.П., Нейман З.Б. Технико-экономическая эффиктивность использования синхронных компенсаторов // Электротехника.-1972. №10.-С.1-5.

20. Электрические аппараты / Под ред. Розанова Ю.К. М.: Информэлектро, 2001. - С. 322-327.

21. Gyugyi L., Stricula Е.С. Active AC Power Filters // IEEE Transactions on industry applications.- 1976,-№6,- C. 529-535.

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

23. Fujita H., Akagi H. A Practical Approach to Harmonic Compensation in Power Systems // Series Connection of Passive and Active Filters IEEE Trans. Ind. App. 1991. - Vol. 27. - №5. Pp.-1020-1025.

24. Лабунцов B.A., Чжан Дайжун. Трехфазный выпрямитель с емкостным фильтром и улучшенной кривой потребляемого тока // Электричество. 1993. - №12. - С. 45-48.

25. Чжан Дайжун. Исследование активных фильтров-компенсаторов на базе мостового инвертора для динамической компенсации неактивной составляющей мощности: Дис. . к.т.н. -М., 1993. -176 с.

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

27. 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.

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

29. Pouliquen H., Bettega E., Wang M. 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.

30. 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.

31. Разработка отдельных разделов методологии построения СЭС и проекта ОТТ: Отчет по НИР/М., 1999.-277 с.

32. Peng P.Z., Akagi Н., Nabae A. Compensation Characteristics of Combined System of Shunt Passive and Series Active Filters / IEEE/IAS Ann. Meeting Cons. Rec. 1989. - Pp956-966.

33. Hafher J., Aredes M., Heumann K. Shunt Active Power Filter Applied to High Voltage Distribution Lines. IEEE Stockholm Tech. Conf. Stockholm, Sweden. 1995. Pp.231-236.

34. Розанов Ю.К., Рябчицкий M.B., Попова Е.П., Кваснюк А.А. Современные методы улучшения качества электроэнергии // III Международная конференция Электромеханика и электротехнологии. МКЭЭ-98: Тез. докл. Клязьма, 1998.

35. Pouliquen Н., Bettega Е., Wang М. 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.

36. Абакумов П.Н., Баранов С.А. Фильтр стабилизатор переменного напряжения для питания персонального компьютера // Электротехника. 1993. - С. 35-38.

37. Адамия Г.Г., Гуров В.И., Ковалев Ф.И. Агрегаты бесперебойного питания со статическими полупроводниковыми преобразователями. Аналитический обзор. М:, Информэлектро, 1978.

38. ГОСТ 26416-85. Агрегаты бесперебойного питания на напряжения до 1 кВ. Общие технические условия. М.: Ид-во стандартов, 1985.

39. Адамия Г.Г., Картавых А.С. Выбор структурой схемы системы бесперебойного питания // Электротехническая промышленность. Преобразовательная техника. 1981. - Вып. 2 (130). - С.11.

40. Адамия Г.Г. Типовые структурные схемы АБП // Электротехническая промышленность. Преобразовательная техника. 1978. - Вып. (133). - С. 19-21.

41. Ковалев Ф.И. Статические агрегаты бесперебойного питания // Электротехника. -1986.-№9.-С.48-52.

42. Адамия Г.Г., Гурова В.И., Картавых А.С., Чуркина М.В. Оценка надежности электроснабжения ответственного потребителя, питаемого от АБП // Электротехническая промышленность. Преобразовательная техника. 1979. - Вып.7 (114). - С. 19.

43. Агрегаты бесперебойного питания. Номенклатурный справочник. Под. ред. Е.Г. Акимова. М.: Информэлектро, 1999.

44. Mattavelli P. Robust Deadbeat Control for UPS using State and Disturbance Observer // Confer EPE. Vol. 2. - Pp 2001-103.

45. Chu H.Y, Jou H.L, Huang C.L., Wang L.C. A novel bidirectional UPS // Conf.EPE Firenze.1991. Vol. 3.-Pp. 1999-204.

46. Лаврус B.C. Источники энергии. К.: НиТ, 1997.

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

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

49. 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.

50. Розанов Ю.К., Рябчицкий M.B., Кваснюк А.А. Новые функции активного фильтра // Межвузовский сборник научных трудов. Электрические аппараты. Чебоксары. 1998.- С. 4549.

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

52. Розанов Ю.К., Рябчицкий М.В., Кваснюк А.А. Активный фильтр стабилизатор // III Международная конференция Электромеханика и электротехнологии. МКЭЭ-98: Тез. докл. -Клязьма, 1998.

53. Рыжов С.Ю., Рябчицкий М.В., Кваснюк А.А, Попов А.А. Микропроцессорная система управления активного фильтра переменного напряжения // III Международная конференция Электромеханика и электротехнологии. МКЭЭ-98: Тез. докл. Клязьма, 1998.

54. Розанов Ю.К., Рябчицкий М.В., Кваснюк А.А., Гринберг Р.П. Разработка унифицированного модуля регулятора качества электроэнергии // IV Международная конференция «Электротехника, электромеханика и электротехнологии». МКЭЭ-2000, Тез. докл . Клязьма, 2000.

55. Розанов Ю.К., Рябчицкий М.В., Кваснюк А.А. Современные устройства для улучшения качества электроэнергии на базе активных фильтров // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. 2000. - Выпуск №84.

56. Розанов Ю.К., Рябчицкий М.В., Кваснюк А.А., Гринберг Р.П. Силовая электроника и качество электроэнергии // Техническая электродинамика. Украина. Киев. 2001. -Тематический выпуск. Сентябрь 2001 г.

57. Розанов Ю.К., Рябчицкий М.В., Кваснюк А.А. Проблемы защиты активного фильтра стабилизатора при входном коротком замыкании // Научно-техническая конференция "Электротехнические комплексы автономных объектов-99": Тез. докл. - М., МЭИ, 1999.

58. Розанов Ю.К., Рябчицкий М.В., Кваснюк А.А., Гринберг Р.П. Моделирование энергетических систем с фильтрами высших гармоник // Техтана электродинамжа. 2000. -Тематичний выпуск ч. 2 Кшв.

59. Розанов Ю.К., Рябчицкий М.В., Кваснюк А.А., Гринберг Р.П. Силовые электронные устройства для обеспечения качества электроэнергии // IV Международная конференция «Электротехника, электромеханика и электротехнологии». МКЭЭ-2000: Тез. докл. Клязьма, 2000.

60. Шидловский А.К., Козлов А.В., Комаров Н.С., Москаленко Г.А. Транзисторные преобразователи с улучшенной электромагнитной совместимостью. Киев: Наукова думка, 1993.-270 с.

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

62. Ануфриев Ю.А. и др. Эксплуатационные характеристики и надежность электрических конденсаторов. М., Энергия, 1976.

63. Никитенко А.Г., Левченко И.И., Гринченков В.П., Иванченко А.Н., Ковалев О.Ф. Информатика и компьютерное моделирование в электроаппаратостроении. М.: Высшая школа, 1999. С. 11-16.

64. Справочное пособие по теории систем автоматического регулирования и управления / Под общ. ред. Санковского Е.А. Мн.: Вышэйш. школа, 1973.

65. Фельдбаум А.А., Бутковский А.Г. Методы теории автоматического регулирования. -М.: Наука, 1971,- 77 с.

66. Воронов А.А. Основы теории автоматического управления. Часть 1. М.: Энергия,1965.

67. Фельдбаум А.А. Электрические системы автоматического регулирования. -М.: Оборонгиз, 1975.

68. Аванесов В.М. Инвариантное управление следящим инвертором напряжения // Электротехника. 1999. - №4. - С. 34-40.

69. Аванесов В.М., Кудинов П.Н. Синтез следящей системы управления автономного инвертора // Промышленная электроника. 1998. - №3. - С.7.

70. Сазонов В.В. Принципы инвариантности в преобразовательной техники. М.: Энергоатомиздат, 1990.

71. Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesignLab 8.0. М.: «Солон», 1999. - 698 с.

72. Краткий справочник конструктора радиоэлектронной аппаратуры. Под ред. Варламова Р.Г. М., Энергия, 1992.- 855 с.