автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Реверсируемый преобразователь параметров электроэнергии

На правах рукописи

СУЯКОВ СЕРГЕИ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РЕВЕРСИРУЕМЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Специальность 05.09.12 - Силовая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 3 СЕН 2015

005562546

Нижний Новгород -2015

005562546

Работа выполнена на кафедре «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева», г. Нижний Новгород.

Научный руководитель: Чивенков Александр Иванович

кандидат технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный технический

университет им. P.E. Алексеева», профессор кафедры «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника»

Официальные оппоненты: Юдин Виктор Васильевич

доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева», профессор кафедры «Электротехника и промышленная электроника» Копелович Евгений Альбертович кандидат технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт прикладной физики РАН», заведующий отделом «Высоковольтная техника»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Южно-Уральский государственный университет», г. Челябинск Защита состоится «16» октября 2015 г. в 16:00, в аудитории 1258 на заседании диссертационного совета Д 212.165.02 в ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева» по адресу: 603950, ГСП - 41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева» и на сайте: http://ww\v.nntu.ru/conteiit/aspirantura-i-doktorantura/dissertacü

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 603950, ГСП - 41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24, ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева», ученому секретарю диссертационного совета Д 212.165.02.

Автореферат разослан «/¿г » сентября 2015 г Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.165.02, к.т.н., доцент

%,/Mxv t' А. С. Плехов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность темы. Мировые тенденции развития современной энергетики направлены, в первую очередь, в сторону разработки и исследования энергоэффективных технологий. Возрастающая потребность общества в энергоресурсах обусловлена истощением запасов органического топлива, а с дальнейшим развитием человечества их потребление будет только увеличиваться.

В электроэнергетике тема энергосбережения и энергоэффективности в последние годы получает всё большую значимость и в нашей стране. Общий износ распределительных сетей единой энергетической системы России (ЕЭС) достиг 70%, а постоянно увеличивающееся энергопотребление приводит к снижению качества и стабильности электрических параметров, росту числа аварийных ситуаций на электрических подстанциях и электроустановках потребителя.

Проблема электроснабжения встает наиболее остро на территориях с большим количеством малых и децентрализованных потребителей. По причине значительной удаленности от основных промышленных и энергетических центров, низкой плотности населения, слабой развитости транспортных систем присоединение районов с изолированными энергосистема к ЕЭС становится малорентабельным. В связи с этим, одним из рациональных способов решения сложившейся проблемы можно считать развитие распределенной энергетики на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ) с генерирующими установками, расположенными в непосредственной близости от потребителя. Одним из таких источников является ветроэнергетика.

Для более активного внедрения ветроэнергетических установок (ВЭУ) малой и средней мощности необходима разработка новых технических комплексов, направленных на повышение энергоэффективности преобразования энергии низкопотенциального течения воздушного потока. В связи с этим, наибольший интерес представляют конструкции ВЭУ основанные, на использовании концепции малоинерционного генератора (МИГ).

Вместе с тем, совместное использование возобновляемых и традиционных источников энергии и объединение их в распределенную электрическую сеть формирует следующие требования к преобразователям параметров электроэнергии (ППЭ):

- автономная и синхронная передача потоков мощности от различных генерирующих источников электроэнергии распределенной сети в нагрузке потребителя;

- регулирование величины и направления передаваемой активной, реактивной мощностей и мощности искажения в отдельном канале линии электроснабжения;

- сопряжение разнородных источников энергии, и приведение параметров генерируемой электроэнергии к стандартным параметрам электрических сетей;

- стабилизация выходного напряжения и достижение бесперебойного питания в цепи нагрузки потребителя;

- компенсация реактивной мощности и мощности искажения в узле подключения к электроэнергетической системе.

На данный момент в электротехнике уже существуют теоретические и практические наработки в области схемотехники ППЭ и топологии распределенной электрической сети. Однако системы измерения электрических параметров в реальном масштабе времени, обработки информации, и формирование законов управления силовыми преобразователями требуют глубокого изучения и анализа.

Большой вклад в решение проблем, связанных с уменьшением дефицита электроэнергии децентрализованных потребителей, регулированием потоков мощности и увеличением показателей качества передаваемой мощности в высоковольтных системах электроснабжения внесли отечественные и зарубежные ученые: Ю.К. Розанов, Г.С. Зиновьев, B.C. Моин, Ю.И. Колобов, Ю.В. Шаров, И.И. Карташев, Н. Akagi, E.H. Watanabe, N.G. Hingorani и др. Однако тема сопряжения генерируемых мощностей ВЭУ с конечным потребителем в низковольтных электрических сетях изучена недостаточно.

Объект исследования - преобразователь параметров электроэнергии с реверсируемым направлением передачи потоком мощности.

Предмет исследования - методы управления и регулирования потоков мощности между ветроэнергетической установкой с нестабильными электрическими параметрами и распределенной энергосистемой путем использования ведомых инверторов напряжения (ИН), объединённых в топологию вставки постоянного тока (ВПТ).

Целью диссертационной работы является исследование режимов работы реверсируемого преобразователя параметров электроэнергии вставки постоянного тока (ППЭ ВПТ), и разработка системы управления, позволяющей регулировать потоки мощности и повышать качество передаваемой электроэнергии в распределенной электрической сети класса напряжения 0,4 кВ.

Для достижения поставленной цели автором решались следующие задачи:

- анализ перспективности использования ветроэнергетической установки малоинерционного генератора (ВЭУ МИГ) в распределенной системе электроснабжения децентрализованных потребителей;

- обзор существующих схемотехнических решений построения силовой части ППЭ, их функциональных возможностей и определение исследуемой топологии;

- исследование систем и методов регулирования потоков мощности в электрических сетях, способов сопряжения ВЭУ МИГ с традиционными первичными источниками электропитания и потребителями;

- разработка математической модели для регулирования потоков мощности посредством ППЭ ВПТ, в соответствии с законами общей теории мгновенной мощности;

- создание компьютерной имитационной модели для исследования регулировочных, энергетических, спектральных характеристик ППЭ ВПТ и анализа автономного и синхронного режимов передачи потока мощности от ВЭУ МИГ в распределенную энергосистему.

- проектирование системы управления ППЭ на основе компьютерной имитационной модели, работающей в реальном масштабе времени, и дальнейшее прототипирование органов управления с использованием современных программируемых аналоговых интегральных схем (ПАИС).

Методы исследования. Для решения поставленных задач при выводе математических зависимостей напряжений и токов инвертора использовались основные положения теории электрических цепей с применением классического, а также операторного методов решения обобщённых дифференциальных уравнений. При описании основных законов регулирования потоков мощности применялась модифицированная теория мгновенной мощности, а также методы преобразования в стационарную а, р, у и векторную систему координат. В

системе управления ППЭ ВПТ использовались совместно методы пространственно-векторной модуляции (ПВМ) и прогноза среднего значения выходного напряжения ИН за один период коммутации силовых ключей. При регулировании выходного тока ИН применялись методы адаптивного контроля с динамически изменяемой шириной гистерезиса (ДШГ) и фиксированной шириной гистерезиса (ФШГ) опорного сигнала. Для поддержания заданного значения скорости вращения ротора ВЭУ МИГ использовался метод прямого управления моментом (ПУМ). В качестве инструмента анализа статических и динамических процессов в исследуемой системе применялся метод модельно-ориентированного проектирования в компьютерной среде разработки МмЬаЬ/БтиИпк.

Научная новнзпа работы.

1. Разработан способ регулирования активной мощности посредством ППЭ ВПТ с использованием метода прогноза среднего значения модулирующего сигнала за один период коммутации силовых ключей и последующего формирования выходного напряжения инвертора по методу пространственно-векторной модуляции. Данные методы обеспечивают уменьшение коэффициента гармоник и снижение коммутационных потерь по сравнению со способами управления, основанными на базе двухполярной трехфазной широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

2. Разработан алгоритм компенсации реактивной мощности и мощности искажения посредством ППЭ ВПТ на основе метода адаптивного контроля тока с динамически изменяемой шириной гистерезиса, что позволило обеспечить фиксированную частоту коммутации силовых ключей, при заданных пределах отклонения амплитуды выходного тока инвертора и исключить из системы управления задержки, вызванные постоянной времени ПИ-регулятора, который используется для расчёта выходного напряжения инвертора в соответствии с опорным значением тока задания.

3. Исследованы физические процессы в механической и электрической системах ВЭУ МИГ при регулировании величины и направления потока мощности через ППЭ ВПТ по методу прямого управления моментом. Использование данного метода управления малоинерционным генератором позволяет осуществлять регулирование выходной мощности ветроэнергетической установки без необходимости непосредственного измерения скорости вращения ротора на стороне механической системы.

4. Разработана математическая модель в компьютерной среде МшЫЫБтшПпк для стационарных, переходных и аварийных режимов работы ППЭ ВПТ при динамически изменяющихся опорных значениях тока задания.

Практическая ценность.

1. Разработанные способы управления ППЭ ВПТ обеспечивают решения задач по регулированию активной мощности, компенсации реактивной мощности и мощности искажения в распределенной энергосистеме, что позволяет повысить уровень качества и стабильности параметров электроэнергии, поставляемой потребителем.

2. Полученные результаты исследований и разработанные алгоритмы управления ВЭУ МИГ создают предпосылки для интеграции нового класса ВИЭ в распределенную энергосистему. Путем использования ППЭ ВПТ обеспечивается передача потока мощности в прямом направлении - для генераторного режима работы МИГ, в обратном направлении - для двигательного режима МИГ (запуск ВЭУ).

3. Разработано математическое описание и компьютерная модель ППЭ ВПТ в среде MatLab/SimuIink, позволяющее моделировать аварийные режимы работы, исследовать переходные процессы. На основе компьютерной модели была создана система управления ИН, работающая под управлением операционной системы реального времени (ОСРВ) - МаймЪ хРС Target.

Связь работы с научными программами. Исследования по данной тематике проводились в рамках ряда государственных контрактов:

1. Государственный контракт № 02.516.11.6045 по теме: «Разработка технических решений для обеспечения сопряжения потребителей и различных типов источников электрической энергии» шифр: 2007-6-1.6-31-04-034.

2. Государственный контракт № 16.516.11.6114 по теме: «Разработка технологии эффективного использования возобновляемых источников энергии в локальной системе электроснабжения потребителей» шифр: 2011 -1.6-516-047-096.

3. Государственный контракт № 16.516.11.6063 по теме: «Разработка новой технологии распределения электрической энергии в электроэнергетических установках (Распределенные электрические сети)» шифр: 2011-1.6-516-008-186.

Положения, выносимые на защиту.

1. Принципы построения и схемные решения ППЭ для регулирования активной мощности, компенсации реактивной мощности и мощности искажения в распределенной энергосистеме.

2. Алгоритм регулирования активной и реактивной мощности и мощности искажения в реальном масштабе времени в распределенной энергосистеме.

3. Математические и компьютерные модели для исследования стационарных и динамических режимов работы ППЭ ВПТ.

4. Система управления ППЭ ВПТ.

5. Результаты анализа работы ППЭ ВПТ в режиме регулирования активной мощности, компенсации реактивной мощности и мощности искажения в распределенной энергосистеме.

Личный вклад автора. Постановка задачи и формирование цели исследования, разработка математической и имитационной моделей, анализ результатов компьютерного моделирования, синтез систем управления и проектирование экспериментальной установки.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на: «Актуальные проблемы электроэнергетики», Нижний Новгород, 2009; IX Международной

молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки», Нижний Новгород, 2010; VII Всероссийская научная молодежная школа «Возобновляемые источники энергии», МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва. 2010; Международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодежи», Самара, 2011; 17-я Нижегородской сессии молодых ученых (технические науки), Татинец, 2012; Конкурс студенческих проектов «Энергия развития», Москва, 2012; 5-ая Международная конференция «Russia Power», молодёжная программа «Инвестируя в будущее», Москва, 2013.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 2 статьи в издании рекомендованных перечнем ВАК, 1 статья'в иностранном журнале и 1 монография.

Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 101 наименований и 2 приложений' Основная часть диссертации изложена на 166 страницах, содержит 85 рисунков и 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определена цель и основные задачи исследования, отмечена научная новизна работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе произведен обзор современных технологий генерации электроэнергии в малой распределенной энергетики. Рассмотрены основные подходы к регулированию потоков мощности в управляемых системах передачи переменного тока, в частности, регулирование активной и реактивной мощности и мощности искажения. Выполнен анализ существующих архитектур построения силовых преобразователей электроэнергии, обеспечивающих сопряжение энергосистем с различными электрическими параметрами. На основе полученных данных сформирована структурная схема реверсируемого преобразователя параметров электроэнергии (ППЭ) в распределённой электрической сети.

В результате исследования было определено, что наиболее перспективным направлением возобновляемых источников энергии (ВИЭ), используемых в системах децентрализованного электроснабжения территории РФ, является ветровая энергетика. Кроме этого, установлено, что наиболее рациональным решением при построении высокоэффективного ветроэлектрогенератора является разработка специальной конструкции низкооборотного малоинерционного генератора (МИГ), выполненного на базе асинхронной электрической машины.

В рамках современной концепции регулирования потоков мощности между распределенными энергосистемами перспективным направлением является разработка класса устройств, выполняющих функции объединённого регулятора потока мощности (ОРПМ). Основная идея, реализуемая при построении устройств ОРПМ, заключается в независимом регулировании величины и направления потоков мощности электрической энергии в узле подключения. Наибольшая степень свободы в процессе регулирования достигается в управлении отдельными составляющими полной мощности: активная, реактивная, мощность искажения.

В соответствии с общей классификацией ОРПМ-устройств, наиболее универсальным и перспективным направлением является схемотехника ведомых инверторов напряжения (ИН), объединенных в топологию вставка постоянного тока (ВПТ). Каждый из инверторов по цепи переменного тока через фильтрующее устройство (Ф) подключён к своей электросети. Совместное соединение ИН осуществляется по цепи постоянного тока через емкостной накопитель (ЕН). Объединение систем ИН на базе современных элементов силовой полупроводниковой техники, установленных в узлах распределения электрической энергии и подключения потребителей, позволяют реализовать гибкую систему регулирования и компенсации потоков мощности.

Предлагаемый вариант структурной схемы подключения ППЭ ВПТ между тремя линиями электроснабжения (ЕЭС, дизельная электростанция (ДЭС), ВЭУ МИГ) приведен на рис. 1. Комбинирование вариантов подключаемых линий электроснабжения к потребителю (П) осуществляется за счёт устройства автоматического включения резерва (АВР).

При выборе схемотехники силовой части ППЭ ВПТ были установлены следующие требования:

- решение широкого круга задач по передаче, распределению и улучшению качества электроэнергии (передача электроэнергии в прямом и обратном направлении потоков мощностей, а также компенсация реактивной мощности и мощности искажения);

универсальность и гибкость архитектуры преобразователя (работа в трёхпроводных и четырёхпроводных трёхфазных электросетях с различными типами нагрузок);

достижение максимально возможного КПД и увеличение надёжности преобразователя (вследствие минимизации числа коммутационных элементов и использовании современной элементной базы).

ВЭУ

миг

Линия 3| Система шин на стороне ВЭУ

Ф

ИН 1

I—]

п АВР

Система шин на стороне нагрузки потребителя

Рис. 1. Структурная схема подключения ППЭ ВПТ

В соответствии с выше приведенными критериями разрабатываемого ППЭ наиболее целесообразной и перспективной структурой силовой части является топология силового активного фильтра (САФ). С учётом проведенного анализа возможных технических решений наиболее функциональной- схемотехникой

силовой части ГТПЭ ВПТ в трёхфазных электрических сетях 0,4 кВ является топология ИН, выполненная по мостовой схеме на /СДГ-транзисторах (рис. 2).

Силовая схема ППЭ ВПТ состоит из двух ведомых ИН, собранных по трёхфазной мостовой схеме на /G/?7"-транзисторах (VT1-VT6 и V77-VT12) и соединенных вмести по цепи постоянного тока (С10-С11, С21-С22). Каждый ИН подключен к собственной энергосистеме, в которой нагрузка подключается к зажимам по стандартным схемам «звезда», «звезда» с нейтралью или «треугольник».

Во второй главе была разработана математическая модель ППЭ ВПТ, на основе общей теории мгновенной мощности в стационарной а,р,у и вращающейся d,q,Q системе координат. Введено понятие мгновенной активной мощности как скалярного произведения компонентов векторов напряжения и тока, а также представление мгновенной неактивной мощности в качестве векторного произведения, что позволило сформировать математическую модель максимально точно приближенную к реальным физическим процессам передачи электроэнергии. Представлена математическая модель ветроэнергетической установки малоинерционного генератора (ВЭУ МИГ), описывающая физические процессы в механической и электрической системе установки. Выведены основные принципы регулирования величины потока мощности на стороне турбины ВЭУ МИГ.

В трёхфазной системе электропитания мгновенная передаваемая мощность описывает общее количество передаваемой энергии между источником и приёмником в данный момент времени:

Р Зф О = "а (t)ia (t) + uh (t)ih (0 + uc (t)ic (t) +u0 (t)in (t) (1)

При разложении трёхфазного напряжения и тока в а, р, у -системе координат (рис. 3) активная мощность трёхфазной системы равна скалярному произведению

векторов напряжения и тока, а неактивная мощность получается в результате векторного произведения этих же векторов.

Мгновенная активная мощность: ^

Р = "сфу * 'ару = "а'а + "р'р + "у'у (2) Мгновенная неактивная мощность: "Р "у I

Ч ~ йару х <аРу ~

Ча %

Чу

'Р 1У

11у иа

'у «а

<а "р 'а 'р

1*1 = ^

2 2 2 Ча +Чр +Чу

(3)

(4)

1а........"а А

^ и

Щ1т)

Рис. 3. Вектора трёхфазного напряжения и тока в а, р, у -системе координат

В общем виде, при использовании нелинейной несимметричной трёхфазной системы электропитания мгновенная активная и неактивная мощности могут быть представлена в следующем виде:

Р = Р + Р

9 = 9 + 5 (5)

Ро = Ра + Ра

Ро = 1. ЗУ0пЛ)п СО5(ф0„ - 50„)

и=1

Р= 13{/+„/+„С05(ф+„ -5+„)+ ¿3(/_„/_„ сое(ф.„ -5_„) 9 = ¿3и+п1+л ип(ф+„ -5+„)+ ¿-3{/_„/_л 8т(ф_„ -8_„)

я =х

тщ

2^0,Л, С05((0,„ -ш„)г + ф0,„ -З^)

»'=1|-л«1 _ „„1

111=1

£-Зи„„/_„ С05((0„, +со„)г + ф+„, +5_„)

л

+1

£зг/+я/+|1 «¡п((сол/ -со„)г + ф+Я( -5+„) .«=1

Е- зг/+»/- + )' + Ф™ + 8_)

]Г-3со5({в„, +ш„)г+ф_„, +8+„)

Е- 3£/_„,/_„ -»»)' + Ф-,„ - 5_„) Е3^-,/« ят((со,„ + со,, )г + ф_„, + 5„„)

(6) (7) (В)

(9)

(10)

(П)

В выражениях (5) - (11) показано, что мгновенная передаваемая мощность, может быть условно разделена на мгновенную активную и неактивную мощность

и мощность нулевой последовательности, каждая из которых имеет постоянную и переменную составляющую. Постоянная составляющая мгновенной активной мощности р содержит фундаментальную активную мощность, создаваемую основной гармоникой (Р = ЗШсо&ц>), ц содержит фундаментальную реактивную мощность, создаваемую основной гармоникой (£> = ЗУ/втср), остальные наивысшие гармоники напряжения и тока (имеющие одинаковый номер и частоту пульсации, для положительной и отрицательной последовательности) также вносят вклад в величину постоянной передаваемой мощности. Компоненты р и у создают пульсации в мгновенной активной и неактивной мощностях, что является нежелательным фактором в электрических сетях, и такие составляющие необходимо отфильтровать. Мгновенная мощность нулевой последовательности р0 состоит также из постоянной и переменной составляющих, но в отличие от мгновенной активной и неактивной мощностей, данные составляющие не могут быть разделены и отфильтрованы.

Результатом разработки математической модели ВЭУ МИГ является формирование основных принципов регулирования величины потока мощности в соответствующих зонах энергетической характеристики (рис. 4):

Рис. 4. Энергетическая характеристика ВЭУ МИГ: зона 1 - старт; 2 - выход на номинальный режим; 3 — режим ограничения мощности: 4 — режим отключения

Различают следующие зоны регулирования:

- Зона 1, МИГ отключен от сети, система управления следит за текущей скоростью энергоносителя, поступающего на турбину ВЭУ;

- Зона 2, подключение МИГ к сети, разгон и выход на номинальный режим генерации. В этой зоне использовался принцип автоматического регулирования МИГ, основанный на методе прямого управления моментом (ПУМ);

- Зона 3, МИГ подключен к сети, система управления ограничивает отбираемую долю энергии так, чтобы не выйти за пределы электрических и механических расчетных нагрузок генератора. В этой зоне стабилизация и ограничение генерируемой мощности осуществляется путем изменения угла атаки лопастей ВЭУ, а также посредством метода ПУМ;

- Зона 4, МИГ отключается от сети в целях предотвращения аварийной ситуации энергетической установки.

Как следует из вышеописанного принципа регулирования выходной мощности ветроустановки, при построении системы управления ППЭ ВИТ, связывающей ВЭУ МИГ с другими автономными источниками электроэнергии и нагрузкой потребителя в изолированной энергосистеме, необходимо учитывать нестабильность параметров выходной мощности МИГ. Которые обусловлены непостоянством, а также недостаточным количеством энергоносителя, поступающего на лопасти турбины ВЭУ.

Третья глава посвящена разработке системы управления ППЭ ВПТ на стороне нагрузки потребителя и на стороне ВЭУ МИГ.

В системе управления на стороне ВЭУ МИГ был предложен алгоритм работы ППЭ ВПТ, который позволяет учитывать нестабильность параметров выходной мощности и нелинейность энергетической характеристики ветрогенератора. Разработанный метод управления ППЭ ВПТ осуществляет автоматическое регулирование и реверсирование потока мощности при пуске и переводе в генераторный режим ВЭУ МИГ.

Система управления ППЭ ВПТ на стороне нагрузки потребителя позволяет осуществлять подключение ВЭУ МИГ к распределенной электрической сети, работающей как в автономном (рис. 5), так и в синхронном режиме (рис. 6). При автономном режиме работы в системе управления ИИ на стороне нагрузки потребителя был использован метод векторного управления в стационарной а, Р, у -системе координат, а для синхронного режима работы ВЭУ МИГ с ЕЭС в системе управления ИН был реализован метод управления во вращающейся с{, д,0 -системе координат.

Блок преобоаэое а ни я Кларка

Блок обратного г реобразования Кларка

1 Г .! .! /г'.| сгь!

к- ^

м- „

игл . Регулятор потоков мощности

исг ,

Сг

..................... ♦

ИН1 | ■ф ИН2

Оос Пусковой :: Генераторный > ^:: .'{двигательный)

режим..;..;: .режим -./Л/

Систем.} ШЦИ\':

М* СТОРОН«;.: •

ВЗУ миг:1;

•.Л;;..Системе ; :на стороне нагрузки

: ДЭС /

■ к

Рис. 5. Структурная схема системы управления ППЭ ВПТ на стороне нагрузки потребителя в

автономном режиме работы

Рис. 6. Структурная схема системы управления и силовой части ППЭ ВПТ на стороне нагрузки

в синхронном режиме работы

Для увеличения скорости реакции ППЭ ВПТ на изменение сигнала задания и обратной связи в системе управления силовыми ключами ИН для автономного режима работы использовался метод адаптивного гистерезисного контроля тока. Сокращение времени реакции системы особенно важно при работе с сетью ограниченной мощности, когда изменение потока мощности в ИН приводит к изменению фазы напряжения сети в точке подключения.

При управлении ППЭ ВПТ на стороне нагрузки потребителя в синхронном режиме работы вектора напряжения и тока, полученные в стационарной системе, вращаются синхронно с вектором напряжения сети (рис. 3). Таким образом, постоянная компонента вектора сетевого тока соответствует активной и реактивной составляющим передаваемой мощности, а переменные компоненты соответствуют высшим гармоническим составляющим и обратной последовательности токов. Такой подход позволяет значительно упростить построение систем управления по передаточным функциям силового преобразователя, что в целом уменьшает число математических операций, увеличивая скорость вычисления компенсационных токов.

В четвертой главе приведены результаты исследования компьютерной имитационной модели ППЭ ВПТ, спроектированной на основе системы управления, изложенной в четвертой главе и математического аппарата, описанного в третьей главе.

На базе компьютерной модели ППЭ ВПТ проводился анализ регулирования потоков мощности в системе электроснабжения нагрузки потребителя. Был рассмотрен процесс запуска ВЭУ МИГ, характеризующийся изменением

направления потока мощности через ППЭ ВПТ при переходе МИГ из двигательного в генераторный режим работы. Рассмотрен режим компенсации реактивной мощности и мощности искажения в узле подключения к ЕЭС нелинейной несимметричной нагрузки.

На рис. 7, 8 представлены результаты имитационного моделирования по передаче активной мощности между ВЭУ МИГ и ЕЭС при подключенной несимметричной нелинейной нагрузке потребителя.

Г

¿с = '

Рис. 7. Диаграммы токов ППЭ ВПТ на стороне нагрузки потребителя: (а) - сетевой ток, (б) - ток нагрузки, (в) - ток ИН2

- ; (а) |

Л с "

Г- ■■ -•" Г'"- У- - - Т- -■■■■■1 :■■:■■: .-;■■■ (6) ^

" I, с " ^" ~ » "

..........-"Т-^-......(")

Рис. 8. График активной мощности: (а) - в электрической сети нагрузки потребителя, (б) -потребляемая нагрузкой, (в) - передаваемой через ППЭ ВПТ

При переходе МИГ в генераторный режим работы, передаваемая активная мощность через ППЭ ВПТ реверсируется и становится геометрической суммой мощности, отдаваемой нагрузке потребителя и подключенной к ней энергосистеме. Отдача генерируемой мощности от ВЭУ МИГ в электрическую

сеть на стороне нагрузки потребителя отображено в изменении знака на соответствующем графике активной мощности (рис. 8 (а)).

В результате исследования процесса коммутации силовых ключей по методу одношагового прогноза среднего значения модулирующего сигнала с использованием метода пространственно-векторной модуляции (ПВМ) на линейном участке регулирования было достигнуто увеличение на 22% действующего значения выходного напряжения инвертора и снижение коэффициента гармоник на 15,5 %, по сравнению с методом двухполярной ШИМ.

Аг» %.......

\ К

Ки

О 0.5 1 (а) 1.5 2 2.5 е 0,5 1 (6) г 2'

Рис. 9. Сравнительные характеристики ПВМ и ШИМ: (а) — зависимость коэффициента гармоник от выходного напряжения; (6) — регулировочная функция

При исследовании процесса компенсации для нелинейной несимметричной нагрузки был проведен сравнительный анализ гистерезисных методов контроля с фиксированной шириной гистерезиса (ФШГ) и динамически изменяемой шириной гистерезиса (ДШГ). Оценка качества регулирования ППЭ ВПТ в режиме компенсации реактивной мощности и мощности искажения осуществлялась по спектральной характеристике сетевого тока (рис. 10) с учётом коэффициента гармоник и частоты коммутации силовых ключей.

Из представленных зависимостей видно, что спектр сетевого тока, формируемого по методу ДШГ, в отличие от метода управления с ФШГ. имеет чётко выделенные высокочастотные гармонику в полосе 30 кГц (рис. 10, (б)).

5 а

Рис. 10. Спектральная характеристика сетевого тока в фазе А: (а)

(б) - метод управления с ДШГ

— метод управления с ФШГ;

Кроме этого, коэффициент гармоник в скомпенсированном сетевом токе для метода управления с ФШГ составляет 9,70%, а для ДШГ 7,95% от амплитуды основной гармоники.

В пятой главе диссертации приведено описание экспериментальной установки ППЭ ВПТ. Была спроектирована цифровая система управления ППЭ ВПТ, работающая в реальном масштабе времени на основе разработанной компьютерной имитационной модели. Спроектирована схемотехническая и программная часть аналогового блока синхронизации с сетью на основе ПАИС, используемого при переходе ППЭ ВПТ из автономного режима работы в синхронный.

Экспериментальная установка ВПТ с интегрированным конвертором напряжения, общий вид которой представлен на рис. 11, была спроектирована на кафедре «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника» НГТУ.

Рис. 11. Общий вид тестируемой экспериментальной установки ВПТ

Прототипирование цифровой системы управления ППЭ ВПТ было выполнено на аппаратной платформе промышленного компьютера ¡RORO-5000-93г'3 работающего под управлением ОСРВ MatLab хРС Target. В качестве устройств обработки аналоговых сигналов обратной связи и формирования цифровых сигналов управления силовыми ключами использовались платы ввода-вывода РС1-6229, PCI-6528 (National Instruments).

На рис. 12 представлены осциллограммы сигналов управления ICBT-транзисторов и выходного напряжения инвертора до и после LC-фильтра цепи переменного тока. В качестве нагрузки использовалось регулируемое активное сопротивление. Осциллограммы входных и выходных сигналов блока синхронизации с сетью при переходе из автономного режима работы ППЭ ВПТ в синхронный представлены на рис. 13. Как следует из данных графиков, формирование логического сигнала переключения режима работы ППЭ ВПТ происходит при полном совпадении фаз выходного напряжения ИН и ЕЭС.

Рис. 12. Осциллограммы сигналов управления и выходного напряжения ИН

Для исключения задержек обработки входных сигналов, блок синхронизации с сетью выполнен на программируемой аналоговой

интегральной матрице АЛ^231£04 {Anadigm). Таким образом, предельно минимизируются потери в силовой части ППЭ ВПТ в переходных режимах.

При этом следует отметить, что цифровая часть системы управления экспериментальной установки

построена на основе дискретной модели ППЭ ВПТ и применялась в компьютерном моделировании в четвертой главе диссертации, что позволило сделать вывод о правильности методов регулирования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. В результате анализа современных технологий генерации на основе ВИЭ было определено наиболее перспективное направление - ветроэнергетика на основе специальной конструкции низкооборотного малоинерционного генератора (МИГ). Показано, что наиболее универсальной и гибкой архитектурой топологии реверсируемого преобразователя параметров электроэнергии (ППЭ), используемого для интеграции генерируемых мощностей ветроэнергетической установки (ВЭУ) в распределенную энергосистему класса напряжения 0.4 кВ, является схемотехника инверторов напряжения (ИН), объединенных по цепи постоянного тока, образующих совместную топологию вставки постоянного тока (ВПТ).

2. Разработана математическая модель реверсируемого преобразователя параметров электроэнергии вставки постоянного тока (ППЭ ВПТ), характеризующая законы управления ИН в векторной системе координат. Использовано понятие мгновенной активной мощности как скалярного произведения компонентов векторов напряжения и тока, а так же мгновенная неактивная мощность представлена в качестве векторного произведения. Такое

Рис. 13. Осциллограммы входных и выходных сигналов блока синхронизации с сетью.

описание отдельных составляющих полной мощности позволило сформировать алгоритм регулирования потоков мощности посредством ППЭ ВПТ в реальном масштабе времени.

3. Разработана математическая модель ветроэнергетической установки малоинерционного генератора (ВЭУ МИГ), обеспечивающая комплексное исследование физических процессов в механической и электрической системах установки. Сформированы основные принципы регулирования величины и направления потока мощности через ППЭ ВПТ на стороне ВЭУ при помощи метода прямого управления моментом МИГ.

4. Спроектирована система управления ППЭ ВПТ:

- на стороне нагрузки потребителя при подключении ИН к автономной сети ограниченной мощности, был использован метод векторного управления в стационарной а, р, у -системе координат; при подключении ИН к ЕЭС использовался метод управления во вращающейся ¿,<7,0 -системе координат, синхронизированной по вектору сетевого напряжения;

- на стороне ВЭУ МИГ для ИН, подключенного к статорной обмотке МИГ, был использован метод прямого управления моментом, обеспечивающий контроль скорости вращения ротора генератора без необходимости измерения соответствующего сигнала обратной связи.

5. Получены результаты исследования имитационной модели, состоящей из основных объектов управления: турбина ВЭУ, МИГ, ППЭ ВПТ. В качестве среды компьютерного моделирования использовался программный комплекс МмЬаЫБтиНпк, позволяющий проводить расчёт и оптимизацию параметров силовой части и системы управления.

6. Исследованы режимы работы ППЭ ВПТ при регулировании активной мощности, компенсации реактивной мощности и мощности искажения в распределенной энергосистеме:

- исследован метод адаптивного гистерезисного контроля тока с динамически регулируемой шириной гистерезиса. В результате использования данного метода в системе управления ППЭ ВПТ при среднем отклонение сигнала обратной связи компенсационного тока от модулирующего в 1 % удалость достичь значения коэффициента гармоник выходного тока ИН в 7,95%.

- исследован процесс коммутации силовых ключей по методу одношагового прогноза среднего значения модулирующего сигнала с последующей пространственно-векторной модуляцией (ПВМ) выходного напряжения инвертора. Применение ПВМ на линейном участке регулирования позволило получить на нагрузке на 22 % больше напряжения и сократить коэффициент гармоник на 15,5 %, по сравнению с методом управления основанным на двухполярной ШИМ.

7. Спроектирован силовой модуль и системы управления экспериментальной установки ППЭ ВПТ. Проведены испытания подтверждающие адекватность полученных результатов теоретических и физических исследований.

Основное содержание диссертации отражено в публикациях:

Монографии и книги

1. Суяков, С.А. Инновационные технологии в ветроэнергетике / С.А. Суяков, С.Н. Удалов, A.A. Ачитаев, С.А. Суяков. - Saarbrücken:LAP LAMBERT Academic Publishing, 2014,- 160 с.

Научные работы, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК

2. Суяков, С.А. Автоматизированная система управления узлом нагрузки в рамках концепции построения интеллектуальных электрических сетей / С.А. Суяков, А.И. Чивенков, А.Б. Лоскутов, А.П. Антропов // Промышленная энергетика. 2012. №5. С. 4-10.

3. Суяков, С.А. Проблемы интеграции ветроустановок в единую энергетическую систему России / С.А. Суяков // Инженерный вестник Дона. 2014. №3. URL: http://ivdon.ru/uploads/art.iele/pdCTVD 98 suvakov.pdf 2534.pdf.

Научные работы, опубликованные в других изданиях

4. Суяков, С.А. Сравнительный анализ принципов управления автономным инвертором напряжения / А. И. Чивенков, С. А. Суяков // Будущее технической науки: IX Международная молодежная научно-техническая конференция, сборник тезисов докладов. - Н. Новгород, 2009. С. 83-84.

5. Суяков, С.А. Алгоритмы управления трехфазным автономным инвертором напряжения с применением современной аналоговой элементной базы / С.А. Суяков, С.А. Голубев, А.И. Чивенков // Актуальные проблемы электроэнергетики: Труды Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева. - Н. Новгород: НГТУ, 2009. Т. 77. С. 26-31.

6. Суяков, С.А. Математическая модель компенсатора коэффициента мощности с использованием энергии возобновляемых источников / А.И. Чивенков, А.П. Антропов, С.А. Суяков // Возобновляемые источники энергии: материалы VII научной молодежной школы с международным участием. -М.: МИРОС, 2010. С. 379-383.

7. Суяков, С.А. Вопросы автоматизации сопряжения параллельных источников энергии с различными параметрами / С.А. Суяков, А.П. Антропов, А.И. Чивенков // Электроэнергетика глазами молодежи: Научные труды Международной научно-технической конференции, сборник докладов. - Самара: СамГТУ, 2011. Т. 1. С. 271-275

8. Суяков, С.А. Нормирующие преобразователи действующего значения напряжения и тока / А.Г. Костерин, Д.В. Громов, С.А. Суяков // Информатизация и системы управления в промышлености. 2012. №03 (39). С. 42-45.

9. Суяков, С.А. Использование автоматизированной системы управления узлом нагрузки при построении интеллектуальных электрических сетей / А.И. Чивенков, С.А. Суяков // XVII Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки: материалы докладов. - Н.Новгород, 2012. - С. 135-136.

10. Суяков, С.А. Методы измерения и преобразования частотно-временных параметров сигналов / Д.В. Громов, С.А. Суяков // Информатизация и системы управления в промышлености. 2013. №03 (45). С. 19-23.

11. Suyakov, S.A. The technical complex of increasing energy efficiency of wind power station / S.A. Suyakov [and others] // 5th Int. Sci.-Tech. Conf. European Science and Technology. - Munich, 2013. P. 432-140.

Подписано в печать 14.09.2015. Формат 60 х 84 V|6. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1.0. Тираж 120 экз. Заказ 589.

Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева. Типография НГТУ. Адрес университета и полиграфического предприятия: 603950, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.