ХАРКIВСЬКИЙ ПОЛIТЕХНIЧНИЙ IНСТИТУТ”

Тугай Дмитро Васильович

УДК 621.314.26

Перетворювальні системи розподілених альтернативних електрОСтанцій, що забезпечують гарантоване електропостачання відповідального навантаження

Спеціальність 05.09.12 – напiвпровiдниковi перетворювачі електроенергії

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківській національній академії міського господарства Міністерства освіти і науки України, м. Харків.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор,

Ільїна Наталія Олександрівна,

Харківська національна академія міського господарства,

професор кафедри світлотехніки та джерел світла

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,

Щербак Яків Васильович,

Українська державна академія залізничного транспорту,

завідувач кафедри систем електричної тяги

кандидат технічних наук, доцент,

Петергеря Юлія Сергіївна,

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”,

доцент кафедри промислової електроніки

Провідна установа – Інститут електродинаміки НАН України, м. Київ

Захист відбудеться “ 5 “ липня 2005 р. о 1430 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 64.050.04 в Національному технічному університеті

“Харківський політехнічний інститут” за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”.

Автореферат розісланий “ 2 “ червня 2005 року

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Осичев О.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Економія електричної енергії і ресурсів, необхідних для її виробництва, є однією з пріоритетних задач не тільки в рамках енергетичної галузі, але також і на загальнодержавному рівні. Існування великої кількості державних програм, орієнтованих на енергозбереження, є цьому прямим підтвердженням. Величезний резерв економії міститься у використанні поновлюваних джерел енергії, а також прогресивних технологій у виробництві і розподілі електричної енергії.

Одним з перспективних напрямків розвитку сучасної енергетики є розробка і промислове використання електростанцій на основі альтернативних джерел енергії. Насамперед, необхідно відзначити сонячні електростанції на базі фотоелектричних батарей і вітрові електростанції. Обсяг електричної енергії, що виробляється у світі на вітрових і сонячних електростанціях, збільшується щорічно на 20%, і згідно з прогнозами міністерства енергетики США до 2020 року на частку альтернативних джерел енергії буде приходитися від 11% до 22% її світового виробництва. Високими темпами розвивається також мала енергетика, що використовує у якості джерела енергії паливні елементи. Електростанції на основі паливних елементів застосовуються, насамперед, як джерела безперервного живлення для підвищення надійності електропостачання відповідальних споживачів.

Можна стверджувати, що в енергетиці останнім часом формується новий напрямок – “Розподілене виробництво електричної енергії”, який в англомовній технічній літературі одержав назву “Distributed Power” (DP). Електрична енергія, що виробляється розподіленими електростанціями, використовується для забезпечення електропостачання відповідального об'єкта, а її надлишок передається в промислову мережу. Іншим варіантом режиму роботи є генерування заданої потужності в промислову мережу і живлення відповідального навантаження автономно від альтернативного джерела енергії у випадку зникнення напруги мережі.

Оскільки альтернативні електростанції не можуть бути виконані без використання пристроїв силової електроніки, можна стверджувати, що існує актуальна проблема: розробка перетворювальних систем, що забезпечують гнучкий зв'язок між альтернативною електростанцією, електричною мережею і споживачем. Як варіант розв’язання цієї проблеми в дисертаційній роботі вперше запропонована перетворювальна система на основі компенсованого керованого випрямляча (ККВ) і силового активного фільтра (САФ), яка відповідає за показниками електромагнітної сумісності з мережею живлення сучасним стандартам.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Дисертаційна робота пов’язана з тематикою науково-дослідних робіт кафедри світлотехніки та джерел світла ХНАМГ, та її результати використовувались при виконанні договору кафедри промислової та біомедичної електроніки НТУ “ХПІ”, що фінансувався з держбюджету Міністерства освіти і науки України за номерами ДП/81 “Розробка та дослідження компенсованих керованих випрямлячів”.

Мета і задачі дослідження

Метою дисертаційної роботи є розвиток теорії електромагнітно сумісних з мережею живлення перетворювальних систем, призначених для генерації в мережу електроенергії альтернативного джерела.

Для досягнення поставленої мети в дисертації вирішувалися наступні основні задачі:

- одержання розрахункових співвідношень для визначення миттєвих значень випрямленої напруги основних варіантів схем ККВ;

- аналіз закономірностей зміни величин гармонік у випрямленій напрузі і струмі мережі в схемах компенсованих керованих випрямлячів, з одержанням розрахункових співвідношень;

- дослідження характеристик підвищувального широтно-імпульсного перетворювача (ШІП) у системі розподіленого електропостачання;

- аналіз основних режимів роботи і розробка алгоритмів керування перетворювальними системами розподіленої електростанції;

- порівняльне техніко-економічне зіставлення варіантів перетворювальних систем розподіленої електростанції;

- створення комп'ютерних моделей перетворювальних систем для перевірки отриманих теоретичних висновків і співвідношень у квазіусталених і перехідних режимах роботи.

Об'єктом дослідження є електромагнітна сумісність вентильних перетворювачів з живильною мережею.

Предметом дослідження є робочі характеристики і способи керування перетворювальними системами розподілених електростанцій в основних режимах роботи.

Методи дослідження. При рішенні поставлених у дисертаційній роботі задач використовувалися: теорія електричних кіл при аналізі електромагнітних процесів і характеристик схем; метод гармонійного аналізу (розкладання в ряд Фур'є) для визначення величин гармонік випрямленої напруги і струму мережі; сучасні теорії потужності для побудови алгоритмів керування перетворювальними системами; методи математичного і фізичного моделювання при дослідженні режимів роботи розподіленої електростанції.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

- визначено ефективність використання в розподілених електростанціях перетворювальних систем на основі компенсованих керованих випрямлячів, що мають більш високий ККД і меншу вартість, ніж перетворювальні системи інших типів;

- на підставі аналізу основних режимів роботи розподіленої електростанції вперше розроблено методику керування перетворювальною системою, що відрізняється урахуванням можливих змін напруги джерела енергії, стану мережі живлення і характеру навантаження;

- доведено залежність між величиною кутів комутації й амплітудами гармонік компенсованого керованого випрямляча і показано, що збільшення кутів комутації призводить до зменшення амплітуд гармонік у випрямлювальному режимі і збільшення в інверторному режимі на 5-12%;

- вперше обґрунтовано вплив змінної складової випрямленого струму на величини вищих гармонік керованого випрямляча і показано, що найбільша похибка загальноприйнятих теоретичних наближених співвідношень виникає при визначенні п'ятої та сьомої гармонік і може перевищувати 25%;

- визначено область використання сучасних теорій потужності для побудови ефективних систем керування основними типами вентильних перетворювачів розподілених електростанцій.

Практичне значення одержаних результатів:

- створено ряд схем на основі компенсованих керованих випрямлячів для розподілених електростанцій, використання яких можливо й в інших галузях промисловості;

- розроблено схему перетворювальної системи на основі компенсованого керованого випрямляча, яка забезпечує необхідну якість електричної енергії, що генерується, а також автономне електропостачання відповідального споживача при аварійних ситуаціях мережі живлення;

- створено алгоритм керування, що забезпечує роботу розподіленої електростанції в основних режимах;

- створено комп'ютерну модель локального об'єкта електропостачання, що включає в себе мережу живлення, два незалежних альтернативних джерела енергії, перетворювальну систему, виконану на основі компенсованого керованого випрямляча і силового активного фільтра, відповідальне й інше електричне навантаження. Модель дозволяє одержати необхідні робочі характеристики схеми розподіленої електростанції в квазіусталених і перехідних режимах, що уможливлює її використання при проектуванні промислових зразків перетворювальних систем DP електростанції;

- оцінено вплив змінної складової випрямленого струму на характеристики керованого випрямляча. Отримані результати можуть бути перенесені на інші схеми керованих випрямлячів, у тому числі компенсованих, а також використовуватися при проектуванні пасивних і активних силових фільтрів.

Особистий внесок здобувача в розробку наукових результатів, що виносяться на захист:

- вимоги до перетворювальних систем DP електростанції;

- аналіз випрямленої напруги ККВ по шестипульсній і дванадцятипульсній паралельним схемам у позакомутаційних інтервалах;

- розрахункові співвідношення для оцінки впливу змінної складової випрямленого струму на зовнішні характеристики, кут комутації, величину гармонік струму мережі і перевірка отриманих співвідношень на віртуальному лабораторному стенді;

- співвідношення для визначення величин гармонік випрямленої напруги і струму мережі ККВ у повному діапазоні зміни кута керування;

- розрахункові формули для визначення максимально можливої напруги на виході підвищувального широтно-імпульсного перетворювача в системі розподіленого електропостачання, а також розробка комп'ютерної моделі підвищувального перетворювача;

- способи й алгоритми керування розподіленою електростанцією на базі ККВ, а також на базі активного керованого випрямляча (АКВ) в основних режимах роботи, а також комп'ютерні моделі розподілених електростанцій;

- застосування сучасних теорій потужності для побудови ефективних систем керування вентильними перетворювачами, які є електромагнітно сумісними з мережею живлення.

Апробація результатів дисертації

Матеріали дисертації доповідалися й обговорювалися на міжнародних науково-технічних конференціях: Міжнародній конференції “Проблеми сучасної електротехніки” (м. Київ, 2002, 2004 р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Силова електроніка і енергоефективність” (м. Алушта, 2003, 2004 р.); Міжнародній науково-технічна конференції “Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика” (м. Алушта, 2002) та семінарах “Силова та біомедична електроніка” наукової ради НАН України з комплексної проблеми “Наукові основи електроенергетики” (м. Харків, каф. ПЕіБ НТУ “ХПІ”, 2004).

Публікації

Основний зміст дисертації викладений у 12 публікаціях, надрукованих у фахових виданнях ВАК України.

Структура й обсяг дисертаційної роботи

Дисертація складається зі вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатка. Повний обсяг роботи становить 206 сторінок, у тому числі 160 сторінок основного тексту, 75 ілюстрацій по тексту, 20 таблиць, 1 додаток на 6 сторінках, 91 найменувань використаних літературних джерел на 10 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовані актуальність і доцільність роботи, сформульовані мета і задачі наукового дослідження, приведені дані про зв'язок роботи з науковими програмами, показана наукова новизна, практичне значення і реалізація результатів дисертаційних досліджень, приведені дані про їхню апробацію, публікацію і впровадження.

У першому розділі розглянуто сучасний стан і тенденції розвитку нового напрямку в енергетиці – розподіленого виробництва електроенергії (Distributed Generation). Показано перспективу використання розподілених електростанцій на основі двох чи декількох альтернативних джерел енергії, таких як сонячні батареї, вітрогенератори або паливні елементи, здатних генерувати в мережу електроенергію високої якості і забезпечувати гарантоване електропостачання відповідального навантаження у випадку відключення мережі живлення.

Сформульовано вимоги до перетворювальних систем розподілених електростанцій, відповідно до яких розподілені електростанції повинні генерувати активну потужність в мережу і навантаження при оптимальних для джерела енергії напрузі і струмі, здійснювати, при необхідності, генерацію, споживання або повну компенсацію реактивної потужності в мережі змінного струму, подавлювати вищі гармоніки в струмі мережі до рівня коефіцієнта несинусоідальності 0.05...0.07, а у випадку аварійного відключення мережі змінного струму DP електростанція повинна підтримувати задану напругу і частоту на відповідальному навантаженні. При поновленні роботи мережі електростанція повинна забезпечувати зворотний перехід з автономного режиму в номінальний.

Показано, що перерахованим вимогам відповідають три типи перетворювальних систем, дві з яких найбільш часто використовуються в системах розподіленої генерації – це перетворювальна система на основі активного керованого випрямляча і перетворювальна система на основі АКВ і підвищувального широтно-імпульсного перетворювача (ШІП) постійної напруги в постійну. Третя перетворювальна система DP електростанції, використання якої вперше запропоновано в роботі, – перетворювальна система на основі компенсованого керованого випрямляча і силового активного фільтра, – є альтернативою двом першим системам, що має більш високий коефіцієнт корисної дії (ККД).

Перетворювальна система на основі АКВ, що показана на рис.1а, являє собою шестипульсний міст, виконаний на силових IGBT транзисторах, які працюють з постійною частотою широтно-імпульсної модуляції (ШІМ). Перехід з режиму генерації електроенергії в мережу до автономного режиму електропостачання відповідального навантаження здійснюється зміною системи керування транзисторами без видозмінення силової частини.

Рис.1. Перетворювальні системи DP електростанцій

Показано, що поряд з очевидною перевагою, що полягає в простоті силової схеми і системи керування, перетворювальна система на основі АКВ має недолік – мінімально можлива напруга на конденсаторі С (див. рис.1а) повинна лежати в межах 1.25...1.5 від амплітуди лінійної напруги вентильних обмоток трансформатора, який обмежує діапазон робочих напруг на виході перетворювача. Перетворювальна система на основі АКВ і підвищувального ШІП позбавлена зазначеного недоліку, однак завдяки використанню додаткового перетворювача має менший ККД, ніж перетворювальна система на основі ККВ і САФ, схема силових ланцюгів якої представлена на рис.1б. Силова частина ККВ складається з двох, включених паралельно, вентильних мостів, виконаних відповідно на GTO і одноопераційних тиристорах. Вентильний міст на GTO тиристорах працює з негативними кутами керування, відлічуваними від моменту природного включення, а вентильний міст на одноопераційних тиристорах працює з позитивними кутами керування, відлічуваними убік відставання від цього ж моменту часу.

Обґрунтовано принцип роботи перетворювальної системи на основі ККВ у номінальному режимі роботи електростанції, відповідно до якого ККВ виконує функцію генерації потужності в мережу живлення, а САФ виконує три функції: здійснює корекцію форми струмів мережі, виводить у мережу енергію, що накопичується в індуктивностях вентильних обмоток у моменти запирання GTO тиристорів, і регулює величину реактивної потужності на виході електростанції. В автономному режимі роботи силова частина схеми ККВ видозмінюється, трансформуючись в підвищувальний ШІП, підключений до вхідних затискачів автономного інвертора напруги (АІН), як показано на рис.1в. Співвідношення між потужністю DP електростанції і потужністю відповідального навантаження приймається рівним

(1)

Розглянуто можливість використання сучасних теорій потужності, таких як p-q теорія, крос-векторна теорія, p-q-r теорія, для побудови систем керування перетворювачами DP електростанцій. Сучасні теорії потужності дозволяють реалізувати роботу систем керування як компенсаторів реактивної потужності, так і систем генерації електроенергії, забезпечуючи при цьому близьку до синусоїдальної форму струму мережі. Описано основні відмінності сучасних теорій потужності, що полягають у ступені їхньої ефективності при компенсації струмів у нульовому проводі при викривлених і несиметричних напругах мережі, і що зумовлюють їх області застосування. Показано, що для аналізу і розуміння електромагнітних процесів у трифазних симетричних і однофазних ланцюгах із синусоїдальними напругами і струмами досить понять “миттєва активна потужність”, “середня активна потужність”, “енергія”, що мають загальноприйнятий фізичний зміст. Поняття “миттєва реактивна потужність”, “середня реактивна потужність”, “коефіцієнт потужності” доцільно вводити в тому випадку, якщо розрахунок цих величин, їх вимірювання і регулювання, дозволяє зменшити потужність втрат у системі – на рішення цієї задачі орієнтовані сучасні теорії потужності.

Відзначено, що для перевірки результатів теоретичних досліджень електромагнітних процесів у ККВ, визначення характеристик DP електростанції в номінальному, автономному і перехідному режимах необхідне створення спеціалізованих, працюючих у реальному масштабі часу, комп'ютерних моделей перетворювальних систем, що враховують всі параметри мережі живлення, елементів силової схеми перетворювачів, навантаження і системи автоматичного керування, яка має реальну структуру.

В другому розділі досліджені характеристики декількох схем ККВ, використання яких можливе в перетворювальних системах розподілених електростанцій. Отримано розрахункові формули для визначення випрямленої напруги ККВ, виконаних за шестипульсною і дванадцятипульсною паралельною з загальною вентильною обмоткою трансформатора схемами, у повному діапазоні зміни кута керування. З’ясовано, що накладення інтервалів комутації в схемі шестипульсного ККВ відбувається при значеннях кута керування ?=р/6, р/2, 5р/6. ?ри ?=р/6 ? Uc=1.5Eam, а також при ?=5р/6 ? 1.25Eam=Uc=1.5Eam комутації струму проходять по черзі: спочатку комутація в GTO тиристорах, а потім – комутація в одноопераційних тиристорах. Накладення інтервалів комутації в ККВ за дванадцятипульсною паралельною схемою з загальною вентильною обмоткою перетворювального трансформатора відбувається при значеннях кута керування ?=р/6, р/3, р/2, 2р/3, 5р/6. ?ри ?=р/6 ? 5р/6 ?омутації проходять по черзі: спочатку комутація в GTO тиристорах, а потім – комутація в одноопераційних тиристорах. При ?=р/3 і 2?/3 комутації проходять одночасно, причому комутація в одноопераційних тиристорах закінчується раніше ?G>гT. Показано, що при урахуванні кутів комутації ?G і ?Т амплітуди як основної, так і вищих гармонік випрямленої напруги шестипульсного ККВ визначаються для трьох інтервалів зміни кута керування 0<?<р/6, р/6<б<р/2, р/2<б<5р/6 ? різних співвідношень, а для ККВ за дванадцятипульсною паралельною схемою для шести інтервалів зміни кута ? (0<б<р/6, р/6<б<р/3, р/3<б<р/2, р/2<б<2р/3, 2р/3<б<5р/6, 5р/6<б<р) ?акож з різних співвідношень, отриманих у дисертації. Спостерігається збільшення амплітуд вищих гармонік у інверторному режимі роботи ККВ зі збільшенням відносного значення напруги короткого замикання перетворювального трансформатора (рис.2).

Отримано уточнене співвідношення для зовнішньої характеристики керованого випрямляча (КВ), що враховує амплітуду змінної складової струму навантаження

(2)

де Ud0 – напруга ідеального холостого ходу КВ; Id – номінальний випрямлений струм; Id – поточне значення середнього випрямленого струму; ek – відносне значення сумарної напруги короткого замикання; а – відносна амплітуда пульсації струму навантаження; Ud – сумарне падіння напруги за рахунок активних опорів обмоток трансформатора, кабелів, динамічного опору тиристорів і їхньої граничної напруги. Також отримане уточнене співвідношення для визначення гармонік струму мережі КВ, що враховує змінну складову струму навантаження:

(3)

де I1kYm* – відносна амплітуда k-тої гармоніки струму мережі шестипульсного мостового КВ у частках Id/kТРЭ; I1kтрапm*, I1k~m* – відповідно відносні амплітуди k-тих гармонік струму, обумовлені трапецеїдальною і пульсаційною складовими.

(4)

Внаслідок пульсацій струму навантаження відбувається збільшення амплітуди п'ятої гармоніки струму мережі і зменшення амплітуд сьомої, одинадцятої і тринадцятої гармонік.

У третьому розділі розглянуті режими роботи перетворювальної системи розподіленої електростанції: номінальний і автономний режим, а також перехід з першого режиму в другий і зворотно. Розроблено систему керування перетворювачами, що забезпечує зазначені вище режими роботи. Система керування тиристорами вентильних мостів ККВ (рис.3) дозволяє реалізувати три основних способи роботи розподіленої електростанції в номінальному режимі:

1) Idref=var, PDPS=var, Ed=const – регулювання електростанцією потужності, що генерується, при постійній напрузі альтернативного джерела;

2) Idref=var, PDPS=const, Ed=var – підтримка постійної потужності електростанції при зміні напруги сонячної батареї або паливних елементів;

3) Idref=const, PDPS=var, Ed =var – генерування потужності при незмінному завданні за струмом навантаження і при зміні напруги альтернативного джерела енергії.

Запропоновано системи керування, виконані з використанням сучасних теорій потужності, що забезпечують номінальний режим роботи DP електростанції на основі АКВ. На рис.4 наведена структурна схема системи керування АКВ, побудована на основі p-q теорії.

У p-q теорії миттєві активна і реактивна потужності визначаються з використанням перетворень Кларка – у , координатах. Для напруг у координатах ,:

. (5)

Рис.4. Система керування АКВ

Така ж форма запису зберігається і для струмів i, i із заміною фазних напруг на фазні струми. Миттєва активна і реактивна потужності на виході електростанції визначаються як:

. (6)

Миттєву активну і реактивну потужності можна розкласти на дві складові: постійну і змінну:

, (7)

, (8)

Для номінального режиму роботи розподіленої електростанції корисною є постійна складова активної потужності P, обумовлена основною гармонікою струму мережі прямої послідовності. При відпрацьовуванні завдання тільки за постійною складовою активної потужності фазні напруги і струми на виході електростанції знаходяться в протифазах. Якщо в номінальному режимі роботи передбачена можливість споживання або генерації реактивної потужності в мережу, то корисною також буде постійна складова реактивної потужності Q. Змінні складові активної і реактивної потужності відфільтровуються за допомогою Lowpass-фільтрів, що вводяться в систему автоматичного регулювання. Для роботи АКВ необхідно мати завдання миттєвих значень фазних струмів у координатах a,b,c, що визначаються після інвертування матриць (6) і (5)

. (9)

Перевірка працездатності системи керування здійснювалася за допомогою розроблених комп'ютерних моделей розподілених електростанцій на основі ККВ і на основі АКВ, що працюють у реальному масштабі часу. На рис.5 представлені осцилограми напруг і струмів, що відбивають роботу електростанції на основі ККВ у номінальному й автономному режимах роботи. На першій зверху осцилограмі рис.5а показано зміну струму навантаження Id у залежності від зміни режиму роботи електростанції. Завдання за струмом навантаження Idref при зворотному переході в номінальний режим залишається незмінним. На другій осцилограмі (див. рис.5б) показані відповідно напруга на конденсаторі САФ UC, сумарна випрямлена напруга ud і напруга на виході альтернативного джерела енергії Еd. З осцилограм видно, що в номінальному режимі ККВ чітко відпрацьовує струм завдання, а САФ підтримує на конденсаторі постійну напругу. На третій осцилограмі (рис.5в) показано напругу і струм фази А на виході розподіленої електростанції. Значення струму на виході електростанції приведені у відносних одиницях ia*=ia·kTP/IdH, де kTP – коефіцієнт трансформації трансформатора Т1; IdH – номінальний струм ККВ. Як видно з рис.5в, у номінальному режимі напруга і струм на виході електростанції знаходяться в протифазі. САФ підтримує синусоїдальну форму струму мережі. На четвертій осцилограмі (рис.5г) приведено напругу і струм фази А відповідального навантаження. Час переходу з номінального режиму в автономний дорівнює 20...25 ms.

На рис.6а-6в показані осцилограми напруги і струму відповідального навантаження фази А для трьох теорій потужності (p-q, id-iq методу, p-q-r) при симетричних синусоїдальних напругах мережі і переході з номінального режиму в автономний і зворотно. Перехід з номінального режиму в автономний здійснюється за час, що дорівнює одному періоду напруги мережі живлення. На рис.6г приведено осцилограми напруги і струму фази А відповідального навантаження при стрибкоподібній зміні напруги джерела живлення в діапазоні 500-700 V.

Вивчено можливість застосування підвищувального ШІП у системах розподіленої генерації. Отримано аналітичні співвідношення для розрахунку вхідного струму, параметра регулювання, граничного струму і мінімальної вхідної напруги підвищувального широтно-імпульсного перетворювача постійної напруги в постійну, працюючого в системі розподіленого електропостачання. При отриманні формул враховувався той факт, що напруга на виході перетворювача повинна залишатися постійною при зміні струму навантаження і напруги джерела живлення. За умови, сталості напруги на виході перетворювача, що працює в системі розподіленого електропостачання, можлива зміна напруги джерела живлення обмежується наступними межами:

(10)

де UC – напруга на конденсаторі; RЭ – еквівалентний активний опір; IH – вихідний струм перетворювача.

У четвертому розділі проведене техніко-економічне зіставлення двох варіантів перетворювальних систем – на основі ККВ і на основі АКВ у номінальному режимі роботи електростанції. Показано, що при зміні напруги альтернативного джерела в широких межах, наприклад у 2 рази, вартість ККВ перевищує вартість АКВ на 15%, однак ККД ККВ при збільшенні вхідної напруги джерела виростає, у той час як ККД АКВ зменшується. При номінальній потужності 2 MW ККД ККВ перевищує ККД АКВ на 2.4%. Тому при kmax?2 доцільно використовувати ККВ. Залежність ККД перетворювальних систем від параметра k, що визначає відхилення напруги джерела від мінімальної величини, наведена на рис.7 для чотирьох значень kmax. Параметр kmax характеризує відношення максимально можливої напруги джерела до мінімально можливої.

Отримані в другому і третьому розділах теоретичні результати перевірені за допомогою створених комп'ютерних моделей перетворювачів. Методика побудови кривих випрямленої напруги перевірена за допомогою розробленої комп'ютерної моделі шестипульсного компенсованого керованого випрямляча. Отримано практичний збіг теоретичних і експериментальних результатів. Експериментальне вимірювання амплітуд вищих гармонік випрямленої напруги і струму мережі, здійснене на комп'ютерній моделі шестипульсного ККВ, підтвердило справедливість отриманих у дисертаційній роботі аналітичних співвідношень. Перевірка на комп'ютерній моделі керованого випрямляча потужністю 2062 kW отриманих уточнених співвідношень для визначення зовнішніх характеристик і гармонік струму мережі, з’ясувала високу точність збігу результатів. Для перевірки отриманих розрахункових співвідношень була синтезована комп'ютерна модель підвищувального широтно-імпульсного перетворювача. Отримано практичний збіг результатів розрахунку характеристик ШІП з результатами, комп'ютерного моделювання при зміні напруги джерела живлення і струму навантаження.

Виконано експериментальну перевірку отриманих у роботі теоретичних співвідношень і результатів комп'ютерного моделювання. Для цієї цілі використовувався мікроконтролер фірми Texas Instruments TMS320, запрограмований на реалізацію алгоритму керування GTO і одноопераційними тиристорами мостів ККВ, а також АКВ. Програмування контролерів TMS320 дозволяє реалізувати алгоритми керування транзисторами САФ, АКВ а також АІН, що підтримує незмінну за амплітудою і частотою напругу на відповідальному навантаженні в автономному режимі. У такий спосіб була доведена можливість реалізації результатів комп'ютерного моделювання в реальному фізичному зразку.

ВИСНОВКИ

Науково-практичні результати, отримані в дисертаційній роботі, вносять вклад у розвиток теорії компенсованих вентильних перетворювачів, а також систем розподіленої генерації електроенергії, дозволяють розраховувати основні робочі характеристики, моделювати режими роботи і синтезувати схеми автоматичного керування перетворювальними системами розподілених електростанцій.

1. Обґрунтована можливість використання перетворювальних систем на основі компенсованого керованого випрямляча і силового активного фільтра в розподілених електростанціях, що живляться позмінно від двох або декількох альтернативних джерел електричної енергії, одним із яких є батарея паливних елементів, а іншим – сонячна батарея або вітрогенератор.

2. З використанням сучасних теорій потужності розроблені схеми керування перетворювальними системами в номінальному режимі роботи розподіленої електростанції, що забезпечують генерацію в мережу живлення активної потужності при близькій до синусоїдальної форми струмів мережі, а також плавне регулювання або підтримку нульового значення реактивної потужності. Запропоновані схеми дозволяють підтримувати незмінним задане значення потужності на виході електростанції при зміні напруги альтернативного джерела в широких межах.

3. Для обох схем перетворювальних систем, розглянутих у дисертаційній роботі, першої – на основі компенсованого керованого випрямляча, другої – на основі активного керованого випрямляча, запропоновані алгоритми керування, які крім номінального режиму, що відповідає генерації встановленої потужності в мережу живлення, забезпечують автономний режим електропостачання відповідального навантаження від одного з альтернативних джерел при зникненні напруги в мережі, а також перехід з першого режиму в другий і зворотно.

4. Проаналізовано криві випрямленої напруги, регулювальні характеристики і процеси комутації струму шестипульсного і дванадцятипульсного компенсованих керованих випрямлячів при регулюванні за законом: ?=|бG|=бT. Установлено, що при накладенні комутацій у тиристорах різних вентильних груп їх черговість залежить від відносної величини напруги на конденсаторі силового активного фільтра і від величини кута керування. Показано, що при врахуванні кутів комутації ?G і ?Т спостерігається збільшення амплітуд вищих гармонік у інверторному режимі роботи ККВ при збільшенні відносного значення напруги короткого замикання перетворювального трансформатора.

5. На підставі результатів, отриманих при аналізі гармонійного складу струмів мережі шестипульсного і дванадцятиЯульсного ККВ з тиристорно-GTО-тиристорними вентильними групами, зроблено висновок про недоцільність їх використання в DP електростанціях. Перспективними для DP електростанцій є перетворювальні системи на основі дванадцятипульсного ККВ із загальною вентильною обмоткою перетворювального трансформатора з паралельним включенням шестипульсних мостів відповідно на GTO і одноопераційних тиристорах.

6. Проаналізовано вплив пульсацій струму навантаження КВ на їх кути комутації, зовнішні характеристики і вищі гармоніки струму мережі. Показано, що в шестипульсному керованому випрямлячі при 8% амплітуді пульсацій струму Id у номінальному режимі реальні кути комутації на 7% менше розрахованих при еk=0.1 і допущенні Id=const. За рахунок пульсацій струму навантаження відбувається збільшення амплітуди п'ятої гармоніки струму мережі і зменшення амплітуд сьомої, одинадцятої і тринадцятої гармонік. Похибка розрахунку за наближеним співвідношенням при Id=const для п'ятої і сьомої гармонік струму мережі КВ середньої і великої потужності може перевищувати 25%. Нахил зовнішніх характеристик, отриманих за уточненим співвідношенням, на 2% більше нахилу зовнішніх характеристик за загальноприйнятим співвідношенням.

7. Комп'ютерне моделювання розподіленої електростанції дозволило одержати робочі характеристики в обох режимах роботи і перевірити перехід з одного режиму в іншій. Отримані характеристики електростанції номінальною потужністю 1MW, дозволяють зробити висновок про працездатність і коректну роботу схеми на основі ККВ і САФ. Як показала перевірка на комп'ютерній моделі розподіленої електростанції на основі АКВ, використання сучасних теорій потужності дозволяє синтезувати швидкодіючі системи керування, що генерують в мережу електроенергію високої якості і роблять швидкий перехід з номінального режиму в автономний і зворотно.

8. Отримано аналітичні співвідношення для розрахунку вхідного струму, параметра регулювання, граничного струму і мінімальної вхідної напруги підвищувального широтно-імпульсного перетворювача постійної напруги в постійну, працюючого в системі розподіленого електропостачання. При одержані формул враховано те, що напруга на виході перетворювача повинна залишатися постійною при зміні струму навантаження і напруги джерела живлення. Підвищення вихідної напруги можливе в тому випадку, якщо падіння напруги на еквівалентному опорі не перевищує 25% від напруги джерела живлення.

9. На підставі техніко-економічного зіставлення двох основних типів перетворювальних систем показано, що при зміні напруги альтернативного джерела в широких межах вартість ККВ перевищує вартість АКВ, однак ККД ККВ при збільшенні вхідної напруги джерела виростає, у той час як ККД АКВ зменшується. При k=kmax=2 ККД ККВ перевищує ККД АКВ на 2.4%. Тому при відхиленнях напруги джерела більш ніж у два рази доцільно використовувати ККВ.

10. Для перевірки теоретичних результатів були створені моделі шестипульсного і дванадцятипульсного ККВ, а також модель підвищувального ШІП. Зіставлення результатів моделювання з результатами розрахунку, що засновані на використанні отриманих у роботі співвідношень, показало їх практичний збіг.

11. Обґрунтовані в дисертації наукові рекомендації і результати, впроваджені у виробничій процес в НДІ “ХЕМЗ" та НВП “ЭОС” (м. Харків), а також використовуються в навчальному процесі на кафедрі промислової та біомедичної електроніки НТУ “ХПІ”.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Жемеров Г.Г., Ильина Н.А., Тугай Д.В. Преобразователи на основе компенсированных управляемых выпрямителей в системах распределенного производства электрической энергии // Технічна електродинаміка. – Київ, 2002. – Tем. вип. - Ч. 5. - C. 55-58.

Здобувачу належить формулювання вимог до перетворювальних систем DP електростанцій.

2. Жемеров Г.Г., Ильина Н.А., Крылов Д.С., Тугай Д.В. Выпрямленное напряжение шестипульсного компенсированного управляемого выпрямителя // Вісник Національного технічного університету ”Харківський політехнічний інститут”. – Харків: НТУ ”ХПІ”. – 2002. – Вип. 12, Т.1. - C. 235-241.

Здобувачу належить аналіз випрямленої напруги ККВ у позакомутаційних інтервалах.

3. Жемеров Г.Г., Тугай Д.В. Уточненный расчет внешних характеристик управляемого выпрямителя // Вісник Національного технічного університету ”Харківський політехнічний інститут”. – Харків: НТУ ”ХПІ”. – 2003. - № 5. - С. 133-140.

Здобувачем одержана розрахункова формула для уточнення зовнішніх характеристик КВ.

4. Жемеров Г.Г., Ильина Н.А., Тугай Д.В. Гармоники в выпрямленном напряжении шестипульсного компенсированного управляемого выпрямителя // Технічна електродинаміка. – Київ, 2002. - №4.- С. 23-29.

Здобувачу належить одержання розрахункових співвідношень для розрахунку величин гармонік в випрямленій напрузі шестипульсного ККВ.

5. Жемеров Г.Г., Тугай Д.В. Гармоники сетевого тока шестипульсного мостового управляемого выпрямителя, обусловленные пульсациями тока нагрузки // Технічна електродинаміка. – Київ, 2002. - №6. - С. 21-24.

Здобувачем одержано розрахункове співвідношення для пульсаційної складової струму мережі КВ.

6. Жемеров Г.Г., Ильина Н.А., Тугай Д.В. Влияние переменной составляющей выпрямленного тока на характеристики управляемого выпрямителя // Технічна електродинаміка. – Київ, 2003. - Tем. вип. - Ч. 2. - C. 3-6.

Здобувачу належить перевірка одержаних уточнених співвідношень на віртуальному лабораторном стенді шестипульсного КВ.

7. Жемеров Г.Г., Ильина Н.А., Тугай Д.В. Характеристики повышающего широтно-импульсного преобразователя постоянного напряжения в постоянное в системе распределенного электроснабжения // Электричество. – М., 2004. - №12. - C. 38-45.

Здобувачу належить одержання розрахункової формули для визначення максимально можливої напруги на виході підвищувального широтно-імпульсного перетворювача у системі розподіленого електропостачання, а також розробка комп’ютерної моделі підвищувального перетворювача.

8. Жемеров Г.Г., Ильина Н.А., Тугай Д.В. Режимы работы распределенной электростанции, обеспечивающей бесперебойное питание ответственной нагрузки // Технічна електродинаміка. – Київ, 2004. - Tем. вип. - Ч.7. - C. 50-55.

Здобувачу належить розробка функціональної схеми системи керування ККВ, а також розробка комп’ютерної моделі DP електростанції.

9. Жемеров Г.Г., Крылов Д.С., Тугай Д.В. Система составляющих полной мощности и энергетических коэффициентов на основе p-q-r теории мощности // Технічна електродинаміка. – Київ, 2004. - Tем. вип - Ч.6. - C. 69-74.

Здобувачу належить визначення форми напруги up в p-q-r теорії потужності.

10. Жемеров Г.Г., Ильина Н.А., Тугай Д.В. Выпрямленное напряжение компенсированного управляемого выпрямителя по двенадцатипульсной параллельной схеме с общей вентильной обмоткой преобразовательного трансформатора // Технічна електродинаміка. – Київ, 2004. - Tем. вип. - Ч.2. - C. 3-8.

Здобувачу належить аналіз випрямленої напруги ККВ у повному діапазоні зміни кута керування.

11. Жемеров Г.Г., Ильина Н.А., Тугай Д.В. Системы управления активными управляемыми выпрямителями, выполненные на основе современных теорий мощности // Вісник Національного технічного університету ”Харківський політехнічний інститут”. – Харків: НТУ ”ХПІ”. – 2004. – Вип. 43. - C. 135-141.

Здобувачу належить розробка алгоритмів керування і комп’ютерної моделі перетворювальної системи розподіленої електростанції на основі АКВ.

12. Жемеров Г.Г., Тугай Д.В. Мгновенные и средние активные и реактивные мощности в линейных цепях с синусоидальными напряжениями // Вісник Національного технічного університету ”Харківський політехнічний інститут”. – Харків: НТУ ”ХПІ”. – 2004. – Вип. 43. - C. 153-160.

Здобувачу належить обґрунтування застосування сучасних теорій потужності для синтезу ефективних систем керування вентильними перетворювачами.

АНОТАЦІЇ

Тугай Д.В. Перетворювальні системи розподілених альтернативних електростанцій, що забезпечують гарантоване електропостачання відповідального навантаження. – Рукопис.

Дисертація на здобуття ученого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.09.12 – напівпровідникові перетворювачі електроенергії. – Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут” – Харків - 2005.

Дисертація присвячена подальшому розвитку теорії перетворювальних систем електромагнітно сумісних з мережею живлення, призначених для генерації в мережу електроенергії альтернативного джерела і підтримки гарантованого електропостачання відповідального навантаження.

Сформульовані основні вимоги до перетворювальних систем розподілених електростанцій.

На основі сучасних теорій потужності для номінального режиму роботи розподіленої електростанції розроблені алгоритми керування перетворювальними системами, що забезпечують генерацію у живлячу мережу активної потужності при синусоїдальній формі струмів мережі, а також плавне регулювання або підтримку нульового значення реактивної потужності.

Проведено аналіз кривих миттєвих значень випрямленої напруги шестипульсного і дванадцатипульсного компенсованих керованих випрямлячів з одержанням розрахункових співвідношень у повному діапазоні зміни кутів керування.

Проведено гармонічний аналіз випрямленої напруги ККВ і струму мережі для шестипульсної та дванадцятипульсної схем.

Отримано уточнені співвідношення для зовнішніх характеристик керованого випрямляча, величин кутів комутації та гармонік струму мережі, що ураховують амплітуду змінної складової току навантаження.

Розроблені комп’ютерні моделі розподілених електростанцій, що дозволяють отримати робочі характеристики в основних режимах роботи. Обґрунтованість і вірогідність приведених у роботі положень і рекомендацій підтверджена близькістю результатів теоретичних і експериментальних досліджень.

Ключеві слова: компенсований керований випрямляч, активний керований випрямляч, силовий активний фільтр, розподілене виробництво електроенергії, сучасні теорії потужності.

Тугай Д.В. Преобразовательные системы распределенных альтернативных электростанций, обеспечивающие гарантированное электроснабжение ответственной нагрузки. – Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.09.12 – полупроводниковые преобразователи электроэнергии. – Национальный технический университет “Харьковский политехнический институт”- Харьков- 2005.

Диссертация посвящена развитию теории электромагнитно совместимых с питающей сетью преобразователей систем, предназначенных для генерации в сеть электроэнергии альтернативного источника и поддержания бесперебойного электроснабжения ответственной нагрузки.

Предложено использование преобразовательных систем на основе компенсированного управляемого выпрямителя и силового активного фильтра в распределенной электростанции, питающихся попеременно от двух или нескольких источников электрической энергии, одним из которых является батарея топливных элементов, а другим – солнечная батарея или ветрогенератор.

Сформулированы основные требования к преобразовательным системам распределенных электростанций.

На основе современных теорий мощности для номинального режима работы распределенной электростанции разработаны алгоритмы управления преобразовательными системами, обеспечивающие генерацию в питающую сеть активной мощности при синусоидальной форме сетевых токов, а также плавное регулирование или поддержание нулевого значения реактивной мощности. Алгоритм позволяет поддерживать неизменным заданное значение мощности на выходе электростанции при изменении напряжения альтернативного источника в широких пределах.

Проведен анализ кривых мгновенных значений выпрямленного напряжения шестипульсного и двенадцатипульсного компенсированных управляемых выпрямителей с получением расчетных соотношений в полном диапазоне изменения углов управления при регулировании по закону: ?=|бG|=бT. Установлено, что количество расчетных соотношений различно в зависимости от схемы КУВ, и соответствует количеству значений углов управления, при которых происходит наложение коммутаций GTO и однооперационных тиристоров. Определены условия одновременности и по очередности прохождения коммутаций при наложении.

Показано, что при учете углов коммутации GTO и однооперационных тиристоров ?G и ?Т наблюдается увеличение амплитуд высших гармоник в инверторном режиме работы КУВ, выполненных как по шестипульсной, так и по двенадцатипульсной параллельной схемам, с увеличением относШтельного значения напряжения короткого замыкания преобразовательного трансформатора.

Получены уточненные соотношения для внешней характеристики УВ, величин углов коммутации и гармоник сетевого тока, учитывающее амплитуду переменной составляющей тока нагрузки.

Разработаны компьютерные модели распределенной электростанции на основе АУВ и на основе КУВ, позволяющие получить рабочие характеристики в номинальном режиме, соответствующем генерации электроэнергии в сеть, и автономном режиме, соответствующем электроснабжению ответственной нагрузки от альтернативного источника. Кроме того, разработанная модель позволяет проверить работу электростанции при переходе из номинального режима в автономный и обратно.

Получены аналитические выражения для расчета входного тока, параметра регулирования, граничного тока и минимального входного напряжения повышающего широтно-импульсного преобразователя постоянного напряжения в постоянное, работающего в системе распределенного электроснабжения. При выводе формул учитывался тот факт, что напряжение на выходе преобразователя должно оставаться постоянным при изменении тока нагрузки и напряжения источника питания.

Проведено технико-экономическое сопоставление двух преобразовательных систем распределенных электростанций (КУВ и АУВ), на основании которого даны практические рекомендации по использованию этих систем в зависимости от пределов изменения напряжения альтернативного источника.

Для проверки теоретических результатов были созданы компьютерные модели шестипульсного и двенадцатипульсного КУВ, а также компьютерная модель повышающего ШИП. Данные, полученные на моделях, позволяют судить о правильности теоретических результатов.

Ключевые слова: компенсированный управляемый выпрямитель, активный управляемый выпрямитель,