Разработка и исследование статических компенсаторов реактивной мощности на основе тиристорно-переключаемых схем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.12, кандидат наук Элгибали Ахмед Элсайед Ибрагим

• Элгибали Ахмед Элсайед Ибрагим
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Элгибали Ахмед Элсайед Ибрагим

ВВЕДЕНИЕ

1 Необходимость систем компенсации реактивной мощности

2 Сравнение различных типов СКРМ

3 Характеристики и недостатки существующих технологий СКРМ

3.1 Насыщающиеся реакторы

3.2 Тиристорно-управляемые реакторные группы (ТУРГ)

3.3 Тиристорно-переключаемые реакторные группы (ТПРГ)

3.4 Тиристорно-переключаемые конденсаторные группы (ТПКГ)

4 Новые направления исследований в развитии СКРМ

5 Цели и задачи диссертации, и ее содержание

ГЛАВА 1. РАЗРАБОТКА И ОПТИМИЗАЦИЯ НОВЫХ ТОПОЛОГИЙ

СТАТИЧЕСКИХ ТИРИСТОРНЫХ КОМПЕНСАТОРОВ РЕАКТИВНОЙ

МОЩНОСТИ

1.1 Постановка задачи разработки новых статических тиристорных компенсаторов реактивной мощности

1.2 Схемные топологии СКРМ с ТПРГ

1.2.1 СКРМ с двумя реактивными элементами

1.2.2 ТПРГ с тремя реактивными элементами

1.2.3 ТПРГ с четырьмя реактивными элементами

1.2.4 ТПРГ с пятью реактивными элементами

1.2.5 ТПРГ с шестью реактивными элементами

1.3 Оптимизация параметров реактивных элементов в схемах СКРМ. Критерии оптимизации

1.4 Оценка технических параметров элементов схем СКРМ

1.5 Оценка топологий СКРМ, построенных на основе ТПРГ

1.5.1 Оценка ТПРГ с четырьмя реакторами и тремя переключателями

1.5.2 Оценка ТПРГ с шестью реакторами и пятью ключами

1.5.2.1 Оптимизация общей полной мощности ключей за счет перераспределения ключей по ветвям

1.5.2.2 Управление количеством ступеней с целью снижения суммарных установленных мощностей реактивных элементов и ключей в схемах ТПРГ40

1.5.2.3 Дополнительные ступени регулирования, повышающие дискретность управления ТПРГ

1.5.3 Оценка ТПРГ с четырьмя реакторами и семью ключами

1.6 Оценка СКРМ, построенных на основе ТПКГ

1.6.1 Оценка ТПКГ с четырьмя конденсаторами и семью переключателями

1.7 Сравнительный анализ существующих и новых разработанных схем СКРМ

1.8 Алгоритмы управления СКРМ с ТПРГ

1.9 Выводы по главе

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СКРМ С ТПРГ

2.1 Основные функции и требования к системам управления СКРМ с ТПРГ

2.2 Разработка структуры системы управления СКРМ на основе ТПРГ

2.2.1 Разработка системы управления СКРМ с ТПРГ

2.2.2 Разработка системы управления для СКРМ с ТПКГ

2.3 Разработка и исследование характеристик основных блоков системы управления СКРМ с ТПРГ

2.3.1 Измерительная система

2.3.2 Блок задания опорного сигнала

2.3.3 Блок формирования мертвой зоны

2.3.4 Регулятор напряжения СКРМ

2.3.5 Цепь формирования импульсов управления

2.4 Расчет и оптимизация параметров системы управления СКРМ с ТПРГ

2.4.1 Расчет параметров блока регулировки опорного сигнала

2.4.2 Расчет параметров блока регулятора напряжения

2.4.3 Алгоритмы управления СКРМ с тиристорно-переключаемыми схемами77

2.4.4 Параметры блока формирования мертвой зоны

2.5 Выводы по главе

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СКРМ, ПОСТРОЕННЫХ НА ОСНОВЕ ТИРИСТОРНО-ПЕРЕКЛЮЧАЕМЫХ СХЕМ

3.1 Цели и задачи моделирования режимов работы СКРМ

3.2 Моделирование силовой схемы ТПРГ

3.3 Моделирование системы управления СКРМ

3.4 Моделирование режимов работы линии электропередачи с установленным в ней ТПРГ

3.5 Влияние СКРМ на режимы работы линии электропередачи

3.6 Влияние параметров системы управления на статические и динамические процессы в СКРМ

3.7 Применение СКРМ для регулирования напряжения на железной дороге

3.7.1 Моделирование процессов управления напряжением с использованием СТК с ТУРГ

3.7.2 Моделирование процессов управления напряжением с использованием ТПКГ и ТПРГ

3.8 Выводы по главе

ГЛАВА 4. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ В ТИРИСТОРНО-ПЕРЕКЛЮЧАЕМЫХ СКРМ

4.1 Цели и задачи физического моделирования СКРМ с ТПРГ

4.2 Физическая модель схемы ТПРГ с 34-мя уровнями регулирования реактивной мощности

4.2.1 Структура и основные требования к физической модели

4.2.2 Расчет параметров физической модели

4.2.3 Аппаратное и программное обеспечение системы управления ТПРГ

4.2.4 Анализ результатов экспериментального исследования процессов на физической модели

4.3 Моделирование процессов в ТПКГ, при компенсации реактивной мощности в динамической нагрузке (асинхронного электродвигателя)

4.3.1 Структура модели ТПРГ

4.3.2 Анализ функционирования ТПКГ при компенсации реактивной мощности

4.4 Выводы к главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Акты о внедрении результатов диссертационной работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование статических компенсаторов реактивной мощности на основе тиристорно-переключаемых схем»

ВВЕДЕНИЕ

1 Необходимость систем компенсации реактивной мощности

Гибкие системы передачи переменного тока (FACTS) представляют собой новую концепцию работы систем передачи электроэнергии [1]. Системы FACTS предполагают использование надежной высокоскоростной силовой электроники, мощных аналитических инструментов, современных технологий управления и микроконтроллеров. Важную роль в этих системах играют статические компенсаторы реактивной мощности (СКРМ) с высоким быстродействием, позволяющие увеличить объем передачи полной мощности, близкой к тепловому пределу линии, без ущерба для ее пределов устойчивости. Перечисленные возможности возникают благодаря способности управлять параметрами линии электропередачи (шунтирующий импеданс, ток, напряжение, фазовый угол, колебания) с помощью специальных СКРМ и их систем управления [2].

Статические компенсаторы реактивной мощности (СКРМ) представляют собой подключенные параллельно к линии статические генераторы и/или потребители реактивной мощности, регулирование выходных параметры которых позволяет поддерживать или устанавливать требуемые режимы работы энергосистемы. Термин «статический» используется для обозначения того, что в СКРМ, в отличие от синхронных компенсаторов, отсутствуют движущиеся или вращающиеся компоненты. Таким образом, СКРМ, под управлением соответствующей системы управления, способны потреблять ток емкостного и/или индуктивного характера из энергосистемы. Система компенсации реактивной мощности (рис.1) определяется как комбинация различных статических и механически коммутируемых компенсаторов реактивной мощности. Кроме этого, в систему компенсации реактивной мощности в общем случае могут также входить и вращающиеся компенсаторы [1], [2], [3].

Управляемые СКРМ применяются в энергосистемах с целью решения целого ряда проблем [4], а именно:

1. для эффективного управления напряжением;

2. для балансировки нагрузки отдельных фаз (асимметричных нагрузок);

3. для увеличения пропускной способности активной мощности как существующих, так и новых систем электропередачи;

4. для повышения динамической устойчивость энергосистемы;

5. для демпфирования колебаний мощности;

6. для уменьшения перенапряжения;

7. для подавления подсинхронных колебаний.

Энергосистема

Поток реактивной мощности

Система компенсации реактивной мощности

Координатор управления реактивной мощностью

Система статических компенсаторов

Статические ■ компенсаторы

Механические переключатели

гт

Координатор _

СТК

Система управления

и

Генераторы и потребители реактивной мощности

Конденсаторы

реакторы постоянного номинала

Рис.1 Общая блок-схема системы регулирования реактивной мощности

На рис.2 приведены следующие основные конфигурации СКРМ:

1. Компенсаторы с непрерывным управлением: насыщающиеся реакторы (НР) с конденсатором постоянной емкости;

2. Статические компенсаторы с непрерывным фазовым управлением (СТК): тиристорно-управляемые реакторные группы (ТУРГ);

3. Саморегулирующиеся или линейно-коммутируемые преобразователи ^СС или LCC);

4. Компенсаторы с дискретным управлением: тиристорно-переключаемые конденсаторные группы (ТПКГ) или тиристорно-переключаемые реакторные группы (ТПРГ).

Рис.2 Конфигурации СКРМ для управления реактивной мощностью Вышеупомянутые устройства могут использоваться как отдельно, так и в любой комбинации. Эти устройства позволяют изменять реактивную мощность или шунтирующую реактивную проводимость, в зависимости от требуемого режима работы энергосистемы [5].

2 Сравнение различных типов СКРМ

Очевидно, что ни один из типов СКРМ не может выполнять все требования к компенсации реактивной мощности. Выбор СКРМ осуществляется по следующим параметрам [6]:

1. Диапазон регулирования: СКРМ может обеспечивать компенсацию реактивной мощности как индуктивного, так и емкостного характера, либо их комбинацию;

2. Характер управления реактивной мощностью: непрерывное или дискретное управление;

3. Быстродействие: СКРМ может быть достаточно быстродействующим (0,01 сек.), что позволит в короткие сроки обеспечить компенсацию реактивной мощности;

4. Задачи управления :

4.1 Контроль напряжения;

4.2 Вспомогательные стабилизирующие функции;

4.3 Индивидуально-фазовое управление.

5. Генерация гармоник: СКРМ может генерировать высшие гармоники тока во время управления реактивной мощностью;

6. Ограничение перенапряжения: возможность перегрузки: СКРМ может быть перегружен в течение определенного периода времени;

7. Потери: количество потерь мощности при управлении реактивной мощностью;

8. Практическая реализация: важным фактором является разница между номинальными значениями параметров компонентов СКРМ. Целесообразнее реализовать такого СКРМ, у которого разница между номинальными значениями параметров низкая.

3 Характеристики и недостатки существующих технологий СКРМ

Каждый из существующих СКРМ имеет определенные недостатки, которые необходимо минимизировать. Далее приведен краткий анализ существующих СКРМ, с целью выявления их достоинств и недостатков.

3.1 Насыщающиеся реакторы

Насыщающийся реактор является одним из компенсаторов реактивной мощности, в котором отсутствуют полупроводниковые тиристоры. Этот компенсатор состоит из многофазного, гармонически компенсированного самонасыщающегося реактора, шунтированного переключаемым конденсатором (рис.4 [1]). В этом типе компенсатора нельзя использовать простой насыщающийся реактор с железным сердечником, так как это приведет к сильному искажению напряжения и тока [7]. Поэтому основным элементом насыщающегося реактора является магнитный сердечник с сильно нелинейной магнитной характеристической (рис.3).

и и/

альв^.

идеальная

I.

Рис.3 Выходная характеристика насыщающегося реактора

Рис.4 Устройство насыщающегося реактора

Насыщающиеся реакторы имеют свои достоинства [8]:

1. Позволяют регулировать реактивную мощность индуктивного характера, а также, путем добавления конденсатора постоянной емкости, можно обеспечить выдачу реактивной мощности емкостного характера;

2. Автоматическое регулирование реактивной мощности;

3. Относительно высокое быстродействие;

4. Низкий уровень генерации высших гармоник (зависит от конструкции трехфазного реактора);

5. Насыщающиеся реакторы имеет хорошую перегрузочную способность.

С другой стороны, насыщающиеся реакторы имеют и недостатки по сравнению с другими типами СКРМ:

1. Высокий вес и стоимость по сравнению с реакторами с тиристорным управлением и воздушным сердечником;

2. Насыщающиеся реакторы не управляются с помощью внешних элементов управления. Это ограничивает их способность вводить требуемое воздействие на энергосистему с целью повышения ее стабильности;

3. Насыщающиеся реакторы имеют ограниченную возможность индивидуального управления отдельными фазами в многофазных системах;

4. К.П.Д у них ниже, чем у СКРМ на базе тиристоров.

В силу перечисленных недостатков, особенно связанных с ограничением в гибкости управления, насыщающиеся реакторы не рассматриваются как гибкий инструмент управления реактивной мощностью.

3.2 Тиристорно-управляемые реакторные группы (ТУРГ)

Основным элементом обычной тиристорно-управляемой реакторной группы (ТУРГ) является реактор, последовательно соединенный с встречно-параллельно включенными тиристорами (рис.5). Тиристоры Т1, ^ открываются в положительном и отрицательном полупериодах поочередно. Угол управления тиристоров а отсчитывается от точки пересечения напряжением питания своего нулевого значения. Полная проводимость реализуется при угле управления тиристоров а = 90°. Частичная проводимость реализуется при углах управления тиристоров между 90° и 180° (рис.6). На рис.6 показаны: диаграмма напряжения источника, мгновенное значение тока ТУРГ и ток основной гармоники, который является полезной составляющей тока ТУРГ.

Рис.5 Принципиальная схема традиционного ТУРГ

0 50 100 150 200 250 300 350

Угол открывания тиристоров а

Рис.6 Диаграммы тока и напряжения в схеме рис.5 Ток основной гармоники ТУРГ отстает от напряжения источника на 90°. Мгновенное значение тока через реактор Leq можно определить в соответствии со следующим уравнением:

i(t) = (cos(a) - cos(wt)) = (cos(a) - cos(wt)) (1)

где V - действующее значение приложенного напряжения, Vm - амплитуда напряжения, а ю

- угловая частота. Для получения выражения для тока основной гармоники 11 (а) ТУРГ используется анализ Фурье:

т , V /тг-2а+зт2а\

1 -) (2)

Уравнение (2) можно переписать как

I а) = V Втс к( а) (3)

где

т-. ^ \ т-. /2тг-2а+зт2а\ ...

Втс ц( а) = В тах (---) (4)

1

В т ах = ~г— (5)

Согласно уравнению (4), управляемая реактивная проводимость может быть изменена с помощью угла управления тиристоров (рис.7).

Рис.7 Регулировочная характеристика реактивной проводимости ТУРГ (BTCR)

Если два тиристора ТУРГ работают симметрично в положительном и отрицательном полупериодах, то генерируются только гармоники нечетного порядка. Гармоники могут быть определены с помощью анализа Фурье. Действующее значение гармоники n-го порядка определяется как функция угла управления тиристора а:

т f \ _ V 4 Г s i п ос с о s(n ос) - пс о s ос s i n( n ос)] . .

1 n( ПсП^-i) J (6)

где and

На рис.8 показана величина каждой нечетной гармоники с 3-ей по 11-ую. Максимум гармоник уменьшается с увеличением гармонического порядка. Максимальное значение третьей гармоники достигает 13,8% от максимального основной составляющей.

Рис.8 Значения нечетных гармоник по отношению к основной гармонике тока в зависимости от

угла управления тиристорами обычного ТУРГ На рис.9 показана зависимость коэффициента гармонических искажений (total harmonic distortion - THD) тока ТУРГ в зависимости от угла a. THD можно рассчитать согласно следующему уравнению:

THD = *--(7)

\ >

\

ч

120 130 140 ISO 160 Угол управления а

Рис.9 Зависимость коэффициента гармонических искажений ТНО традиционного ТУРГ от угла

управления тиристора

Как можно заметить из рис.9, ТНО может достигать значения 14,22% от максимального основного тока (V / Гармонические токи уменьшают качество питания сети, влияют на

работу системы управления и являются причиной возникновения гармоник напряжения. Самое высокое содержание гармоник в токе, производимом ТУРГ, наблюдается при углах управления тиристоров от 110° до 130°. Стоит отметить, что трехфазное соединение ТУРГ треугольником предотвращает распространение третьих гармоник, однако все равно требуется фильтрация как минимум пятой и седьмой гармоник.

ТУРГ имеет ряд преимуществ, которые делают его одним из широко используемых источников реактивной мощности, в случае его использования совместно с конденсатором

постоянной емкости [10]:

1. ТУРГ с конденсатором может обеспечить компенсацию реактивной мощности как индуктивного, так и емкостного характера;

2. Характер управления действующим значением первой гармоники тока - непрерывный;

3. Имеет высокое быстродействие при управлении реактивной мощностью;

4. Имеет возможность управления напряжением, обеспечивает вспомогательные стабилизирующие свойства и индивидуальное управление фазой в многофазных системах;

5. Возможность умеренной перегрузки компенсатора.

ТУРГ с конденсатором имеет такие недостатки как:

1. Мощности потерь находятся в среднем диапазоне по сравнению с другими типами

СКРМ;

2. Высшие гармонические составляющие регулируемого тока являются основным недостатком ТУРГ. Для исключения гармоник необходимо устанавливать соответствующие фильтры.

3.3 Тиристорно-переключаемые реакторные группы (ТПРГ)

Существующие топологии ТПРГ представляют собой расщепленные на параллельные ветви реакторы, которые могут иметь одинаковые или разные номинальные значения. Сумма полных мощностей всех параллельных ветвей равна полной мощности эквивалентного реактора ТПРГ. ТПРГ может иметь ветви с равными номинальными значениями, либо со значениями, пропорциональными порядку двоичного кода (бинарные топологии СКРМ). При необходимости, путем добавления ТУРГ можно обеспечить небольшое регулирование реактивной мощности индуктивного характера. Но увеличение количества ступеней регулирования приводит к увеличению разницы в номинальных значениях параллельных индуктивностей. Например, в бинарных ТПРГ с четырьмя ветвями отношение максимального и минимального токов в ветвях равно восьми [11]. В бинарных ТПРГ с пятью ветвями отношение максимального и минимального токов в ветвях равно шестнадцати [11]. При этом, ветви с низким номинальным током имеют технические трудности при реализации [11].

К преимуществам ТПРГ можно отнести:

1. ТПРГ с конденсатором может обеспечить компенсацию реактивной мощности как индуктивного, так и емкостного характера;

2. Имеет высокое быстродействие при управлении реактивной мощностью;

3. Имеет возможность управления напряжением, обеспечивает вспомогательные стабилизирующие свойства и индивидуальное управление фазой в многофазных системах;

4. Возможность умеренной перегрузки компенсатора;

5. Отсутствие высших гармоник в регулируемом токе является основным преимуществом этого типа СКРМ.

Стоит отметить, что особенностью ТПРГ является дискретный характер его управления. Более того, разница номинальных значений реакторов увеличивается с увеличением количества ступеней регулирования.

3.4 Тиристорно-переключаемые конденсаторные группы (ТПКГ)

На рис.10 показана базовая схема статического компаратора типа ТПКГ, впервые введенного в эксплуатацию в 1971 году компанией ASEA. Для увеличения количества ступеней регулирования организуют параллельное включение нескольких конденсаторов. [12]. Каждая ветвь ТПКГ состоит из двух основных компонентов: конденсатора C и тиристорных переключателей Sw1 and Sw2. Кроме того, последовательно с конденсатором и группой ключей подключен небольшой реактор L, целью которого является ограничение скорости нарастания тока через тиристоры и предотвращение резонанса с сетью. Для статических компенсаторов типа ТПКГ характерны следующие свойства: ступенчатое управление, задержка управления в половину периода (максимум один период) и отсутствие генерации высших гармоник [13].

Рис.10 Принципиальная схема ТПКГ

Известные традиционные топологии ТПКГ имеют следующие недостатки:

1. ТПКГ имеет только емкостный диапазон регулирования;

2. Сложные алгоритмы переключения ступеней;

3. Ограниченный диапазон регулирования;

4. Слабая устойчивость к перегрузкам;

5. Хотя бинарная ТПКГ обеспечивает плавное изменение реактивной мощности, высокая разница в номинальных значениях параметров ветвей ТПКГ представляет технические трудности при ее реализации.

4 Новые направления исследований в развитии СКРМ

Существует несколько направлений исследований по разработке уже существующих топологий СКРМ, которые в основном фокусируются на уменьшении или устранении создаваемых

высших гармоник при работе СКРМ. Генерируемые гармоники могут быть исключены путем установки фильтров [13], что потребует дополнительных затрат. Как было показано компанией ABB [14] установка дополнительного ТУРГ потребует установки фильтров, рассчитанных на высокие номинальные параметры. Опыт установки систем СКРМ компанией General Electric [15] иллюстрирует необходимость установки фильтров, требующих дополнительных затрат и пространства на подстанции. Большинство уже реализованных проектов компании SIEMENS [16] также требуют дополнительных фильтров высших гармоник. Количество фильтров может достигать в определенных проектах до трех единиц (Richards Bay, South of Africa от SIEMENS).

В некоторых исследованиях основное внимание уделяется разработке системы управления уже существующими топологиями СКРМ. Исследования проводятся с целью повышения их производительности при различных режимах работы энергосистемы. Таким образом, для разработки СКРМ-систем необходимы исследования на уровне разработки новых схем СКРМ с целью уменьшения или устранения большого количества высших гармоник, генерируемых ими при управлении реактивной мощностью. Приведенный краткий обзор устройств СКРМ демонстрирует основные недостатки уже существующих на рынке СКРМ. Основные мероприятия по разработке топологий СКРМ можно обобщить следующим образом:

1. Устранение высших гармоник;

2. Повышение дискретности регулировочных характеристик ТПРГ и ТПКГ;

3. Уменьшение разброса номинальных значений компонентов ТПРГ и ТПКГ;

4. Разработка и совершенствование систем управления СКРМ с целью их интеграции в активно-адаптивную энергосистему.

5 Цели и задачи диссертации, и ее содержание

Целью диссертационной работы является разработка принципов построения СКРМ на основе тиристорно-переключаемых схем, а также их систем управления, обеспечивающих отсутствие высших гармоник в токе во всем диапазоне его регулирования

В диссертации решаются следующие задачи:

1. Разработка тиристорно-переключаемых схем СКРМ, обеспечивающих нулевой уровень гармонических составляющих, а также высокий уровень дискретизации при регулировании реактивной мощности;

2. Решение задачи оптимизации параметров реактивных элементов для каждой из рассматриваемых схем СКРМ с целью обеспечения равномерной регулировочной характеристики реактивной мощности;

3. Разработка и исследование алгоритмов управления новыми схемами СКРМ, учитывающих особенности процессов, как в индуктивных, так и емкостных блоках СКРМ;

4. Разработка и исследование способов построения систем управления, реализующих требуемые алгоритмы управления СКРМ;

5. Разработка моделей и подходов к исследованию электромагнитных процессов в линии электропередачи при работе с предложенными схемами построения СКРМ в среде моделирования MATLAB / SIMИLINK;

6. Создание физической модели СКРМ и его системы управления для исследования режимов работы СКРМ на основе тиристорно-переключаемых схем.

Диссертация была разделена на четыре главы:

Глава 1: Разработка и оптимизация новых топологий статических тиристорных компенсаторов реактивной мощности. В этой главе предложены новые схемы построения СКРМ на тиристорах с отсутствием высших гармоник в регулируемом токе. Проанализированы структура и свойства каждой предложенной схем. Разработан метод оптимизации параметров реактивных элементов силовых схем преобразователей с целью достижения плавного регулирования реактивной мощности СКРМ. Предложены алгоритмы управления тиристорными ключами для реакторной и конденсаторной составляющей СКРМ.

Глава 2: Разработка систем управления СКРМ с ТПРГ. Во второй главе объясняются основные различия в структуре системы управления между известными традиционными типами СКРМ и новыми разработанными схемами СКРМ. В этой главе описывается структура, требования и параметры основных элементов блок-схемы системы управления для новых схем СКРМ

Глава 3: Моделирование режимов работы СКРМ, построенных на основе тиристорно-переключаемых схем. В этой главе представлена имитационная модель новых схем СКРМ, позволяющая анализировать процесс компенсации реактивной мощности в энергосистеме. Проводится исследования влияние параметров системы управления СКРМ на режимы работы энергосистемы.

Глава 4: Физическое моделирование и анализ процессов в тиристорно-переключаемых СКРМ. В главе приведено описание реализованной физической модели новой топологии СКРМ. С помощью физической модели проведена верификация и проверка аналитических выражений, полученных в диссертации.

ГЛАВА 1. РАЗРАБОТКА И ОПТИМИЗАЦИЯ НОВЫХ ТОПОЛОГИИ СТАТИЧЕСКИХ ТИРИСТОРНЫХ КОМПЕНСАТОРОВ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

1.1 Постановка задачи разработки новых статических тиристорных компенсаторов реактивной мощности

Известные статические компенсаторы реактивной мощности (СТК) как правило состоят из конденсатора постоянной емкости С и тиристорно-управляемого реактора (ТУР) с реактором Ьщ (Рис.1.1) [17]. Известно, что ТУР является одним из основных источников гармоник в электроэнергетических системах, которые достигают 14,2% от амплитуды тока основной гармоники (рис.6) [1]. Для уменьшения количества гармоник можно заменить ТУР в СТК на тиристорно-переключаемые реакторные группы (ТПРГ) [18].

1т

п

ь

т

Рис.1.1 Упрощенная схема СТК Существующие на настоящий момент ТПРГ имеют разные уровни компенсации реактивной мощности в зависимости от соединения разных параллельных ветвей, состоящих из двунаправленных тиристоров и реакторов. Параллельно подключаемые ветви ТПРГ могут иметь реакторы с одинаковыми номиналами (рис.1.2) или реакторы с разными номиналами (рис.1.3) [19]. ТПРГ имеет дискретный характер управления реактивной мощностью. Для повышения дискретности регулирования необходимо соответствующим образом подобрать параметры элементов СКРМ [3]. Число дискретных уровней компенсации ТПРГ с реакторами одинаковых номиналов на параллельных ветвях ограниченно количеством одновременно включаемых ветвей. Топологии ТПРГ, имеющие на параллельных ветвях реакторы с различными номиналами (бинарные топологии), имеют большее число уровней (ступеней) регулирований, и, соответственно, большее количество дискретных уровней регулирования реактивной мощности. Но при этом появляется большая разница между величинами токов в разных ветвях, к которым приложено одно и то же напряжение [20]. Недостатком существующих топологий ТПРГ можно назвать малое количество ступеней регулирования при необходимости применения большого количества параллельных ветвей. Таким образом, возникает задача разработки новых топологий

ТПРГ, имеющих большое количество дискретных ступеней регулирования реактивной мощности при меньшем количестве реактивных элементов. Поставленная задача может быть решена управлением топологией схемы, обеспечивающей различные комбинации из последовательных и параллельных соединений реактивных элементов ее ветвей [21].

Ветвь 1 Ветвь 2

(а)

Ветвь 1 Ветвь 2 Ветвь 3

(Ь)

4 ЬеС

Ветвь 1 Ветвь 2 Ветвь 3 Ветвь 4

Ветвь 1 Ветвь 2 Ветвь 3 Ветвь 4 Ветвь 5

(с)

№

Рис.1.2 Схемы существующих ТПРГ с ветвями одинаковых мощностей (а) три ступени регулирования мощности (Ь) четыре ступени регулирования мощности (с) пять ступеней регулирования мощности шесть ступеней регулирования мощности

3/2Ьес

Ветвь 1 Ветвь 2

(а)

Ветвь 1 Ветвь 2 Ветвь 3 Ветвь 4

(с)

Ветвь 1 Ветвь 2 Ветвь 3

(Ь)

Ветвь 1 Ветвь 2 Ветвь 3 Ветвь 4 Ветвь 5

(Ф

Рис.1.3 Схемы существующих ТПРГ с бинарными дискретными уровнями (а) четыре ступени регулирования мощности (Ь) восемь ступеней регулирования мощности (с) шестнадцать ступеней регулирования мощности тридцать две ступени регулирования мощности Для обеспечения большей дискретности управления реактивной мощностью, в некоторых

I

I

I,

I

I

I

I

типах СКРМ емкостный элемент может быть заменен на тиристорно-переключаемые конденсаторные группы (ТПКГ). На рис.1.4 (а), (Ь) и (с) показаны существующие топологии СКРМ типа ТПКГ, где п - количество ветвей. Существующие топологии ТПКГ имеют такие недостатки как: малое количество дискретных уровней регулирования реактивной мощности для ТПКГ с равными номиналами реактивных элементов ветвей (рис.1.4 (Ь)) и высокую разницу между номиналами элементов в разных ветвях бинарных ТПКГ (рис.1.4 (с)) [21]. Кроме того, формирование ступеней регулирования у существующих топологий ТПКГ осуществляется путем только параллельного подключения конденсаторов.

Сч/п

Се/П

Сч/п

2"-1

т__ с 2"-1 4

. 2"-1 ,

Рис.1.4 Схемы ТПКГ (а) ТПКГ с одной ветвью (Ь) ТПКГ с одинаковыми параллельными ветвями

(с) бинарная ТПКГ

На рис.1.5 (а) приведена новая схема СКРМ, которая обеспечивает возможность не только параллельного соединения реактивных элементов X, как в уже существующих СКРМ, но также и последовательного. Реактивный элемент X может быть как реактором Ь (рис.1.5 (Ь)) (новые топологии ТПРГ), так и конденсатором С (рис.1.5 (с) (новые топологии ТПКГ).

.....В

Многополюсный тиристорный коммутатор

| | X] [Г

\

Рис.1.5 (а) Общая схема предлагаемого типа СКРМ (Ь) Общая топология предлагаемого типа ТПРГ

(с) Общая топология предлагаемого типа ТПКГ Идея предлагаемоых типов СКРМ базируется на принципе управления реактивной

т-1

2

2

с

с

ч

54

8

8

8

8

3

3

2

2

П

П

►

1.

1.

мощностью путем изменения эквивалентного реактивного сопротивления (индуктивного или емкостного) схемы в соответствии с изменением состояния переключателей. При этом не осуществляется фазовое управление тиристорами, как в известных СТК. Таким образом, реактивный ток является чисто синусоидальным с нулевым содержанием высших гармоник. На рис.1.6 (а), (с) показана схема и формы сигналов обычного ТУРГ, где генерируемый ток не является синусоидальным и имеет высшие гармонические составляющие. С другой стороны, схема новой ТПРГ (Рис.1.6 (Ь)) позволяет управлять реактивной мощностью путем изменения эквивалентной индуктивности. При таком управлении ТПРГ формирует синусоидальный ток индуктивного характера (рис.1.6 [22].

(а) (Ь)

(с) (Ф

Рис.1.6 (а) Схема обычной ТУРГ, (Ь) Новая схема ТПРГ, (с) ток ТУРГ ток новой схемы ТПРГ Если в системе, в которую устанавливается СКРМ, есть необходимость компенсации реактивной мощности емкостного характера, то может быть использована новая топология ТПКГ (рис.1.5 (с)), имеющая более плавные регулировочные характеристики по сравнению с уже существующими ТПКГ.

В новых топологиях СКРМ (рис.1.5) связь между сигналом системы управления СКРМ и вырабатываемой реактивной мощностью является дискретной. Количество ступеней управления реактивной мощности зависит от количества реактивных элементов (реакторов и конденсаторов) и количества тиристорных переключателей. Следует отметить, что новые топологии ТПРГ и ТПКГ имеют дискретные характеристики управления реактивной мощностью, но алгоритм управления для них различен и это будет объяснено в разделе 1.7 настоящей главы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Элгибали Ахмед Элсайед Ибрагим, 2018 год

«■ -

1,0- .S««8 -

<B О

" 8 88888« -

в 8 -

4 ■ в* " *

2 -

ов—1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_

1 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 Number of step

Рис.4.3 Действующие значения тока для 34-х уровней регулирования токов, полученные

экспериментально и теоретически

Фазовый сдвиг между напряжением питания и током ТПРГ составляет 90°(рис.4.4).

Рис.4.4 Напряжение питания и ток ТПРГ На физической модели был также исследован переходной процесс при переключении с одной ступени на другой. На рис.4.5 показан переход с нулевой ступени на вторую. Как объяснялось ранее, если переход производится от нулевого уровня тока, то сигнал напряжения используется как сигнал синхронизации. Ток начинается в этом случае на (положительной или отрицательной полуволне) в момент максимума напряжения. Можно заметить, что ток СКРМ

—I-1-1—

* Theoretical О Practical

ввв<

S8

8«г

.8888

•8

8е

88888«

имеет синусоидальную форму без дополнительных высокочастотных гармоник.

Рис.4.5 Процесс переключения с нулевой на первую ступень регулирования. Синхронизация по

сигналу напряжения.

На рис.4.6 показан переход от второй к третьей ступени. Можно заметить, что ток остается синусоидальным.

Рис.4.6 Процесс переключения с второй на третью ступень регулирования тока. Синхронизация

по сигналу с датчика тока.

Синхронизация в рассматриваемом случае осуществляется при пересечении тока ТПРГ нулевого значения. На рис.4.7 - 4.38 показаны переходы от одной ступени к другой, при этом последний рис.4.38 иллюстрирует переход от 34-й ступени к первой (уровень нулевого тока). Как можно заметить, процесс синхронизации происходит в момент пересечения тока ТПРГ нулевого значения. Ток на всех ступенях является синусоидальным.

Рис.4.7 Переход с 3 ступени на 4

гщм

; 1 м т т' ' А/ V ,V V V V j i

Рис.4.10 Переход с 6 ступени на 7

№f1 «яг , ч raVv ! i im»

ЛАГ А /\ h » \ / у Г ■ • » Л Л WW й и \/

\ / \ / V / \ 1 V V ^ J wewXÍW U« СИ - ЯМ" VT

Рис.4.13 Переход с 9 ступени на 10

Рис.4.16 Переход с 12 ступени на 13

Рис.4.8 Переход с 4 ступени на 5

V'TT

Ti Vi

V V

V V

шд

wú\¡\

V V \ W

Рис.4.11 Переход с 7 ступени на 8

ША/

Рис.4.14 Переход с 10 ступени на 11

А А

M / V

шш

■\П/ V V

Л Л Л л

Рис.4.17 Переход с 13 ступени на 14

Рис.4.9 Переход с 5 ступени на 6

TT А

тттп

\/ \ 1 V V V I

4

mí

Ulf

\/ и

Рис.4.12 Переход с 8 ступени на 9

Рис.4.15 Переход с 11 ступени на 12

л л А А А

\Г\Г\ \

V V

Рис.4.18 Переход с 14 ступени на 15

Рис.4.19 Переход с 15 ступени на 16

л mm

»■НИМ ÜI

m».

Рис.4.22 Переход с 18 ступени на 19

Рис.4.25 Переход с 21 ступени на 22

Рис.4.28 Переход с 24 ступени на 25

Рис.4.20 Переход с 16 ступени на 17

Рис.4.23 Переход с 19 ступени на 20

Рис.4.26 Переход с 22 ступени на 23

Рис.4.29 Переход с 25 ступени на 26

Рис.4.21 Переход с 17 ступени на 18

Рис.4.24 Переход с 20 ступени на 21

Рис.4.27 Переход с 23 ступени на 24

Рис.4.30 Переход с 26 ступени на 27

4.3 Моделирование процессов в ТПКГ, при компенсации реактивной мощности в динамической нагрузке (асинхронного электродвигателя) 4.3.1 Структура модели ТПРГ.

Моделирование схемы ТПКГ с 25-ю ступенями, осуществляющего компенсацию реактивной мощности динамической нагрузки (асинхронного электродвигателя) было проведено в среде моделирования МАТЬАВ^тиНпк. Было проведено моделирование процесса компенсации во время пуска асинхронного двигателя, с целью исследования эффективности процесса управления схемы ТПКГ. Для этого СКРМ был установлен параллельно асинхронному двигателю (рис. 4.39) [54].

Il

Идин = 400 -

СТК

Рис.4.39 Схема параллельного подключения ТПКГ к асинхронному двигателю.

В рассматриваемой модели был использован источник с линейным напряжением 400 В и внутренним сопротивлением 0,5 Ом. Используемый асинхронный двигатель имеет следующие параметры: номинальная мощность 37300 Вт, 400 В, 4 полюса, 50 Гц. Параметры асинхронного двигателя представлены на рис. 4.40.

ВЫ WKhwmi MKhm wflwituliMbtn'

Apprchroroi» ммям* <maal) (МО

knftonanu в 0нм-9<и£в aanairoraus ткмм i Muti гаме, авмгй caj» or "Jeiti* <49» i "u*" « л a wfcriatol* dq tafcrtnt* frame (гвме «alw,

ar SynctTDODM);- 5teW Kid WtOT MtMftngs OTT «ГЛеСМ Щ M II» MtTIWl

neutral paff.

ConfqwiAvt «wanaien Adeanred iee6i-um

Цсжпг.м tewt». Vellage l tni. and freojener i P4VA)<,VW(w»»l>it4r! ]: [зпсо4о»ац |

SM№ а*I nduaercef Чэ({*т) Uo(H) ]:

; |0.м 7 0.КДО7]

Kaut (авшма ага) Ыиаапа [ IfcYtfw.] ikYH) ]: I [о.га» <mu.')77i |

Huaitf ndjcnnca im (Н):

|и.мяп~ 1

[г*га* fndm tecnx рой pan [ №q.m*2J RH.iftit к) ]:

[юг]

Рис. 4.40 Параметры асинхронного двигателя в среде MATLAB/SIMULINK Модель асинхронного двигателя, используемая в среде MATLAB/Simulink, представлена на рис. 4.41. На рис. 4.41: R - сопротивление статора, R2 - сопротивление ротора относительно статора, Li - индуктивность статора, L2 - индуктивность ротора относительно статора, Lm -

индуктивность намагничивания, s - скольжение ротора, F and / - векторы синусоидального напряжения и тока [55].

Рис.4.41 Модель одной фазы трехфазного асинхронного двигателя Скольжение ротора выражается через круговую скорость тт, число пар полюсов и

частоту источника в соответствии со следующим выражением:

5 = 1-

Р^т

(4.3)

Из (4.3) следует, что скольжение равно единице при пуске и нулю при синхронном вращении с частотой равной частоте источника.

Для п-фазного асинхронного двигателя взаимосвязь моментов и скоростью описывается следующим выражением [56]:

прй2

Т = ^---(4.4)

где: - фазное напряжение источника при соединении обмоток асинхронного

двигателя звездой и линейное напряжение при соединении обмоток по схеме треугольник, п -число фаз.

В момент пуска асинхронного двигателя в сети наблюдается появление большой реактивной мощности индуктивного характера. В процессе разгона двигателя реактивная мощность, потребляемая двигателем, уменьшается. Для компенсации реактивной мощности двигателя в процессе его разгона применяется ТПКГ, синхронно генерирующий реактивную мощность емкостного характера так, чтобы суммарная мощность, потребляемая от источника питания оставалась активной. Компенсация реактивной мощности приводит к повышению напряжения на клеммах двигателя, снижению потерь в источнике и увеличению ускорения двигателя при пуске. Установленный ТПКГ имеет следующие параметры: линейное напряжение 400 В и номинальное значение реактивной мощности емкостного характера - 243 кВАР. Электрическая схема одной фазы ТПКГ и ее характеристика представлены на рис. 4.42 и 4.43 соответственно.

I Ь

с = = Сз-

эЭ г 1. я г-

'т °т

Рис.4.42 Используемая для компенсации топология ТПКГ

я

я

я

я

с

Идеальная

арактеристика Хар актер истика

■ и*

-

■

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Требуемая д, %

Рис.4.43 Дискретные характеристики ТПКГ Характеристика рис.2.43 иллюстрирует зависимость значения требуемой реактивной мощности топологии схемы от вырабатываемой реактивной мощности.

На рис.4.44 представлена структурная схема системы управления ТПКГ для обеспечения компенсации реактивной мощности двигателя.

Рис.4.44 Блок схема системы управления ТПКГ для обеспечения компенсации реактивной мощности, генерируемой асинхронным двигателем в сети Принцип функционирования данной системы управления описан далее. По измеренным токам и напряжениям на клеммах трехфазного двигателя вычисляется требуемое значение реактивной мощности индуктивного характера Q = 31^т5/гт5 — Требуемое значение

реактивной проводимости В вычисляется путем деления значения реактивной мощности одной фазы на действующее значение фазного напряжения. Требуемое значение реактивной проводимости является входным параметром для таблицы соответствия характеристик ТПКГ. Выходным параметром таблицы соответствия является одна из 25 ступеней. Если требуемое значение ступени таблицы соответствия не равно значению предыдущей ступени, то для перехода к следующей ступени необходимо сначала активировать процесс разряда конденсаторов. В процессе разряда конденсаторов реактивная мощность емкостного характера

ТПКГ будет равна нулю. Затем после перехода на следующую ступень ТПКГ снова продолжает вырабатывать реактивную мощность емкостного характера. При этом система управления осуществляет управление ТПКГ таким образом, чтобы вырабатываемая ей реактивная мощность реактивного характера была равна требуемой мощности индуктивного характера двигателя.

4.3.2 Анализ функционирования ТПКГ при компенсации реактивной мощности

В момент пуска асинхронного двигателя ТПКГ начинает компенсировать реактивную мощность, и постепенно (в соответствии с имеющимися 25 ступенями работы) снижает вырабатываемую реактивную мощность емкостного характера. Контроллер управления реактивной мощностью настроен таким образом, что для максимального уровня реактивной мощности (25-ая ступень) скорость должна быть равна нулю, а для второго уровня реактивной мощности емкостного характера скорость вращения должна быть номинальной при полностью нагруженном двигателе. Было проведено моделирование работы двигателя как с ТПКГ, так и без него. Время выхода на установившийся режим двигателя при полной нагрузке составляет примерно 12 секунд; поэтому, для анализа эффекта от компенсации реактивной мощности емкостного характера было проведено моделирование 15 секунд работы двигателя. На рис.4.45 представлена мощность, потребляемая от сети при разгоне двигателя без компенсации (синяя линия) и при работе ТПКГ (красная линия).

10

8

6

ST

1 ^ о

2 О -2

О 5 10 15

Time(s)

Рис.4.45 Мощность, потребляемая из сети при разгоне двигателя без ТПКГ (синяя линия)

и при разгоне с ТПКГ (красная линия)

В процессе разгона двигателя с ТПКГ уровень реактивной мощности индуктивного характера снижается. На рис.4.46 представлены значения вырабатываемой ТПКГ реактивной мощности емкостного характера при его работе в процессе разгона асинхронного двигателя.

Compensated capacitive reactive power

S

i a

о

а

О -6

-7 -8 -9 -10 1

T¡me(s)

Рис.4.46 Значение вырабатываемой ТПКГ реактивной мощности емкостного характера при

разгоне асинхронного двигателя. Для компенсации реактивной мощности требуемого значения требуемый номер ступени подается на вход системы управления (рис.4.47).

Tlme(s)

Рис.4.47 Требуемый номер ступени ТПКГ для выработки требуемого значения реактивной

мощности емкостного характера Одним из преимуществ, обеспечиваемых компенсацией, является снижение тока в линии 1ь (рис.4.48).

RMS phase current without and with compensation

Time(s)

Рис.4.48 Действующее значение фазного тока сети при пуске асинхронного двигателя без компенсации (синяя линия) и с компенсацией с помощью ТПКГ (красная линия) Другим достоинством является увеличение фазного напряжения на клеммах двигателя (рис.4.49), которое ведет к увеличению скорости двигателя и более быстрому выходу на

установившийся режим (рис. 4.50).

RMS phase voltage without and with compensation

210|- i -1-

without TSC with TSC

2°o. - ^ ^ -

190 - -

/

18°- -

*> 17° • -

16° ■ ■

150 ■ -

14°'-1-1-

0 5 10 15

Time(s)

Рис.4.49 Фазное напряжение на обмотках асинхронного двигателя при его пуске без компенсации (синяя линия) и с компенсацией (красная линия)

Motor speed without and with compensation

Tlme(s)

Рис.4.50 Скорость двигателя при пуске без компенсации (синяя линия) и с компенсацией (красная линия) Снижение тока источника ведет к снижению потерь энергии на внутреннем сопротивлении (r) источника (рис.4.51).

104 Losses of power supply without and with compensation

-6as ТПКГ

ч \

Л \ \ V

0 5 10 15

Time(s)

Рис.4.51 Потери на внутреннем сопротивлении сети без компенсации (синяя линия)

и с компенсацией (красная линия) Скачки на приведенных диаграммах обусловлены переходом от одной ступени компенсации к другой, где требуется задержка в один период сети, за который происходит подготовка ТПКГ к переключению, заключающаяся в разряде заряженных конденсаторов.

4.50).

RMS phase voltage without and with compensation

----- with TSC

À A f

/ .1 i /

/ /

j /

----ï -Î 1

5 10

Time(s)

0

На рис.4.52 представлено изменение фазового угла между напряжением и током в сети. При введении компенсации реактивной ток, потребляемый из сети, существенно уменьшается, что и подтверждает эффективную работу ТПКГ при разгоне двигателя.

Рис.4.52. Фазовый угол между напряжением и током сети На рис.4.53(а) представлены временные диаграммы фазовых напряжений и токов при переключении с 25 на 24 ступень, демонстрирующие переходный процесс при переключении между ступенями.

Рис.4.53 Временные диаграммы мгновенных значений напряжения и тока источника, тока ТПКГ и тока двигателя при изменении уровня компенсации реактивной мощности при

переходе от 25 к 24 ступени Можно видеть, что фазовый сдвиг между током и напряжением в сети близок к нулю. В установившемся режиме ток источника является синусоидальным, небольшие искажения возникают лишь в течение небольшого интервала переключения, длящегося приблизительно

один период. Ток ТПКГ опережает напряжение на 90° в установившемся режиме (рис.4.53(Ь)). Ток ТПКГ равен нулю в процессе перехода с одной ступени на другую, скачок тока обусловлен разрядом конденсаторов, который необходим для подготовки ТПКГ к переходу на новую ступень уровня реактивной мощности. Таким образом, с помощью ТПКГ достигается совпадение по фазе суммарного тока с напряжением источника, то есть коэффициент мощности приближается к единице.

4.4 Выводы к главе 4

1. Реализована физическая модель ТПРГ с 34 ступенями работы. Физическая модель ТПРГ состоит из силовой схемы и системы управления. Параметры физической модели рассчитаны в соответствии с аналитическими выражениями, приведенными в предыдущих главах;

2. Показано, что функционирование физической модели в установившихся режимах и переходных процессах соответствует аналитическому описанию работы ТПРГ;

3. Результаты, полученные на физической модели, доказывают эффективность предлагаемой схемы СКРМ для управления реактивной мощностью с отсутствием высших гармоник. Результаты физического моделирования показали также эффективность предлагаемой системы управления;

4. В среде MATLAB/Simulink реализована модель ТПКГ с 25 ступенями, позволяющая исследовать компенсацию реактивной мощности динамической нагрузки (асинхронного двигателя);

5. Результаты моделирования процессов при пуске с асинхронного двигателя от сети с применением ТПКГ демонстрируют эффективность применения ТПКГ при динамической компенсации реактивной мощности. Результаты, полученные на модели, подтверждают эффективность предлагаемой системы управления ТПКГ и работу алгоритма управления ТПКГ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1- Разработаны новые принципы построения СКРМ на основе тиристорно-переключаемых схем, обеспечивающих отсутствие высших гармоник тока во всем диапазоне регулирования реактивной мощности;

2- Предложено применение генетического алгоритма и вид целевой функции для оптимизации параметров реактивных элементов тиристорно-переключаемых схем с целью получения плавных регулировочных характеристик СКРМ;

3- Разработаны и исследованы алгоритмы управления предложенными схемами СКРМ. Выявлены, смоделированы и проанализированы различия в алгоритмах управления компенсаторов с реакторными и конденсаторными группами;

4- Разработана структура системы управления для новых схем построения СКРМ. Сформулированы требования и проанализированы особенности работы для каждого из блоков системы управления.

5- Разработаны имитационные модели тиристорно-переключаемых схем, системы управления и энергосистемы. В программном пакете MATLAB / SIMULINK исследованы процессы в схемах СКРМ в установившемся и переходном режиме работы энергосистемы;

6- С использованием пакета MATLAB / SIMULINK проведен анализ управления напряжением тяговой железнодорожной сети с использованием СКРМ;

7- Разработана, реализована и исследована физическая модель СКРМ, построенная на основе тиристорно-переключаемой реакторной группы;

8- Проведен анализ основных положений диссертации по проектированию СКРМ с тиристорно-переключаемыми схемами на основе результатов моделирования и экспериментальных данных, полученных на физических и имитационных моделях;

9- Результаты работы внедрены при выполнении НИОКР по заказу Минобрнауки РФ № 14.579.21.0140 от 26.09.2017г. «Разработка управляемого источника реактивной мощности с отсутствием высших гармоник тока при регулировании электрической энергии и улучшенными технико- экономическими показателями на основе отечественной компонентной базы силовой электроники для автоматического управления напряжением и потоками мощности в распределительных электрических сетях 6-110 кВ (RFMEFI57917X0140)».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] R. M. Mathur and R. K. Varna, Thyristor-based FACTS controllers for electrical transmission systems, JOHN WILEY & SONS, INC, 2002

[2] P. Kundur, Power system stability and control, Ch.11, McGraw-Hill Education (India) Pvt Limited, 1994

[3] J. Dixon et.al, "Reactive Power Compensation Technologies: State-of-the-Art Review" PROCEEDINGS OF THE IEEE, Vol. 93, No. 12, December 2005

[4] Герасимов С.Е., А.Г.Меркурьев Регулирование напряжения в распределительных сетях.—С-Пб., Центр подготовки кадров СЗФ АО «ГВЦ Энергетики» 1998 r.R. C. Dugan et.al. Electrical Power Systems Quality, Third Edition, McGraw-Hill Education; 3 edition (January 31, 2012)

[5] Кочкин, В.И.; Шакарян, Ю.Г. Применение гибких (управляемых) систем электропередачи переменного тока в энергосистемах, Издательство: M.: Torus Press, 2011

[6] N.G. Hingorani and L. Gyugyi, Understanding FACTS - Concepts and Technology of Flexible AC Transmission Systems. IEEE PESC 98 Record. 29th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference 22-22 May 1998

[7] T. J. E. Miller, Ed., Reactive Power Control in Electric Power Systems, John Wiley and Sons, New York, 1982.

[8] Y. Song, A. Johns, Flexible ac transmission systems. IET, 1999 - Technology & Engineering

[9] C. Maffrand et.al "Binary controlled static VAr compensator, based on electronically switched capacitors" PESC 98 Record. 29th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference, Fukuoka, Japan, 22-22 May 1998

[10] IEEE Special Stability Controls Working Group, "Static Var Compensator Models for Power Flow and Dynamic Performance Simulation," IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 9, No. 1, February 1994, pp. 229-239

[11] Управление потоками электроэнергии и повышение эффективности электроэнергетических систем: учебное пособие /А.П. Бурман, Ю.К. Розанов, Ю.Г. Шакарян. — М.: Издательский дом МЭИ, 2012. — 336 с.: ил.

[12] Y. Pratibha and M. Anwar "Analysis and Minimization of Harmonics of Thyristor Controlled Reactor (TCR)", International Journal of Engineering Research & Technology, Vol. 4 Issue 10, October-2015

[13] A. M. Obais and J. Pasupuleti, "Design of an Almost Harmonic-free TCR," Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology 7(2): 388-395, 2014

[14] K. Kahle, J. Pedersen, T. Larsson and M. de Oliveira, "The New 150 MVAR, 18 kV Static VAR Compensator at CERN: Background, Design and Commissioning," 17th International Conference on Electricity Distribution Barcelona, 12-15 May 2003

[15] N.G. Hingorani "Flexible AC transmission ", IEEE Spectrum ( Volume: 30, Issue: 4, April 1993)

[16] P. Pourbeik et.al "Developing generic static Var system models - a WECC Task Force effort", IEEE PES T&D 2010, New Orleans, LA, USA, 19-22 April 2010

[17] L. Gyugyi, "Power electronics in electric utilities: static VAR compensators", Proceedings of the IEEE, Vol: 76, Issue: 4, April 1988

[18] I. A. Erinmez, Ed., "Static Var Compensators," CIGRE Working Group 38-01, Task Force No. 2 on SVC, Paris,

[19] D. I. Panfilov, A. E. ElGebaly and M. G. Astashev, "Thyristors Controlled Reactors for Reactive Power Control with Zero Harmonics Content", 17th IEEE International Conference on Smart Technologies IEEE EUROCON 2017, Ohrid, Macedonia, 6 - 8 July 2017

[20] D. I. Panfilov, A. E. ElGebaly and M. G. Astashev, "Topologies of thyristor controlled reactor with reduced current harmonic content for static var compensators" 17th EEEIC conference, Milan, Italy, 6-9 June 2017

[21] D. I. Panfilov, A. E. ElGebaly and M. G. Astashev, "Design and evaluation of control system for static VAR compensators with thyristors switched reactors" IEEE 58th International Scientific Conference on Power and Electrical Engineering of Riga Technical University (RTUCON), Riga, Latvia, 12-13 October 2017

[22] D. I. Panfilov, A. E. ElGebaly and M. G. Astashev, "Design and Optimization of New Thyristors Controlled Reactors with Zero Harmonic Content", 18th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices June 29 - July 3, 2017

[23] D.S. Weile and E. Michielssen "Genetic algorithm optimization applied to electromagnetics: a review" IEEE Transactions on Antennas and Propagation. Volume: 45, Issue: 3, Mar 1997

[24] D. I. Panfilov, A. E. Elgebaly and M. G. Astashev, "Design and Assessment of Static VAR Compensator on Railways Power Grid Operation under Normal and Contingencies Conditions", 16th EEEIC conference, Florence, Italy, 7-10 June 2016

[25] N. Garcia ; A. Medina "Fast periodic steady state solution of systems containing thyristor switched capacitors", 2000 power engineering society summer meeting Seattle, Washington USA, 16 - 20 July 2000

[26] IEEE Power System Engineering Committee, "Application of SVC for System Dynamic Performance," IEEE Special Publication 87TH0187-5-PWR, 1987.

[27] The Electric Power Research Institute (EPRI) Report TR-100696, "Improved Static Var Compensator Control," Final Report of Project 2707-01, Prepared by General Electric (GE) Company, Schenectady, NY, June 1992.

[28] IEEE Power Engineering Society/ CIGRE, FACTS Overview, Publication 95TP108, IEEE Press, New York, 1995.

[29] N. G. Hingorani and L. Gyugyi, Understanding FACTS, IEEE Press, 1999.

[30] Y. H. Song and A. T. Johns, Eds., Flexible AC Transmission Systems (FACTS), IEE Press, London, U.K., 1999.

[31] D. Dickmander, B. Thorvaldsson, G. Stromberg, and D. Osborn, "Control System Design and Performance Verification for the Chester, Maine, Static Var Compensator," IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 7, No. 3, July 1992, pp. 1492-1503.

[32] IEEE Special Stability Controls Working Group, "Static Var Compensator Models for Power Flow and Dynamic Performance Simulation," IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 9, No. 1, February 1994, pp. 229-239.

[33] H. E. Schweickardt, G. Romegialli, and K. Reichert, "Closed Loop Control of Static Var Sources (SVS) on EHV Transmission Lines," Paper A 78 135-6, Presented at IEEE/ PES 1978 Winter Meeting, New York, January 29-February 3, 1978.

[34] K. R. Padiyar and R. K. Varma, "Damping Torque Analysis of Static Var System Controllers," IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 6, No. 2, May 1991, pp. 458-465.

[35] K. R. Padiyar and R. K. Varma, "Concepts of Static Var System Control for Enhancing Power Transfer in Long Transmission Lines," Electric Machines and Power Systems, Vol. 18, No. 4-5, July-October 1990, pp. 337-358.

[36] L. J. Bohmann and R. H. Lasseter, "Equivalent Circuit for Frequency Response of a Static Var Compensator," IEEE Transactions on Power Systems, Vol. PWRS-1, No. 4, November 1986, pp. 6874.

[37] J. Belanger, G. Scott, T. Anderson, and S. Torseng, "Gain Supervisor for Thyristor- Controlled Shunt Compensators," CIGRE Paper 38-01, Paris, 1984.

[38] CIGRE Working Group 14-29, "Coordination of Controls of Multiple FACTS/HVDC Links in the Same System," CIGRE Technical Brochure No. 149, Paris, December 1999.

[39] G. Sybille, P. Giroux, S. Dellwo, R. Mazur, and G. Sweezy, "Simulator and Field Testing of Forbes SVS," IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 11, No. 3, July 1996.

[40] P. V. Goosen, R. D. MacFarlane, H. Pesch, P. Sieber, and M. Schubert, "FC-TCR Type Static Compensators in ESKOM's 132 kV Network," CIGRE Paper 38-09, Paris, 1984.

[41] H. Puente, M. L. Burgess, E. V. Larsen, and H. Elahi, "Switching of Large Shunt Reactors Near Static Var Compensators and HVDC Converters," IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 6, No. 1, January 1989, pp. 629-636.

[42] V. D. Albertson, "General Overview: Geomagnetic Storms and Electric Power System Effects," Proceedings of EPRIGIC Conference, San Francisco, November 8, 1989.

[43] H. Bilodeau, S. R. Chano, and J. P. Chayer, "Effect of Geomagnetically Induced Currents on Static Var Compensator Protection Systems," CEA Transactions of Engineering and Operating Division, Paper 92-SP-178, 1992.

[44] E. V. Larsen, D. H. Baker, A. F. Imece, L. Gerin-Lajoie, and G. Scott, "Basic Aspects of Applying SVCs to Series-Compensated ac Transmission Lines," IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 5, No. 3, July 1990, pp. 1466-1473.

[45] L. Gerin-Lajoie, G. Scott, S. Breault, E. V. Larsen, D. H. Baker, and A. F. Imece, "Hydro-Quebec

Multiple SVC Application Control Stability Study," IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 5, No. 3, July 1990, pp. 1543-1551.

[46] IEEE Substations Committee, "IEEE Guide for Static Var Compensator Field Tests," IEEE Standard 1303-1994.

[47] Е. В. Аметистов, А.П. Бурман, В. А. Строев, Основы современной энергетики, Издательство МЭИ, 2003

[48] Hua Jin ; G. Goos ; L. Lopes, "An efficient switched-reactor-based static VAr compensator" IEEE Transactions on Industry Applications, Volume: 30, Issue: 4, Jul/Aug 1994

[49] L. Gyugyi, "Fundamentals of Thyristor-Controlled Static Var Compensators in Electric Power System Applications," IEEE Special Publication 87TH0187-5-PWR, Application of Static Var Systems for System Dynamic Performance, 1987, pp. 8-27.

[50] G. Celli ; F. Pilo ; S.B. Tennakoon. "Voltage regulation on 25 kV AC railway systems by using thyristor switched capacitor" Ninth International Conference on Harmonics and Quality of Power Orlando, FL, USA, Oct. 2000

[51] В.А. Соловьев, Н.Е. Дерюжкова, А.В. Купова. "Моделирование статического тиристорного компенсатора в системе энергоснабжения дуговой сталеплавильной печи" Bulletin of the South Ural State University Series "Power Engineering" 2014, vol. 14, no. 2, pp. 23-28

[52] Hadi Saadat. Power System Analysis, Third Edition McGraw-hill series in Electrical and Computer Engineering, 1999

[53] M. G. Astashev, D. I. Panfilov, A.N. Rozhkov, P. A. Rashitov, D.A. Seregin. "Automated Control Unit of Power Flow in Intellectual Electricity Distribution Network", Proceedings of the Scientific-Practical Conference "Research and Development - 2016", Springer International Publishing, Chapter 17., 2017, pp 737

[54] P C Sen, Principles of Electrical Machines and Power Electronics, JOHN WILEY & SONS, INC, 1997

[55] А.И. Вольдек, В.В.Попов, Электрические машины Машины переменного тока, Учебник для вузов. - СПб.: Питер, 2010

[56] Stephen Chapman, Electric Machinery Fundamentals, McGraw-Hill Companies, Incorporated, 2005

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Акты о внедрении результатов диссертационной работы

«Утверждаю» роректор но научной работе 1ИУ «МЭИ»

В.К. Драгунов 2018 г.

Л IC I

об использовании в учебно-научном процессе «НИУ «МЭИ» результатов диссертационной работы Элгибали Ахмеда Элсайед Ибрагима «Разработка и исследование статических компенсаторов реактивной мощности на основе тиристорно - переключаемых схем», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук но специальности 05.09.12 «Силовая

электроника»

Настоящим актом подтверждается использование результатоЕ диссертационной работы Элгибали Ахмеда Элсайед Ибрагима и учебно-научном процессе кафедры Промышленной электроники по направлению «Электроника и паноэлектроника» при проведении учебных занятий но дисциплинам «Моделирование электронных устройств и систем», «Преобразовательные установки» а также в НИР, выполняемых па кафедре 11ромын1лснной электроники по разработке цифровых систем управления тиристорных преобразователей, предназначенных для работы в составе энергосистемы.

Зам заведующего кафедрой ПЭ по учебной работе, к.т.н., проф.

Зам заведующего кафедрой ПЭ по научной работе,

к.т.н., доц. IV./1

Н.П. Щепкин

.Д. РаIпитон

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им Г. М КРЖИЖАНОВСКОГО

им Г. М КРЖИЖАНОВСКОГО

энин

Для предоставления н диссертационный совет: Д 212.157.12 ФГБОУ ВО«11ИУ «МОИ»

«Утверждаю» «■директор ЛО «ЭНИН» к.т.н. Кононеико В.Ю.

Акционерное овщесгво Энергетически* институт им ГМ Кржкжэисеского' (АО 'ЭНИН') 119071. г. Мос«оа Ленинский проспект. д 19. Теп »7(495) 770-31-00, «7(4») 770-31-01

*а«с -7(495) 770-31-03 E-mal postboxgemnnet fu ИННЖПП 772SOM4S4/772S01001 Р/с 40705810800100000634 в ПАО -MtVbaHf' г Моема БИК 044525600 Юс 30101810300000000600

2017 г.

АКТ

о пне.трении результатов диссертационной работы Элгнбалн Ахмеда Элсайед Ибрагима

Настоящим актом подтверждается, что результаты диссертационной работы на соискание ученой степени кандидата технических наук «Разработка и исследование статических компенсаторов реактивной мощности на основе тиристорно - переключаемых схем», выполненной Элгибали Ахмедом Элсайед Ибрагимом внедрены в НИОКР, выполненного АО «ЭНИН»:

НИОКР «Разработка управляемого источника реактивной мощности с отсутствием высших гармоник тока при регулировании электрической энергии и улучшенными технико-экономическими показателями на основе отечественной компонентной базы силовой электроники для автоматического управления напряжением и потоками мощности в распределительных электрических сетях 6-110 кВ (ЯГМЕП57917X0140)». Федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы». Соглашение АО «ЭНИН» и Минобрнауки России № 14.579.21.0140 от 26.09.2017г:

Перечень внедренных результатов:

1. Новые топологии статических тирнсторных компенсаторов (СТК) реактивной мощности на основе тиристорно - переключаемых схем. обеспечивающие отсутствие высших гармоник в регулируемом токе;

2. Система управления и алгоритмы управления новыми топологиями СТК. обеспечивающие компенсацию реактивной мощности с повышенной дискретностью и отсутствие высших гармоник в регулируемом токе.

3. Имитационные модели силовых схем и системы управления новых топологий СТК, позволяющие исследовать влияние параметров СТК на режимы работы энергосистемы с СТК.

Заведующий Лабораторией электрофизических процессов и возобновляемой энергетики Д.Т.Н., проф.

Ученый секретарь АО «ЭНИН», д.т.н.