Разработка регулятора пассивных фильтров для систем электроснабжения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, кандидат технических наук Гринберг, Роман Петрович

• Гринберг, Роман Петрович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гринберг, Роман Петрович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТЬ КРИВЫХ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ (СЭ)

1.1. Источники высших гармоник тока и напряжения в СЭ.

1.2. Влияние высших гармоник тока и напряжения на работу электрических и электронных аппаратов и других электротехнических устройств.

1.3. Показатели качества и нормирование несинусоидальности кривых тока и напряжения.

1.4. Способы снижения несинусоидальности в СЭ.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА II. УСТРОЙСТВА ФИЛЬТРАЦИИ ВЫСШИХ ГАРМОНИК ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ

2.1. Пассивные фильтры.

2.2. Активные фильтры.

2.3. Регулируемые фильтры.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА III. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПА УПРАВЛЕНИЯ И ЕГО СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ДЛЯ СТАТИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ СЭ

3.1. Блок-схема и алгоритм работы системы управления.

3.2. Анализ и определение эффективных методов управления, обеспечивающих требуемые функции в статическом режиме работы СЭ.

3.3. Математическое и физическое моделирование СЭ с силовым регулируемым фильтром.

3.4. Анализ факторов, влияющих на эффективность силового регулируемого фильтра в динамических режимах СЭ.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА IV. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИЛОВОГО РЕГУЛИРУЕМОГО ФИЛЬТРА В ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМАХ СЭ

4.1. Определение методов построения корректора параметров на основе нечеткой логики управления силового регулируемого фильтра.

4.2. Разработка нечеткого корректора параметров системы управления силового регулируемого фильтра.

4.3. Математическое моделирование силового регулируемого фильтра с улучшенными динамическими характеристиками в составе СЭ.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка регулятора пассивных фильтров для систем электроснабжения»

Одним из традиционных способов снижения несинусоидальности кривых тока и напряжения является использование пассивных фильтров. Пассивные фильтры представляют собой LC-цепи, настроенные в резонанс на частоты высших гармоник. Главным достоинством пассивных фильтров является низкая стоимость. Однако, наличие ряда серьезных недостатков таких, как низкая добротность, технологический разброс параметров реакторов и конденсаторов фильтра, возможность возникновения опасных резонансных явлений и негативное влияние на переходные процессы в СЭ при установке фильтра привели к значительному сокращению и ограничению использования пассивных фильтров.

С развитием силовой электроники появилась возможность создания активных фильтров высших гармоник. Имея в своей основе четырехквадрантный преобразователь на полностью управляемых силовых полупроводниковых приборах, активный фильтр обеспечивает высокую эффективность фильтрации высших гармоник. Однако, широкое применение активных фильтров ограничивает их высокая стоимость, связанная с большой установленной мощностью. В связи с этим, наиболее перспективным направлением является разработка силовых регулируемых фильтров, представляющих собой комбинацию пассивного фильтра и активного элемента (регулятора) на базе маломощного активного фильтра. Практика применения показывает, что имеется необходимость фильтрации одной или нескольких высших гармонических составляющих в СЭ. Не имея недостатков пассивного фильтра, силовой регулируемый фильтр позволяет решить данную задачу при существенно меньшей стоимости устройства по сравнению с активным фильтром.

Особенно важным аспектом, не учитываемом в имеющихся разработках, является функционирование силового регулируемого фильтра в переходных (динамических) режимах работы СЭ, например, при подключении/отключении потребителей. В результате, несмотря на эффективную фильтрацию на частоте настройки в установившихся (статических) режимах СЭ, регулятор негативно влияет на переходной процесс в СЭ. Это связано с противоречивостью требований к регулятору в статических и динамических режимах работы СЭ.

Таким образом, необходима коррекция параметров системы управления активного элемента в динамических режимах, при этом полностью устраняя недостатки пассивного фильтра в статических режимах работы СЭ.

Данная задача и определила тему диссертационной работы.

Цель работы Улучшение характеристик силового регулируемого фильтра в статических и динамических режимах для обеспечения высокого качества фильтрации на частоте настройки и демпфирования резонансных явлений в СЭ.

Достижение цели исследования потребовало решения следующих научно-исследовательских и практических задач:

1. Проведение аналитического обзора современных научно-технических решений для снижения несинусоидальности в СЭ и выявление наиболее перспективных разработок с применением силовых электронных приборов

2. Разработка нового способа управления, позволяющего улучшить характеристики силового регулируемого фильтра в переходных режимах, при сохранении высокого качества фильтрации на частоте настройки фильтра и демпфировании резонансных явлений в установившихся режимах СЭ

3. Разработка корректора параметров системы управления силового регулируемого фильтра СЭ на основе нечеткой логики;

4. Разработка математических моделей силового регулируемого фильтра в составе СЭ.

Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы методы математического анализа (дифференциальное исчисление, матричная и векторная алгебра), методы теории электрических цепей, численные методы решения уравнений на ЭВМ, методы теории автоматического управления (частотные характеристики и частотный анализ качества), методы цифрового моделирования и численного анализа.

Обоснованность и достоверность результатов. Справедливость теоретических положений подтверждается результатами компьютерного и физического моделирования, использованием апробированных методов анализа электромагнитных процессов в силовых электронных устройствах и корректностью принятых допущений.

Научная новизна. На защиту выносятся следующие результаты: - Впервые предложен способ управления активным элементом силового регулируемого фильтра, основанный на создании управляемого импеданса в широком частотном диапазоне, улучшающий качество фильтрации в статических и динамических режимах СЭ.

- Впервые предложена коррекция параметров системы управления регулятора с использованием аппарата нечеткой логики, позволяющая улучшить динамические характеристики при различных возмущениях.

- Разработаны математические модели, позволяющие оценить технические характеристики силового регулируемого фильтра в различных режимах работы СЭ.

Практическая ценность. Результатом выполненной работы стала разработка схемотехнических решений и методов управления для создания силовых регулируемых фильтров с улучшенными характеристиками. Результаты работы могут быть использованы при разработке различных типов активных и регулируемых фильтров, а также для модернизации пассивных фильтров, находящихся на эксплуатации в составе СЭ.

Реализация работы. Полученные результаты использованы в работах проводимых кафедрой ЭиЭА МЭИ(ТУ) совместно с ОЭМИП ФГУП НИИЭМ по разработке макетных образцов серии устройств для повышения качества электроэнергии.

Апробация. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях: МКЭЭ'2000 (Россия), РЭЭ'2001-2003 (Россия), СЭЭ'2002-2003 (Украина), а также на заседаниях кафедры Электрических и Электронных Аппаратов в 2000-2005 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, работа над диссертацией отмечена стипендией Ученого Совета МЭИ'2001-2002.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем работы составляет 154 стр. и содержит 67 рисунков, 12 таблиц, 80 наименований списка литературы и приложение.

Заключение диссертации по теме «Электромеханика и электрические аппараты», Гринберг, Роман Петрович

Основные результаты и выводы диссертационной работы заключаются в следующем:

1) Разработан новый способ управления силовым электронным регулятором параметров пассивного фильтра, основанный на создании управляемого импеданса в широком частотном диапазоне, улучшающий качество фильтрации в статических и динамических режимах СЭ;

2) Показано, что последовательное подключение регулятора к пассивной части и использование обратной связи по току высших гармоник сети на базе преобразования во вращающихся координатах с ФАПЧ синхронизацией и фильтрами постоянных составляющих позволяет существенно повысить качество фильтрации на частоте настройки и полностью устранить резонансные явления, вызываемые как несинусоидальностью тока потребителя, так и несинусоидальностью напряжения сети;

3) Разработан корректор параметров фильтров низких частот канала выделения высших гармоник тока сети для системы управления силового электронного регулятора, обеспечивающий высокое качество переходных процессов на выходе регулятора с сохранением высокой эффективности фильтра в статических режимах;

4) Показано, что использование нечеткой логики для коррекции параметров системы управления позволяет существенно улучшить динамические характеристики силового регулируемого фильтра. В перспективе, корректор может быть использован с расширением диапазона различных видов возмущений, а также для системного управления;

5) Разработана математическая модель пассивного фильтра с силовым электронным регулятором в программном комплексе MatLab, позволяющая оценить эффективность фильтрации в статических и динамических режимах СЭ.

133

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гринберг, Роман Петрович, 2005 год

1. Розанов Ю. К. Основы силовой электроники.— М.: Энергоатомиздат, 1992.- 296 с.

2. Mohan N., Underland Т. М., Robbins W. P. Power Electronics Converters, application and design New York: John Wiley and Sons, 1995 — 820 p.

3. Выготский M. Я. Справочник по высшей математике.— M.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1957.- 620 с.

4. Skvarenina Т. Power Electronics Handbook.- Boca Raton: CRC Press, 2002.664 p.

5. Rashid M. Power Electronics Handbook.- В.: Academic Press, 2001.-895 p.+

6. Sabin D., Sundaram A. Quality Enhances Reliability // Spectrum IEEE.- 1996. №2.-P. 38-44.

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

8. Cameron M. M. Trends in Power Factor Correction with Harmonic Filtering // Spectrum IEEE.- 1993.- № 7.- P. 45^8.

9. Pitel I., Talukdar S. A review of the effects and suppression of power converter harmonics // IAS annual meeting: Тез. докл.- W., 1977.-P. 119- 127.

10. Жежеленко И. В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий.- М.: Энергоатомиздат, 1984,- 272 с.

11. Железко Ю.С. Компенсация реактивной мощности и повышение качества электроэнергии-М.: Энергоатомиздат, 1985.—224 с.

12. Электротехническая продукция Schneider Electric: Каталог / Schneider Electric.- P., 2002.- 105 с.

13. Испытания макетных образцов компенсированных выпрямительно-инверторных преобразователей на электровозе BJI85-023: Отчет о НИР / ВНИИЖТ; Госрегистрация №01870054572.-М., 1987.-107 с.

14. Широченко Н. Н., Татарников В. А., Бибинеишвили 3. Г. Улучшение энергетики электровозов переменного тока / Железнодорожный транспорт.- 1988.- №7.- С.33-37.

15. Кулинич Ю. М. Повышение качества электроэнергии, потребляемой электровозом однофазно-постоянного тока, на основе применения гибридного компенсатора реактивной мощности: Дис. . докт. техн. наук.- М., МЭИ, 2002.- 180 с.

16. Климов В. П., Москалев А. Д. Проблемы высших гармоник в современных системах электропитания // Практическая силовая электроника. Науч.-техн.сб. / Под ред. Малышкова Г. М., Лукина А. В.— М.: АОЗТ ММП-Ирбис, 2002.- с.8-15.

17. Климов В. П., Москалев А. Д. Способы подавления высших гармоник тока в системах электропитания — М.: АОЗТ ММП-Ирбис, 2002 — 8 с.+

18. Houdek J. A. Economical Solutions to Meet Harmonic Distortion Limits.- P.: MTE Corporation, 1999.-5 p.

19. Dugan R. C., McGranaghan M. F., Beaty H. W. Electrical Power Systems Quality.- L.: McGraw-Hill, 1996.- 265 p.

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

21. Fujita Н., Yamasaki Т., Akagi Н. A hybrid active filter for damping of harmonic resonance in industrial power systems // IEEE transactions on power electronics.- 2000.- vol.15.- №2.- P. 215-222.

22. Collombet C., Lupin J. M., Shonek J. Harmonic disturbances in networks and their treatment // Schneider Electric cahiers techniques.— 1999.— №152.— 31 p.

23. Электрические и электронные аппараты: Учебник для ВУЗов / под ред. Ю. К. Розанова.- 2-е изд., испр. и доп.- М.: Информэлектро, 2001- 421 с.

24. Collombet М., Lacroix В. LV circuit breakers confronted with harmonics, transients and cyclic currents // Schneider Electric cahiers techniques 1999-№192.- 16 p.

25. Лещев А. И., Москалев Б. А. Электромагнитная совместимость электровозов с системой тягового электроснабжения // Сб. трудов 2 Международного симпозиума / МИИТ.— 1990.- С.136-137.

26. Солодунов A.M., Иньков Ю.М., Коваливкер Г.Н., Литовченко В.В. Преобразовательные устройства электропоездов с асинхронными тяговыми двигателями —Рига: Зинатие, 1991.-352 с.

27. Мамошин P.P. Повышение качества энергии на тяговых подстанциях дорог переменного тока.- М.: Транспорт, 1973.- 224 с.

28. EN 50160. Voltage characteristics of electricity supplied by public distribution systems D.: Standards, 1999 - 38 p.

29. IEC 61000-3-2. Electromagnetic compatibility (EMC). Limits for harmonic current emissions (equipment input current up to and including 16 A per phase).- D.: Standards, 2001- 30 p.

30. IEC 61000-3-4. Electromagnetic compatibility (EMC). Limitation of emission of harmonic currents in low-voltage power supply systems for equipment with rated current greater than 16 A.— D.: Standards, 1998.- 75 p.

31. IEC 61000-2-2. Electromagnetic compatibility (EMC). Environment -Compatibility levels for low-frequency conducted disturbances and signalling in public low-voltage power supply systems.- D.: Standards, 1990.- 57 p.

32. IEC 61000-2-4. Electromagnetic compatibility (EMC). Environment -Compatibility levels in industrial plants for low-frequency conducted disturbances.-D.: Standards, 1994.-75 p.

33. IEEE-519. IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems,.- W.: JSC, 1992 65 p.

34. Guide to harmonics with AC drives S.: ABB Industry, 2002 - 32 p.

35. Harmonic filters application and design.- Barselona: Circutor S.A., 2001.-151. P

36. Добрусин JI. А. Основы теории и проектирования оптимальных фильтрокомпенсирующих устройств для преобразователей: Дис. . докт. техн. наук М., МЭИ, 2002 - 133 с.

37. Ивакин В. Н., Сысоева Н. Г., Худяков В. В. Электропередачи и вставки постоянного тока и статические тиристорные компенсаторы— М.: Энергоатомиздат, 1993.-420 с.

38. Иванов В. С., Соколов В. И. Режимы потребления и качество электроэнергии систем электроснабжения промышленных предприятий.— М.: Энергоатомиздат, 1987.- 336 с.

39. Gyugyi L., Stricula Е. С. Active AC Power Filters // IAS annual meeting: Тез. докл.- В., 1976.- P. 529-535.

40. Stacey E. J., Strycula E. C. Hybrid power filters // IAS annual meeting: Тез. докл.- W., 1977.-P. 1133-1140.

41. Чжан Дайжун. Исследование активных фильтров-компенсаторов на базе мостового инвертора для динамической компенсации неактивной составляющей мощности: Дис. . канд. техн. Наук —М., МЭИ, 1993.— 129 с.

42. Рябчицкий М. В. Регулятор качества электроэнергии: Дис. . канд. техн. наук.- М., МЭИ, 1999.- 119 с.

43. Кваснюк А. А. Регулятор качества электроэнергии с расширенной областью функциональных возможностей: Дис. . канд. техн. наук — М., МЭИ, 2002.-133 с.

44. Иванов И. В. Исследование и разработка регулятора сетевого фильтра высших гармоник для систем автономного электроснабжения: Дис. . канд. техн. наук М., МЭИ, 1993.- 146 с.

45. Гапеенков А.В. Анализ и разработка способов улучшения электромагнитной совместимости в автономных системах электроснабжения: Дис. . канд. техн. наук.-М., МЭИ, 1999.- 155 с.

46. Стрикос Д. Анализ и исследование нового класса силовых фильтров для трехфазных промышленных сетей 380 В: Дис. . канд. техн. наук.- М., МЭИ, 2000.- 162 с.

47. Электротехническая продукция Electronicon: Каталог / Electronicon.— М., 2002.- 30 с.

48. Демирчян К. С. Теоретические основы электротехники: Учебник для ВУЗов. В 3-х томах. Том 1. Изд. 4 М.: Изд-во СПБ Питер, 2004 - 463 с.+

49. Электротехнический справочник: В 4 т. / под. ред. Герасимова В. Г.- М.: Изд-во МЭИ, 2003. Т. 2.- 518 с.

50. Akagi Н. New trends in active filters for power conditioning // IEEE Transactions on industry applications 1996 - vol.32.-№6 - P. 1312-1322.

51. Akagi H. Control strategy and site selection of a shunt active filter for damping of harmonic propagation in power distribution systems // IEEE Transactions on power delivery 1997.- vol.12.- №1.- P. 354-363.

52. Розанов Ю. К., Рябчицкий M. В., Кваснюк А. А. Новые функции активного фильтра // Межвузовский сборник научных трудов / ЧГУ — 1998.- С. 45-49.

53. Le Roux A. D., Mouton Hd. Т., Akagi Н. Digital control of an integrated series active filter and diode rectifier with voltage regulation // IEEE Transactions on industry applications.- 2003 — vol.39.- №6.- P. 1814-1820.

54. Aredes M., Monteiro L. F. C., Mourente J. Control strategies for series and shunt active filters // IEEE PowerTech Conference Proceedings: Тез. докл.— В., 2003.- P. 23-29.

55. Hyosung К., Akagi H. The instantaneous power theory on the rotating p-q-r reference frames // Power Electronics and Drive Systems Conference: Тез. докл.- Т., 1999.- P. 422-427.

56. Розанов Ю. К., Рябчицкий М. В., Кваснюк А. А. Гринберг Р. П. Эффективность фильтрации токов высших гармоник средствами силовой электроники // Вторая всероссийская научно-техническая конференция

57. Устройства и системы энергетической электроники»: Тез. докл.— М., 2000.- С. 76-78.

58. Розанов Ю. К., Гринберг Р. П. Вопросы управления гибридными фильтрами // IV Международная конференция «Электротехника, Электромеханика и Электротехнологии»: Тез. докл.— Клязьма, 2000.— С. 365-366.

59. Bhattacharia S., Divan D. M., Banejee B. Active filter solutions for utility interface // IEEE ISIE conference: Тез. докл.- P., 1995.- P. 53-61.

60. Fujita H., Akagi H., Nabae A. A combined system of shunt passive and series active filters an alternative to shunt active filters // EPE conference: Тез. докл.— S., 1991.-P. 12-17.

61. Четти П. Проектирование ключевых источников электропитания.— М.: Энергоатомиздат, 1990 420 с.

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

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

64. Srianthumrong S., Fujita Н., Akagi Н. Stability analysis of a series active filter integrated with a double series diode rectifier // IEEE Transactions on power electronics 2002 - vol.17.- №1- P. 117-124.

65. Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств Oread 9.2 М.: Солон-Р, 2001.- 700 с.

66. Розанов Ю. К., Рябчицкий М. В., Кваснюк А. А. Гринберг Р. П. Моделирование энергетических систем с фильтрами высших гармоник //

67. Международная научно-техническая конференция «Силовая электроника и энергоэффективность»: Тез. докл.— Алушта, 2000 С. 44-45.

68. Савоськин А. Н., Кулинич Ю. М., Гринберг Р. П. Повышение коэффициента мощности электровоза // Электротехника 2002.— №5 — С. 11-16.

69. Дьяконов В., Круглов В. Математические пакеты расширения MATLAB: Специальный справочник СПб: Питер, 2001.—480 с.

70. Дьяконов В., Круглов В. MATLAB. Анализ, идентификация и моделирование систем: Специальный справочник.- СПб: Питер, 2002 — 448 с.

71. Герман-Галкин С. Компьютерное моделирование преобразователей в пакете Matlab.- М.: Корона Принт, 2001.- 320 с.

72. CSNA-111: Product Datasheet / Honewell Inc.- В., 2002 5 p.

73. Isolation Amplifier HCPL 7800: Datasheet / Agilent Technologies- LA., 2002. 10 p.

74. IR components: Catalogue / International Rectifier C., 2001.- 250 p.+

75. C167CR derivatives: user's manual / Infineon Technologies- M., 2002.- 4801. P

76. Асаи К., Ватада Д., Иваи С. Прикладные нечеткие системы: Пер. с нем.— М.: Мир, 1993.-368 с.

77. Zadeh L. A. Fuzzy Sets // Information and control.- 1965.-№.8.- P. 338 -353.

78. Mamdani E. H., Assilian S. An Experiment in Linguistic Synthesis with a Fuzzy Logic Controller // In Int. J. Man-Machine Studies 1975 - vol.7.- P. 32-39.

79. Dell'Aquilla A., Liserre M., Cecatti C., Ometto A. A Fuzzy logic CC-PWM three-Phase AC-DC converter // IAS Conference: Тез. докл.- W., 2000 P. 987-992.

80. Dell'Aquilla A., Lecci A., Zanchetta P., Sumner M., Palethorpe B. Novel voltage control for active shunt power filters // ISIE conference: Тез. докл.-H., 2002.- P. 924-929.

81. Рябчицкий M. В., Гринберг Р. П. Регулятор электрических параметров силового резонансного фильтра // Международная научно-техническая конференция «Силовая электроника и энергоэффективность»: Тез. докл.— Киев, 2002.- С. 40-43.