Регулятор качества электроэнергии для однофазных локальных систем электроснабжения

На  правах рукописи

Корчагин  Александр  Владимирович

РЕГУЛЯТОР  КАЧЕСТВА  ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ  ДЛЯ

ОДНОФАЗНЫХ  ЛОКАЛЬНЫХ  СИСТЕМ

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.09.01 - Электромеханика и электрические  аппараты

Автореферат  диссертации  на  соискание  учёной  степени кандидата технических наук

Новочеркасск - 2006

 

Работа выполнена на кафедре теоретических основ  радиотехники Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Таганрогский государственный радиотехнический университет".

 

 

 Научный  руководитель:                     кандидат технических наук,

                                                                      доцент Терешков В.В.

 

 

Официальные оппоненты:                  доктор технических наук,

                                                                  профессор Розанов Ю.К.,

 

                                                                   кандидат технических наук,

                                                                   доцент Головченко В.А.

 

 

Ведущая организация:                          ОАО «ВЭлНИИ» (г. Новочеркасск)

 

Защита состоится 17октября  2006 г.   в 10 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д. 212.304.08  при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)" в аудитории № 107 главного корпуса по адресу: 346428, Ростовская обл., г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132.

 

 

С диссертацией можно  ознакомиться в Научно – технической библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)". С текстом автореферата можно ознакомиться на сайте ЮРГТУ (НПИ)   www.npi-tu.ru .

 

 

               Автореферат разослан  «11» сентября 2006 г.

 

 

Учёный секретарь 

диссертационного совета Д. 212.304.08

кандидат технических наук доцент                                Скубиенко С.В.  
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

 

Актуальность  работы. Системы электроснабжения (СЭС) обеспечивают потребителей электроэнергией регламентированного качества. Для России требования к качеству электроэнергии отражены в межгосударственном стандарте ГОСТ 13109-97 "Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения". Однако, как показывают исследования (в том числе и проведенные в ходе диссертационных исследований),  в реальности данные нормы далеко не всегда соблюдаются. Это приводит к неоптимальным режимам работы и даже к повреждениям элементов СЭС и приёмников электроэнергии, а также к увеличению потерь энергии. Поэтому в настоящее время весьма актуальной является проблема контроля и поддержания (регулирования) качества электроэнергии.

Европейским Комитетом  по стандартизации в электротехнике Европейского Союза принят стандарт EN61000-3-2 "Предельные значения гармонических излучений", вступивший в действие в странах ЕС с 01.01.2001. Согласно требованиям этого стандарта для всех электроприёмников мощностью более 50 ВА устанавливаются ограничения на уровни гармонических составляющих входного тока от второй до сороковой гармоники. Отсюда вытекает, что для бестрансформаторных (ключевых) источников вторичного электроснабжения мощностью более 50 ВА обязательна постановка регуляторов качества электроэнергии.

В связи с этим необходимо производство ключевых источников вторичного электроснабжения, оснащенных регуляторами качества электроэнергии (РКЭ), для всех сфер применения. Поэтому разработка и исследования РКЭ является актуальной проблемой современной электротехники.

Традиционно для решения  задач регулирования качества электроэнергии применялись тиристорные стабилизаторы напряжения, компенсаторы реактивной мощности и пассивные фильтры. Возможность использования силовых электронных устройств в качестве активных РКЭ начала привлекать внимание специалистов начиная с середины 70-х годов 20 века. Значительный вклад в разработку многофункциональных РКЭ внесли отечественные учёные из Московского энергетического института и Всероссийского электротехнического института.

Однако в настоящее  время недостаточно проработан ряд  вопросов, связанных с разработкой и исследованием многофункциональных регуляторов качества электроэнергии, предназначенных для компенсации мощности искажений (высших гармоник потребляемого тока), реактивной мощности первой гармоники и стабилизации напряжения на значительно изменяющейся нелинейной нагрузке.

Предмет (объект) исследований - регулятор качества электроэнергии (РКЭ), работающий в составе локальной СЭС и позволяющий стабилизировать напряжение на значительно изменяющейся нелинейной нагрузке мощностью около 10 кВт, подключенной к его выходу; поддерживать заданную форму тока, потребляемого из СЭС,  и компенсировать высшие гармоники тока, имеющиеся в СЭС.

Цель диссертации: разработка и исследование регулятора качества электроэнергии (РКЭ), позволяющего стабилизировать напряжение на значительно изменяющейся нелинейной нагрузке мощностью около 10 кВт, подключенной к его выходу; поддерживать заданную форму тока, потребляемого из СЭС,  и компенсировать высшие гармоники тока, имеющиеся в СЭС.

Для достижения цели в работе необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать современное состояние источников вторичного электропитания и устройств для регулирования качества электроэнергии. На основе этого анализа выбрать базовую схему силовой части РКЭ мощностью около 10 кВт и наметить пути достижения поставленной цели.
2. Разработать математическую модель силовой части РКЭ в составе однофазной локальной СЭС. На основе анализа полученной модели оценить протекающие  процессы, получить основные характеристики силовой части РКЭ и дать рекомендации по определению параметров её основных элементов.
3. Разработать систему управления РКЭ, позволяющую стабилизировать напряжение на значительно изменяющейся нелинейной нагрузке; поддерживать заданную форму тока, потребляемого из СЭС,  и компенсировать высшие гармоники тока, имеющиеся в СЭС.
4. Провести численное исследование и физическое моделирование РКЭ с целью подтверждения адекватности математической модели.
5. Рассмотреть вопросы схемотехнической реализации основных узлов РКЭ.

Методы исследований, применяемые в диссертационной работе: использование эквивалентных схем СЭС и схем замещения электротехнических устройств, методы теории электрических цепей, методы теории автоматического управления, математическое моделирование работы силовой части РКЭ с помощью метода усреднённого пространства состояний, применение математического аппарата дифференциальных уравнений и операторного исчисления, численное моделирование РКЭ с применением пакетов программ; физическое моделирование РКЭ.

Научная новизна работы  заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель силовой части РКЭ в составе однофазной локальной СЭС, отличающаяся компактной аналитической записью в матричной форме и учётом параметров локальной СЭС.
2. Разработана линеаризованная математическая модель силовой части РКЭ, отличающаяся возможностью применения для синтеза системы управления РКЭ.
3. Разработан принцип построения и алгоритм функционирования системы управления РКЭ, позволяющей достичь новой совокупности свойств, отличающейся от совокупности свойств известных РКЭ.

Практическая  ценность работы заключается в следующем:

1. Разработана структурная схема системы управления РКЭ, отличающаяся наличием двух контуров, один из которых реализует модальный принцип управления, а второй -  адаптивный. Подобные схемы могут использоваться для управления сложными объектами, работающими в условиях значительной неопределённости параметров и влияющих факторов. Данный принцип построения применен при разработке устройств серии RL в НИЛ АП (г. Таганрог) и испытательных машин в СКБИМ (г. Армавир).
2. Выработаны рекомендации по определению основных параметров РКЭ и по выбору его элементов, учитывающие особенности разработанного РКЭ и его использования в локальных СЭС. Эти результаты применены в СКБИМ (г. Армавир) и в учебном процессе АМТ (г. Армавир).
3. Сформулированы методики моделирования и разработки РКЭ, отличающиеся достаточной общностью основных этапов и их реализацией на примере рассматриваемого РКЭ. Данные результаты использованы при выполнении госбюджетной научно-исследовательской работы и при проведении занятий в ТРТУ (г. Таганрог) и в учебном процессе АМТ (г. Армавир).
4. Получены теоретические и экспериментальные оценки характеристик разработанного РКЭ, что позволяет определить возможности его использования для конкретных практических случаев. Полученные оценки наряду с другими результатами численного и экспериментального исследования использованы при выполнении госбюджетной НИР в ТРТУ (г. Таганрог).

Достоверность полученных результатов  подтверждаются:

• использованием традиционных методических принципов современной науки и известных методов анализа и синтеза;
• непротиворечивостью математических выкладок и преобразований;
• отсутствием отрицательных отзывов на доклады и публикации по работе;
• выдачей патента на разработанное устройство;

Реализация  результатов работы. Результаты диссертационной работы реализованы в рамках:

1. Двух госбюджетных научно-исследовательских работ, выполняемых на радиотехническом факультете Таганрогского государственного радиотехнического университета.
2. Научно – исследовательской работе при разработке серийно выпускаемых изделий Научно-исследовательской лаборатории автоматизации приборостроения (г. Таганрог).
3. Проектно – конструкторской работе Специального конструкторского бюро испытательных машин (г. Армавир).
4. Учебном процессе кафедры теоретических основ радиотехники Таганрогского государственного радиотехнического университета.

     Внедрение  результатов диссертационной работы  подтверждается соответствующими актами.

Основные  положения, выносимые на защиту.

1. Результаты анализа современного состояния источников вторичного электропитания и устройств регулирования качества электроэнергии.
2. Математическая модель силовой части РКЭ в составе однофазной локальной СЭС, полученная на основе применения метода усреднённого пространства состояний.
3. Рекомендации по определению основных параметров РКЭ и по выбору его элементов.
4. Линеаризованная математическая модель силовой части РКЭ, применяемая для синтеза системы управления РКЭ.
5. Принцип построения и структурная схема системы управления РКЭ.
6. Методики моделирования и разработки РКЭ.
7. Результаты численного исследования и физического моделирования РКЭ.

Апробация. Основные научные и технические результаты были представлены на:

1.  Научно – технических семинарах кафедры теоретических основ радиотехники  Таганрогского государственного радиотехнического университета  (ТРТУ) в 2003-2006 гг.;

2. Научно – техническом семинаре кафедры «Электрические, электронные и микропроцессорные аппараты» Южно-Российского государственного технического университета (ЮРГТУ-НПИ) в апреле 2006г.;
3. Научно – техническом семинаре кафедры физики Армавирского государственного педагогического университета в апреле 2006 года;
4. Научно – технической конференции ТРТУ в октябре 2005г.;
5. Научно – технической конференции Армавирского филиала Кубанского государственного технологического университета в марте 2006г.

По материалам работы в июне 2005г подана заявка на патент "Источник вторичного электропитания с компенсацией искажений в питающей сети", по которой принято положительное решение ФГУ ФИПС.

Публикации

1. Две статьи в журнале «Промышленная энергетика» (г. Москва);
2. Семь статей в научно-технических сборниках ТРТУ (г. Таганрог) и ЮРГТУ (г. Новочеркасск);
3. Одни тезисы к докладу в ТРТУ (г. Таганрог).

Объём и  структура диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и 12 приложений. Полный объём работы составляет 275 страниц текста, иллюстрированного рисунками и таблицами на 105 страницах. Список использованной литературы включает 177 наименований.

 

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

 

В первой главе проанализировано современное состояние источников вторичного электропитания и регуляторов качества электроэнергии (РКЭ) и намечены пути их совершенствования.

Большинство современных  источников вторичного электропитания строится по бестрансформаторной схеме с преобразованием мощности на повышенной частоте, чем обеспечиваются высокие массогабаритные показатели и КПД устройства. Однако такие ключевые источники вторичного электропитания (КИВЭП) помимо активной мощности потребляют реактивную мощность и генерируют мощность искажений. Это является следствием несинусоидального потребляемого тока,  не синфазного питающему напряжению.

Искаженная форма кривой тока по отношению к кривой напряжения приводит к существенному снижению основного энергетического показателя КИВЭП – коэффициента мощности. Кроме того, несинусоидальный характер тока, потребляемого КИВЭП, ухудшает режим работы СЭС, основные показатели качества электроэнергии (ПКЭ) и оказывает влияние на работу других электроприемников. Это значительно снижает эффективность применения КИВЭП.