Чопик Василь Васильович. Матричні перетворювачі з розширеним діапазоном регулювання вхідного реактивного струму для активної компенсації складових потужності

brief description

Чопик Василь Васильович. Матричні перетворювачі з розширеним діапазоном регулювання вхідного реактивного струму для активної компенсації складових потужності.- Дис. канд. техн. наук: 05.09.12, Нац. акад. наук України, Ін-т електродинаміки. - К., 2014.- 240 с.

Національна академія наук України
Інститут електродинаміки
На правах рукопису
ЧОПИК ВАСИЛЬ ВАСИЛЬОВИЧ
УДК 621.314.58
МАТРИЧНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ З РОЗШИРЕНИМ ДІАПАЗОНОМ
РЕГУЛЮВАННЯ ВХІДНОГО РЕАКТИВНОГО СТРУМУ ДЛЯ АКТИВНОЇ
КОМПЕНСАЦІЇ СКЛАДОВИХ ПОТУЖНОСТІ
Спеціальність 05.09.12 - напівпровідникові перетворювачі електроенергії
Дисертація
на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Науковий керівник - доктор технічних наук, с. н. с. Михальський Валерій Михайлович
Київ - 2014
ЗМІСТ
Стор.
ВСТУП 5
РОЗДІЛ 1 СУЧАСНИЙ СТАН ДОСЛІДЖЕНЬ МЕТОДІВ КЕРУВАННЯ МАТРИЧНИМИ ПЕРЕТВОРЮВАЧАМИ З РОЗШИРЕННЯМ ДІАПАЗОНУ РЕГУЛЮВАННЯ ВХІДНОГО РЕАКТИВНОГО СТРУМУ ДЛЯ АКТИВНОЇ КОМПЕНСАЦІЇ СКЛАДОВИХ ПОТУЖНОСТІ 14
1.1 Напівпровідникові перетворювачі частоти та напруги 14
1.2 Особливості побудови силових ключів для застосування в
матричних перетворювачах 17
1.3 Методи керування матричними перетворювачами 20
1.3.1 Алгоритми керування, способи формування ШІМ-послідовності
випрямляча 31
1.3.2 Спосіб ТТТТМ для інверторної частини двоступеневого МП 33
1.3.3 Послідовність комутацій 34
1.4 Формування вхідного реактивного струму 36
1.4.1 Формування вхідного реактивного струму при чисто реактивному
навантаженні 37
1.4.2 Формування вхідного реактивного струму для випадку чисто
активного навантаження 41
1.5 Активна компенсація складових потужності 42
Висновки по розділу 1 44
РОЗДІЛ 2 КЕРУВАННЯ МАТРИЧНИМИ ПЕРЕТВОРЮВАЧАМИ З РОЗШИРЕНИМ ДІАПАЗОНОМ РЕГУЛЮВАННЯ ВХІДНОГО РЕАКТИВНОГО СТРУМУ 46
2.1 Регулювання вхідного реактивного струму 46
2.1.1 Керування МП з використанням методу сингулярного розкладання
матриць 46
2.1.2 Застосування концепції сингулярного розкладання в умовах
несиметрії напруг мережі живлення 54
2.2 Керування матричними перетворювачами з використанням концепції
екстремального розташування векторів керуючих функцій 56
2.2.1 Формування модулюючого впливу з розширеним діапазоном
регулювання вхідного реактивного струму 56
2.2.2 Розташування векторів керуючих функцій у відповідності зі
стаціонарними станами МП 61
2.2.3 Використання екстремальних положень «триножників» 63
2.3 Удосконалення стр атегії керування МП 69
2.3.1 Отримання окремого розв’язку передатних рівнянь 69
2.3.2 Аналітичне порівняння різних способів керування вхідним
реактивним струмом МП 72
2.3.3 Розширення діапазону регулювання вхідного реактивного струму
для методу сингулярного розкладання матриць 75
2.4. Формування нульової послідовності керуючих функцій МП 79
2.4.1 Формування додаткового модулюючого впливу 86
2.5 Визначення максимально можливого діапазону регулювання
вхідного реактивного струму для різних методів керування МП та їх
порівняння 91
Висновки по розділу 2 95
РОЗДІЛ 3 МІНІМІЗАЦІЯ НЕБАЖАНИХ СКЛАДОВИХ МИТТЄВОЇ ПОТУЖНОСТІ ІЗ ЗАСТОСУВАННЯМ РІЗНИХ ТОПОЛОГІЙ ПАРАЛЕЛЬНИХ АКТИВНИХ ФІЛЬТРІВ 97
3.1 Загальні принципи використання теорії миттєвої потужності для
активної компенсації 97
3.1.1 Складові миттєвої потужності та розрахунок струмів компенсації 97
3.1.2 Визначення умов доцільного застосування активної фільтрації 101
3.2 Розробка концепції безпосереднього визначення струмів компенсації
паралельних активних фільтрів 105
3.3 Моделювання процесів формування струмів компенсації 110
3.4 Метод просторово-векторного формування струмів компенсатора 114
3.5 Визначення меж можливостей коректного функціонування
паралельних активних фільтрів 120
3.6 Топологічне порівняння систем паралельних активних фільтрів з
використанням матричного перетворювача 125
Висновки по розділу 3 130
РОЗДІЛ 4 МОДЕЛЮВАННЯ ТА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ МЕТОДІВ КЕРУВАННЯ МАТРИЧНИМИ ПЕРЕТВОРЮВАЧАМИ З РОЗШИРЕНИМ ДІАПАЗОНОМ РЕГУЛЮВАННЯ ВХІДНОГО РЕАКТИВНОГО СТРУМУ ДЛЯ АКТИВНОЇ КОМПЕНСАЦІЇ СКЛАДОВИХ ПОТУЖНОСТІ 132
4.1 Моделювання енергетичних процесів в умовах несиметрії напруг
мережі живлення при різних способах керування МП 136
4.2 Керування МП з використанням екстремальних положень керуючих
функцій 139
4.3 Порівняння енергетичних параметрів МП при використанні різних
алгоритмів керування 150
4.4 Експериментальні дослідження роботи активних фільтрів 160
Висновки по розділу 4 170
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ 171
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 174
ДОДАТОК А Акти впровадження та використання результатів дисертаційної роботи 193

bibliography

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
В дисертаційній роботі вирішено актуальну наукову задачу створення нових та удосконалення існуючих методів керування, які забезпечують розширення діа¬пазону регулювання вхідного реактивного струму матричних перетворювачів, спрямоване на підвищення ефективності активної компенсації небажаних складо¬вих потужності.
Основні наукові та практичні результати полягають у наступному:
1. На основі виконаного аналізу стану досліджень методів керування матричними перетворювачами обґрунтовано доцільність створення нових та удосконалення існуючих методів розширення діапазону регулювання вхідного реактивного стру¬му з метою підвищення ефективності компенсації складових потужності при за¬стосуванні МП як пристроїв перетворення параметрів електроенергії і як актив¬них компенсаторів небажаних складових потужності.
2. Показано можливості передачі реактивної енергії з виходу на вхід як в тради-ційних, так і в двоступеневих МП за рахунок варіацій наборів стаціонарних станів ключів при формуванні просторових векторів вхідного струму та вихідної напру¬ги.
3. Встановлено, що використання модифікованого перетворення Парка, яке вра-ховує ступінь несиметрії мережі живлення для визначення відносних тривалостей використання стаціонарних станів ключів МП при керуванні із застосуванням концепції сингулярного розкладання матриць, забезпечує формування вхідного реактивного струму, адаптивне до умов несиметрії напруг мережі.
4. Визначені залежності показників якості вихідної напруги, вхідного струму та величини пульсацій електромагнітного моменту двигунів, які живляться від МП, показали, що підвищення ступеня гладкості модулюючих функцій керування ключами перетворювача забезпечує відповідне підвищення показників якості еле¬ктроенергії та зменшення пульсацій моменту. При застосуванні методу з екстре¬мальним розташуванням керуючих функцій перехід від довільного вибору екст¬ремальних положень до систематизованого вибору з мінімальним відхиленням дозволив знизити значення нормованого зваженого коефіцієнта сумарних гармо¬нічних спотворень WTHD0 вихідної напруги перетворювача майже в чотири рази (від -0,39% до -0,11%), а вхідного струму - в два рази (від -0,55% до -0,28%). Середньоквадратичне відхилення значень пульсацій електромагнітного моменту двигуна, що живиться від МП, при такому переході також зменшується приблиз¬но в два рази (від -0,88 Нм до -0,45 Нм).
5. Встановлено, що метод пропорційно-векторного керування силовим перетво-рювачем паралельного активного фільтра при реалізації його з застосуванням до¬вільних топологій силових схем фільтрів дозволяє регулювати довжину елемента¬рних переміщень кінця вектора струму на циклах модуляції, що забезпечує регу¬лювання динамічних показників компенсації та задану якість споживаного з ме¬режі струму.
6. Для трансферних рівнянь, що встановлюють залежності між вхідними та вихі¬дними параметрами перетворювача, отримано узагальнюючі розв’язки, які пока¬зали тотожність методів керування МП, спрямованих на розширення діапазону регулювання вхідного реактивного струму, при оперуванні ступенями свободи прямої та зворотної послідовностей керуючих функцій, та визначили розбіжності цих методів при формуванні нульової послідовності керуючих функцій.
7. Визначено, що одночасне використання миттєвих та інтегральних способів ро¬зрахунку струмів компенсатора дозволяє усунути всі небажані складові потужно¬сті та забезпечити компенсацію з оптимальним поєднанням значень пульсацій складових потужності і показників несинусоїдальності струмів мережі в умовах несиметрії та несинусоїдальності напруг мережі живлення.
8. Виконано порівняльне оцінювання методів керування МП, спрямованих на ро¬зширення діапазону регулювання вхідної реактивної потужності, шляхом визна¬чення об’ємів обмежуючих поверхонь, заданих максимальними значеннями цієї реактивної потужності для всіх можливих сполучень відносних значень активної та реактивної складових вихідної потужності. Визначено, що максимальний об’єм (у відносних одиницях) забезпечує метод, що використовує повний вихідний струм при формуванні вхідного реактивного струму, - 0,261 (відн. од.) , метод, що використовує тільки реактивну складову, дозволяє отримати об'єм 0,155 (відн.
3 • з
од.) , а метод, який використовує активну складову, - об'єм 0,175 (відн. од.) .
9. Достовірність та обґрунтованість теоретичних положень, висновків і рекомен¬дацій підтверджено результатами моделювання і експериментальними дослі¬дженнями. Отримані результати знайшли практичне застосування при побудові систем керування перетворювачами і компенсаторами на їх основі, що пройшли експериментальну перевірку та випробування на підприємствах «Кнауф Гіпс Ки¬їв», НВП «КЕП», що підтверджено відповідними актами впровадження та засто¬сування.
Результати роботи запропоновано для подальшого впровадження на підпри-ємствах електротехнічного профілю Міністерства промислової політики України