Автореферат (Разработка и исследование статических компенсаторов реактивной мощности на основе тиристорно-переключаемых схем)

На правах рукописиЭлгибали Ахмед Элсайед ИбрагимРАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХКОМПЕНСАТОРОВ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ НА ОСНОВЕТИРИСТОРНО - ПЕРЕКЛЮЧАЕМЫХ СХЕМСпециальность 05.09.12 – Силовая электроникаАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 20182Работа выполнена на кафедре промышленной электроники федеральногогосударственного бюджетного образовательного учреждения «Национальныйисследовательский университет «МЭИ».Научный руководитель:Официальныеоппоненты:Ведущая организация:Панфилов Дмитрий Ивановичдоктортехническихнаук,профессор,заведующийкафедройпромышленнойэлектроники ФГБОУ ВО «НИУ«МЭИ».Брованов Сергей Викторович –доктор технических наук, доцентпроректор по учебной работеНовосибирского государственного техническогоуниверситета;Матинян Александр Маратович –кандидат технических наук,Начальник отдела моделирования и исследованияУправляемых электропередач постоянного ипеременного тока Центра высоковольтнойпреобразовательной техникиАО «НТЦ ФСК ЕЭС»;Нижегородский государственный техническийуниверситет им.

Р.Е. АлексееваЗащита диссертации состоится «07» июня 2018 г. в 14 часов 00 мин. назаседании диссертационного совета Д 212.157.12 при ФГБОУ ВО «НИУ«МЭИ»по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 13, корпус Е, ауд. Е513.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «НИУ«МЭИ» ина сайте www.mpei.ru.Автореферат разослан ____Марта 2018 г.Ученый секретарь диссертационного советаД 212.157.12 к.т.н., доцентСкорнякова Н.М.3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность и степень разработанности темы исследования.Современные тенденции развития электроэнергетики характеризуютсябыстрым развитием промышленности, ростом спроса на электроэнергию,энергосбережением, а также повышением требований к стабильности инадежности электроснабжения.

Перечисленные направления развитияэнергетики напрямую связаны с необходимостью повышения какуправляемости процесса передачи электроэнергии, так и повышения качествауправления режимами электроэнергетических систем. Одним из способовреализации указанных тенденций является реализация концепции «Smart Grid»(«Умные, интеллектуальные сети электроснабжения», «активно-адаптивныеэлектрические сети»), развитие которой осуществляется во всех ведущихстранах мира, включая Россию.

Реализация концепции Smart Gridподразумевает развитие систем электропередачи, систем защит и управленияпроцессами в электроэнергетике, а также развитие систем повышения качестваэлектроэнергии. Реализация и внедрение в энергосистему технологии гибкихсистем переменного тока (Flexible AC transmission system - FACTS),базирующейся на использовании управляемых устройств силовой электроникис целью воздействия на режимы работы линий электропередачи, во многомспособствует реализации концепции Smart Grid. Одними из эффективныхустройств технологии FACTS являются статические компенсаторы реактивноймощности (СКРМ).

СКРМ позволяет увеличить передаваемую полнуюмощность линии, управлять напряжением в месте его установки, а такжеснижать потери энергии при ее передаче за счет компенсации реактивноймощности. СКРМ способны эффективно работать на всех уровнях напряженияэнергосистемы (высокое, среднее, низкое напряжение).В настоящее время проводится большое количество исследований,посвященных развитию СКРМ и методам их управления. Согласно только базеданных SCOPUS, на сегодняшний день в мире существует свыше 3500исследований, связанных с СКРМ.СКРМ являются важным элементом управления режимами работыэнергосистемы, позволяющим регулировать реактивную мощность вэнергосистеме, регулировать напряжение участков энергосистемы, а такжеувеличивать запас устойчивости энергосистемы.

Однако, у широкоприменяемых на сегодняшний день СКРМ имеется недостаток, связанный сгенерацией высших гармоник тока в процессе регулировании реактивноймощностью. Данная проблема решается путем фильтрации высшихгармонических составляющих. Однако, как показал опыт реализации иэксплуатации систем СКРМ такими фирмами как ABB, Siemens, GeneralElectric, установка фильтров высших гармоник требует существенных4финансовых затрат. Очевидно, что рыночный спрос требует внедрения новыхсистем СКРМ с более низкой стоимостью и высокой производительностью.Диссертация посвящена разработке новых СКРМ, построенных на базетиристорно-переключаемых схем, обеспечивающих нулевой уровень гармоникрегулируемого тока при управлении реактивной мощностью.

В работе описаныпринципы работы и характеристики новых схем СКРМ, а также приведенаметодика расчета параметров реактивных элементов СКРМ, позволяющаяполучить их значения для обеспечения равномерного распределениярегулируемых уровней мощности во всем диапазоне регулировочнойхарактеристики.Одним из основных требований, предъявляемых к СКРМ, являетсяподдержание высокого качества электроэнергии при управлении реактивноймощностью. Тиристорно-переключаемые СКРМ характеризуются дискретнымирегулировочными характеристиками реактивной мощности. Поэтому,разработка систем СКРМ включала разработку методов оптимизациипараметров компонентов СКРМ, что позволило обеспечить высокуюдискретность управления реактивной мощности при ограниченном количествереактивных элементов в схемах. Методология оптимизации схем базируется наснижении суммарных установленных мощностей силовых элементов СКРМ.

Вдиссертации представлены математические модели новых схем СКРМ,позволяющие проводить анализ работы СКРМ при регулировании реактивноймощности, как в статическом, так и в динамическом режимах. В работепредставленытакжерезультатыфизическогоиматематическогомоделирования,подтвердившиесправедливостьиэффективность,предлагаемых в рамках диссертации решений по построению и реализацииСКРМ и их систем управления.Объектом исследования являются тиристорно-переключаемые схемыСКРМ, обеспечивающие высокое качество реактивной энергии во всемдиапазоне ее регулирования.Предметом – разработка подходов к построению СКРМ на основетиристорно-переключаемых схем, методов оптимизации их параметров,алгоритмов их управления, а также систем управления, позволяющихреализовать высокое качество реактивной энергии во всем диапазоне еерегулирования.Целью диссертационной работы является разработка принциповпостроения СКРМ на основе тиристорно-переключаемых схем, а также ихсистем управления, обеспечивающих отсутствие высших гармоник в токеСКРМ во всем диапазоне его регулирования.5Задачи диссертации.следующих задач:Поставленнаяцельдостигаетсярешением1Разработкатиристорно-переключаемыхсхемСКРМ,обеспечивающих нулевой уровень высших гармонических составляющих тока,а также высокий уровень дискретизации при регулировании реактивноймощности;2Решение задачи оптимизации параметров реактивных элементовдля каждой из рассматриваемых схем СКРМ с целью обеспечения равномернойрегулировочной характеристики реактивной мощности;3Разработка и исследование алгоритмов управления новымисхемами СКРМ, учитывающих особенности процессов, как в индуктивных, таки емкостных блоках СКРМ;4Разработка и исследование систем управления, реализующихтребуемые алгоритмы управления СКРМ;5Разработка моделей и подходов к исследованию электромагнитныхпроцессов в линии электропередачи при работе с предложенными схемамипостроения СКРМ в среде моделирования MATLAB / SIMULINK;6Создание физической модели СКРМ и его системы управления дляисследования режимов работы СКРМ на основе тиристорно-переключаемыхсхем.Научная новизна:1Предложены подходы к построению СКРМ на основе тиристорнопереключаемых схем, обеспечивающих управление реактивной мощностью сотсутствием высокочастотных составляющих в кривой регулируемого в тока;2Предложен подход к расчету параметров реактивных элементовсхем СКРМ, обеспечивающий максимально равномерное распределениерегулируемых уровней реактивной мощности на их регулировочныххарактеристиках;3Разработаны критерии сравнения предложенных схем СКРМ поколичеству уровней регулирования реактивной мощности, установленныммощностям реактивных элементов и ключей;4Разработаныиисследованыалгоритмыуправленияпредложенными схемами СКРМ, учитывающие специфику электромагнитныхпроцессов при управлении индуктивной и емкостной группами, входящих вСКРМ;5Разработана структура системы управления и методика расчетаосновных ее блоков для СКРМ, построенных на основе тиристорнопереключаемых схем.Практическая значимость работы:61Предложен подход к сравнению СКРМ, построенных на основетиристорно-переключаемых схем, по критериям суммарной установленноймощности реактивных элементов, полупроводниковых ключей, а такжеколичеству уровней регулирования реактивной мощности;2Показана возможность уменьшения установленных мощностейосновных элементов силовых схем СКРМ за счет выбора количества уровнейрегулирования реактивной мощности, алгоритмов управления ключами;3Разработана имитационная модель СКРМ, построенных на базетиристорно-переключаемыхсхем,сиспользованиемстандартногопрограммного пакета MATLAB / SIMULINK, позволяющая исследоватьразличные режимы работы СКРМ в составе энергосистемы;4Разработана физическая модель СКРМ и его системы управления,позволяющая исследовать физические процессы в СКРМ, построенных наоснове тиристорно-переключаемых схем.Методы исследования базируются на фундаментальных положенияхтеоретических основ электротехники, преобразования и передачиэлектрической энергии в электрических сетях, методах автоматическогоуправления и оптимизации, методах имитационного моделирования впрограммном пакете MATLAB / SIMULINK, экспериментальных исследованийна физической модели.Основные положения, выносимые на защиту:1- СКРМ на базе тиристорно-переключаемых схем с повышеннойдискретностью регулировочной характеристики, и нулевым содержаниемвысших гармонических составляющих в регулируемом токе;2- Методика определения параметров реактивных элементов схем СКРМ,позволяющая получить максимально равномерное распределение дискретныхуровней регулирования реактивной мощности во всем диапазонерегулировочной характеристики;3- Алгоритмы управления СКРМ, построенных на основе тиристорнопереключаемых схем;4- Имитационная модель СКРМ с системой управления, разработанная встандартном программном пакете MATLAB / SIMULINK;5- Физическая модель силовой схемы и системы управления СКРМ.Результаты физического моделирования и их сравнительного анализа срезультатами математического моделирования.Достоверность полученных результатов подтверждается корректнымиспользованием математического аппарата, а также совпадением в пределахпогрешности основных результатов, полученных на основе аналитических7выражений, с результатами моделирования в среде MATLAB / SIMULINK инатурного эксперимента на физической модели.Внедрение результатов работы.

Результаты работы внедрены в:1УчебныйпроцесскафедрыпромышленнойэлектроникиНИУ «МЭИ».2АО «ЭНИН» в рамках проекта «Разработка управляемогоисточника реактивной мощности с отсутствием высших гармоник тока прирегулированииэлектрическойэнергиииулучшеннымитехникоэкономическими показателями на основе отечественной компонентной базысиловой электроники для автоматического управления напряжением ипотоками мощности в распределительных электрических сетях 6-110 кВ(RFMEFI57917X0140)», выполняемого по заказу Минобрнауки РФ №14.579.21.0140 от 26.09.2017г.Апробация полученных результатов. Основные результаты работыдокладывались на:1- Заседанияхинаучно-техническихсеминарахкафедры«Промышленная электроника» ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в 2017, 2018 гг.2- XXIVМеждународныхнаучно-техническихконференцияхстудентов и аспирантов «Радиотехника, электроника и энергетика», г.