Автоматическое управление тиристорными преобразователями в автономных системах соизмеримой мощности

Актуальность темы

В основных направлениях экономического и социального развития СССР на период до 1990 года, утвержденных ХХУ1 съездом Коммунистической партии Советского Союза поставлена конкретная и четкая задача «. значительно увеличить производство комплектных электроприводов к прокатным станам и нефтеперекачивающим станциям, силовой полупроводниковой преобразовательной техники». При этом «. особое внимание уделить разработке и освоению выпуска электротехнического оборудования, имеющего более высокий коэффициент полезного действия, меньший удельный расход цветных металлов и других материалов .», поднять экономичность выпускаемой техники за счет «. значительного увеличения производства оборудования и агрегатов большой единичной мощности» .

Известные преимущества силовых полупроводниковых преобразователей — экономичность, долговечность, надежность, высокое быстродействие — определяют опережающие темпы их распространения по сравнению с вводимыми энергетическими мощностями. В настоящее время тиристорнне преобразователи (ТП) разрабатываются и поставляются для 120 направлений применения в народном хозяйстве [2] .

Более половины вырабатываемой сегодня электроэнергии преобразовывается силовыми полупроводниковыми преобразователями. Все чаще возникают условия, когда суммарная установленная мощность ТП становится соизмеримой с мощностью питающих подстанций. При этом обнаруживается целый ряд отрицательных явлений: искажение формы кривой напряжения, понижение точности поддержания его действующего значения, повышение электромагнитного излучения, неуравновешенность нагрузки, понижение коэффициента мощности, снижение срока службы изоляции, добавочные потери от высших гармоник, изменения частоты и колебания фазы синхронных генераторов, опасные вибрации электродвигателей и т. д.

Все перечисленное относится к так называемой проблеме электромагнитной совместимости (ЭМС) силовых полупроводниковых преобразователей с питающей сетью соизмеримой мощности и нагрузкой. Особую значимость данная проблема приобретает для автономных энергосистем и в частности для судовых, где ее решение затрудняется жесткими требованиями к весо-габаритным характеристикам электрооборудования и его эксплуатационной надежности в экстремальных условиях. Именно поэтому наиболее перспективным направлением обеспечения электромагнитной совместимости в автономных системах является совершенствование алгоритмов управления тиристорными преобразователями.

В соответствии с рекомендациями [з] второго межведомственного научно-технического совещания по проблемам ЭМС силовых полупроводниковых преобразователей при развитии исследований в этом направлении предлагается сосредоточить внимание на процессах генерирования и распространения искажений в энергосистемах, а также на создании устойчивых к этим искажениям систем управления преобразователями.

В результате решения поставленных задач может быть достигнуто существенное снижение металлоемкости оборудования при одновременном улучшении условий его работы. С другой стороны, оптимизация процессов управления открывает дополнительные возможности для расширения области эффективного применения преобразовательной техники.

Основы теории электромагнитной совместимости статических преобразователей с питающей сетью были заложены в фундаментальных трудах К. А. Круга, Л. Р. Неймана, И. Л. Каганова, Ю. Г. Толстова, С. Р. Глинтерника, А. В. Поссе, И. М. Чиженко, О. А. Маевского, И.В.Же-желенко, А. К. Шлдловского и других ученых. Отдельные вопросы этой теории получили дальнейшее развитие в многочисленных публикациях отечественных и зарубежных авторов.

Один из новых аспектов был вскрыт в работах В. П. Шипилло [36,78], где взаимное влияние тиристорного преобразователя, сети и нагрузки было представлено в виде замкнутых структур передачи информации. Дальнейшее развитие такого подхода в работах [55,100,37] позволило проанализировать сложные ситуации взаимного влияния группы преобразователей, питающей сети и фильтро-компенсирующих устройств. Оказалось, что эффективным средством повышения устойчивости в такой автономной системе со сложной переменной структурой является предложенный автором новый тип фильтрующих цепей, осуществляющих экстраполяцию опорного синхронизирующего напряжения для управления преобразователем [82,84, по].

Целью диссертационной работы является исследование механизма возникновения субгармонических автоколебательных режимов в замкнутой структуре «тиристорный преобразователь — цепи синхронизации — сеть» и создание средств управления ТП, препятствующих их развитию.

Методика выполнения исследований. Поставленные в диссертации задачи решаются методами гармонического баланса, классической теории цепей, теории дискретных систем на базе модифицированного 2 — преобразования, применения ЭВМ.

Научная новизна положений, рассматриваемых в работе, заключается в том, что впервые исследованы условия возникновения субгармонических автоколебаний в замкнутой структуре «тиристорный преобразователь — цепи синхронизации — сеть». Разработаны методы уменьшения взаимовлияния ТП и сети средствами управления в рамках уже созданных и работающих систем. Разработан. новый тип фильтра цепей синхронизации, работающий по принципу экстраполяции неискаженного напряжения сети и являющийся кардинальным средством по улучшению ЭМС преобразователя с автономной системой соизмеримой мощности. Разработана теория экстраполирующих фильтров, на основе которой созданы методы анализа и синтеза этого класса устройств.

Практическая ценность заключается в разработке общей методики анализа периодических режимов в замкнутой структуре «тири-сторный преобразователь — цепи синхронизации — сеть», позволяющей выработать дополнительные требования к цепям синхронизации ТП и предотвратить появление аномальных режимов путем коррекции частотных характеристик существующих фильтров или в результате применения нового типа фильтрующих цепей — экстраполирующего фильтра. Возможность снижения уровня неканонических гармоник средствами управления позволяет уменьшить затраты на фильтро-компенсирующее оборудование, а также увеличить надежность и ресурс автономных энергосистем. Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИИ ЛПЭО «Электросила» по новой технике (темы Н02 78 105 833, Т 7200 003 8I33I), а также при выполнении опытно-конструкторских работ по договорам 2 557 и 2 555.

Результаты работы использованы: при модификации цепей синхронизации серийных преобразователей IB-8 2500/I050 УХЛ 4 с целью обеспечения их электромагнитной совместимости с автономной судовой электростанцией 380 В установок ППБУ 6000/200- при создании цепей синхронизации на основе экстраполирующих фильтров комплектных преобразователей ТВ-9 2000/660 P-I-0M4.I для электропривода якорного комплекса и технологических механиз.

MOB ШШУ 6000/200 с электростанциями 380 В и 660 Бпри исследований принципов построения систем управления преобразователями частоты со звеном постоянного тока для электропривода по схемам вентильного двигателя и асинхронно-вентильного каскада мощностью свыше 500 кВтпри проектировании реверсивных преобразователей типа ТГО-350/350−260 и нереверсивных — типа ТПВ-350−460 для систем возбуждения гребных электродвигателей судов ледового плавания.

Экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы за период 1978;1983 г. г. составил 169,776 тыс. руб., в 1984 г. определится суммой в 23,58 тыс. руб., а в 1985 г. составит 141,48 тыс. руб.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: семинаре «Применение микроэлектроники в силовой преобразовательной технике» , — Московский ордена Ленина энергетический институт (г.Москва, 1978 г.) — втором межведомственном научно-техническом совещании «Проблемы электромагнитной совместимости силовых полупроводниковых преобразователей» , — Институт термофизики и электрофизики АН ЭССР (г.Таллин, 1982 г.) — семинаре «Статические преобразователи частоты с улучшенными технико-экономическими показателями» , — ВНИИ Преобразователь (г.Запорожье, 1983 г.);

1У всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы создания мощных электроэнергетических систем для судов Ледового плавания, систем электродвижения и технических средств освоения Шельфа» , — НТО им. академика А. Н. Крылова (г.Ленинград, 1983 г.) — республиканском семинаре Научного Совета АН УССР «Вопросы разработки и применения тиристорных преобразователей для электропривода и импульсных устройств большой мощности» (г.Харьков, 1984 г.).

Публикации. По результатам исследований, выполненных в диссертационной работе, опубликовано 17 печатных работ, из них 10 авторских свидетельств, кроме того получено 2 положительных решения по заявкам на изобретения.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 125 страниц машинописного текста, 8 таблиц, 65 рисунков, списка литературы из 124 наименований на 14 страницах и приложения на 15 страницах.

Основные выводы и результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Изучено общее состояние и проделан обзор основных направлений решения проблемы ЭМСустановлено, что развитие методов и средств автоматического управления ТП предусматривает необходимость уточненного анализа процессов в замкнутой структуре «ТП-ЦС-сеть», а также поиск путей обеспечения инвариантности характеристик управления ТП по отношению к совместному воздействию коммутационных искажений, отклонений частоты и асимметрии питающей сети.

2. В результате исследования автономных систем с фильтро-компенсирующими устройствами обосновано понятие передаточной функции сети как элемента замкнутой структуры «ТП-ЦС-сеть» и дано ее определение через операторные проводимости источника я устройства компенсации.

3. Проведено исследование совместного влияния коммутационных искажений и отклонений частоты питающей сети на характеристики управления в статике. Рассмотрены основные типы цепей синхронизации и дана сравнительная оценка их чувствительности к данным возмущающим факторам.

4. Исследование механизма возникновения в контуре «ТП-ЦС—сеть» субгармонических автоколебаний с частотой 100 Гц показали, что основой их существования является недостаточная степень подавления четных гармоник элементами контура. Подчеркнута отрицательная роль побочного эффекта применения фильтро-компен-сирующих устройств, заключающегося в придания сети резонансных свойств на частотах неканонического ряда. Показано, что решение задачи по устранению автоколебаний затрудняется также возможными изменениями структуры автономной системы и частоты питающих напряжений.

5. На конкретном примере автономной системы ППБУ «Шельф-!» показана реальность существования автоколебательных режимов с частотой 100 Гц при технологических переключениях состава ее электрооборудования. В соответствии с численными данными рассматриваемого примера разработана методика коррекции частотных характеристик фильтров ЦС, представляющая наиболее простой путь повышения устойчивости действующих установок.

6. Выявление возможности возникновения автоколебаний с участием каналов ограничения диапазона управления, являющихся непременным атрибутом всех существующих СШГ, приводит к необ ходимости принятия мер по их устранению даже в случаях применения равноинтервальных и асинхронных систем управления.

7. Показано, что компромиссным решением задачи по одновременному уменьшению чувствительности характеристик управления ТП к коммутационным искажениям и отклонениям частоты питающих напряжений является применение фильтров с перестраиваемой собственной частотой. Другое решение, пригодное для систем управления с пилообразным опорным сигналом заключается в использовании для фильтрации сетевого напряжения интеграторов с последующей стабилизацией амплитуды пилы.

С позиций импульсных систем регулирования исследован и оптимизирован контур автоподстройки амплитуды опорного пилообразного сигнала. Показана возможность реализации условий отработки возмущающего воздействия в виде отклонения частоты питающих напряжений за один такт. (7.

9. С точки зрения повышения: устойчивости к нежелательным периодическим режимам замкнутых структур, включающих ТП, показано, что реализации преимуществ одноканального управления оказывается возможной при уменьшении кратности синхронизации, а также путем снижения чувствительности характеристик управления к пульсациям управляющего сигнала. При этом отмечается, что выполнению указанных мероприятий в рамках известных решений со-путствуетух^^ениединамических свойств одноканального управления. Разработаны методы построения систем, свободных от данного недостатка.

10. В результате анализа выражения для определения статической ошибки в замкнутом контуре асинхронного управления ТП показано, что для обеспечения частотной инвариантности данного контура необходимо либо подстраивать сооственнукПчастоту управления в функции изменения частоты питающей сети, либо вводить в замкнутую структуру дополнительное интегрирующее звено.

XI. Теоретически и экспериментально обоснована эффективность применения нового принципа формирования опорного сигнала путем экстраполяции неискаженного напряжения сети. Дано математическое описание процесса экстраполяции. Для общего случая задания закона изменения полезной составляющей входного сигнала разработана методика синтеза непрерывной части экстраполирующего фильтра. Установлено, что условию отсутствия переходных процессов при произвольно выбранных моментах переключения структуры фильтра удовлетворяет такая передаточная функция его непрерывной части, разность знаменателя и числителя которой равна иликратна знамёнатШг^ ны частотные критерии выбора непрерывной части ЭФ и даны примеры ее реализации для синусоидального входного сигнала заданной частоты.

12. Разработанаи обоснована линейная импуль снаямодель ЭФ, в терминах 2 — преобразования получено выражение для передаточной функции этой модели, а также соотношения для расчета амплитудоюи фазочастотных характеристик ЭФ. При исследовании динамических характеристик фильтра установлено, что его устойчивость полностью определяется устойчивостью непрерывной части, а значение эквивалентной добротности, удовлетворяющее условию апериодического резонанса, незначительно отличается от величины, характерной для аналогичного непрерывного звена.

13. Рассмотрены методы выделения информативных интервалов для синхронизации ЭФ. Показано, что наиболее простым из них является метод, основанный на использовании импульсов управления ТП, а наиболее универсальным — метод моделирования относительного значения коммутационного провала линейного напряжения. Исследованы особенности применения экстраполирующих фильтров в цепях синхронизации преобразователей частоты. Разработаны схемные решения, обеспечивающие инвариантность характеристик управления как по отношению к изменениям частоты, коммутирующих ТП напряжений, так и по отношению к частотно-зависящему изменению их амплитуды.

14. Экспериментальные данные исследования статических и динамических характеристик ЭФ подтвердили справедливость разработанных для него методов анализа и синтеза.

15. Экспериментальные данные подтвердили наличие нелинейной замкнутой структуры «ТП-ЦС-сеть», возможность существования в этой структуре автоколебаний, а также эффективность применения ЭФ для их устранения.