Способи керування паралельним фільтром в системі координат методу двох ватметрів

Ескіз

Дата

2023

Автори

Кутафін, Юрій Володимирович

Науковий керівник

Артеменко, Михайло Юхимович

Назва журналу

Номер ISSN

Назва тому

Видавець

КПІ ім. Ігоря Сікорського

Анотація

Кутафін Ю.В. Способи керування паралельним фільтром в системі координат методу двох ватметрів. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 171 «Електроніка». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», МОН України, Київ, 2023. В дисертації отримано такі нові наукові результати: 1. Аналіз методів дослідження енергетичних процесів в багатофазних системах живлення та способів керування паралельними активними фільтрами (ПАФ) показав, що компенсація струмів небажаних складових миттєвої та інтегральної потужностей здійснюється за ускладненими процедурами з неодноразовим матричним перетвореннями координат векторів струмів та напруг завищеної розмірності, а перспективним напрямом зменшення кількості вимірюваних та оброблюваних змінних для активної фільтрації трифазної трипровідної системи живлення є перехід в систему координат методу двох ватметрів (СКМДВ), яка оперує з двома лінійними напругами та з двома відповідними струмами. 2. В результаті розвитку теорії потужності багатофазних систем електроживлення вперше в СКМДВ визначені такі базові поняття теорії потужності трифазної трипровідної системи як миттєві активний та неактивний струми, неактивна миттєва потужність, активний інтегральний струм, що закладає теоретичні засади енергоефективної паралельної активної фільтрації з досягненням одиничних значень миттєвого чи інтегрального коефіцієнтів потужності. 3. На основі оптимальних декомпозицій струмів навантаження та відповідних миттєвих та інтегральних потужностей втрат трифазних трипровідних систем електроживлення вперше запропоновано чотири способи керування ПАФ в СКМДВ, кожен з яких забезпечує екстремальне значення одного з параметрів якості споживання електроенергії. Перевагами реалізації цих способів в СКМДВ є підвищення точності та швидкості систем керування напівпровідниковими перетворювачами у складі активних фільтрів та відновлюваних джерел енергії шляхом усунення подвійного матричного перетворення координат, а також підвищення їх ефективності та зменшення вартості через зменшення кількості сенсорів, транзисторних регуляторів, індукторів та виключення резистивної системи організації точки штучного заземлення для вимірювання фазних напруг. 4. Запропоновано комбіновану систему керування ПАФ в системі координат методу двох ватметрів, яка в залежності від умов використання реалізовує один з чотирьох способів активної фільтрації, оптимальних за наступними критеріями: максимальна енергоефективність за миттєвою чи інтегральною потужністю втрат в лінії передачі, відсутність пульсацій миттєвої потужності трифазного джерела, симетрія та синусоїдність споживаних струмів в умовах несиметрії джерела та навантаження. 5. Вперше встановлено залежність таких базових поняття теорії інтегральної потужності трифазної трипровідної системи, як повна потужність, активний струм та мінімальна потужність втрат в лінії передачі, від співвідношення опорів лінії передачі, що дозволило адоптувати енергоефективний спосіб керування ПАФ в СКМДВ, який мінімізує потужність втрат трифазної трипровідної лінії передачі, до врахування цього фактора. 6. Вперше визначений та верифікований віртуальним експериментом коригувальний коефіцієнт формул повної потужності та виграшу за потужністю втрат з урахуванням наявності обмежень на симетричну синусоїдну форму споживаних струмів, значення якого може бути використане для прогнозування максимального навантаження трифазної трипровідної системи з дотриманням існуючих вимог на якість електричної енергії в точках загального підключення. 7. Вперше запропоновано ідентифікувати потужність небалансу трифазної трипровідної системи електроживлення двома окремими ортогональними складовими та встановлено інтегральні формули їх визначення, що можуть бути використані для активної фільтрації відповідних струмів. 8. Запропоновано новий спосіб керування ПАФ в СКМДВ, призначений для вибіркової компенсації неактивних потужностей трифазної трипровідної системи живлення, виміряних шляхом обробки за встановленими формулами показань чотирьох ватметрів. 9. Експериментальні дослідження підтвердили адекватність запропонованих формул теорії потужності та способів керування ПАФ в СКМДВ. Найбільш перспективним є запропонований інтегральний спосіб керування активною фільтрацією з опорним вектором, що формується з лінійних напруг прямої послідовності, який забезпечує мінімальну потужність втрат лінії передачі за симетричних синусоїдних струмів трифазного джерела. В дисертаційній роботі розв’язано актуальну наукову задачу створення нових та удосконалення існуючих способів керування паралельними активними фільтрами для підвищення якості електроенергії трифазної трипровідної системи живлення на основі розвитку теорії потужності в системі координат методу двох ватметрів. Зміст дисертаційного дослідження викладений у чотирьох розділах, у яких представлені результати дослідження. У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульовано мету та перераховано задачі дослідження, описані методи дослідження, перераховано задачі дослідження. Окрім того було приведено відомості про наукову новизну та практичне значення одержаних результатів. В першому розділі розглянуто паралельні активні фільтри багатофазних систем електроживлення за декількома показниками покращення якості електроенергії, основними з яких є коефіцієнт потужності та коефіцієнт загальних гармонічних спотворень струму. Показано, що прогресивним напрямом теорії потужності та фільтрації багатофазних систем електроживлення є визначення їх базових понять, таких як повна потужність та активний струм в системах координат зменшеної розмірності, зокрема, для трифазної трипровідної системи живлення – в СКМДВ, де миттєва реактивна потужність представлена єдиною складовою. Проведено аналіз способів керування паралельними активними фільтрами трифазної трипровідної системи живлення який показав, що компенсація струмів небажаних складових потужності здійснюється за ускладненими обчислювальними алгоритмами з неодноразовими матричними перетвореннями координат струму та напруги. З чого випливає задача розробки способів керування паралельним ПАФ в перспективній СКМДВ, що дозволяє зменшити кількість сенсорів та імпульсних регуляторів та не потребує матричних перетворень координат і організації точки штучного заземлення для вимірювання напруг. Показано, що силова частина ПАФ з керуванням в СКМДВ може бути побудована на основі інвертора за двофазною напівмостовою схемою, а формувач імпульсів керування транзисторами може бути виконаний з індивідуальним гістерезисом регулювання струму кожної фази, що дозволить підвищити точність та гнучкість, а також урізноманітнити функціональність керування ПАФ. В другому розділі набула розвитку теорія потужності багатофазних систем електроживлення та вперше в СКМДВ визначені такі базові поняття теорії потужності трифазної трипровідної системи як миттєві активний та неактивні струми, неактивна миттєва потужність, активний інтегральний струм, що закладає теоретичні засади енергоефективної паралельної активної фільтрації з досягненням одиничних значень миттєвого чи інтегрального коефіцієнтів потужності. На основі оптимальних декомпозицій струмів навантаження та відповідних миттєвих та інтегральних потужностей втрат трифазних трипровідних систем електроживлення, вперше запропоновано чотири способи керування ПАФ в СКМДВ, кожен з яких забезпечує екстремальне значення одного з параметрів якості споживаної електроенергії. Визначено мінімальні значення миттєвих та інтегральних потужностей втрат, що супроводжують кожну з чотирьох зазначених способів при передачі енергії з заданою величиною активної потужності. Перевагами реалізації цих способів в СКМДВ є підвищення точності та швидкості систем керування напівпровідниковими перетворювачами у складі активних фільтрів та відновлюваних джерел енергії шляхом усунення подвійного матричного перетворення координат, а також підвищення їх ефективності та зменшення вартості через зменшення кількості сенсорів, транзисторних регуляторів, індукторів та виключення резистивної системи організації точки штучного заземлення для вимірювання фазних напруг. Запропоновано функціональну схему комбінованої системи керування ПАФ в СКМДВ, яка в залежності від умов використання реалізовує один з чотирьох способів активної фільтрації, оптимальних за наступними критеріями: максимальна енергоефективність за миттєвою чи інтегральною потужністю втрат в лінії передачі, відсутність пульсацій миттєвої активної потужності трифазного джерела, максимальна енергоефективність з дотриманням симетрії та синусоїдності споживаних струмів в умовах несиметрії джерела та навантаження. Запропоновано методику та здійснено розрахунки енергозберігаючих ефектів від застосування інтегральних способів керування ПАФ, що підтверджені комп’ютерним моделюванням. Зокрема, встановлено, що коефіцієнт виграшу за потужністю інтегральних втрат для kG- та mnG-навантаження не залежить від фактора несиметрії напруг джерела, а повністю визначається значеннями параметрів навантаження k, m та n; в умовах несиметрії джерела відсутність пульсацій миттєвої потужності трифазного джерела не забезпечує максимальної енергоефективності. Найбільш перспективним є запропонований інтегральний спосіб керування активною фільтрацією в СКМДВ з опорним вектором, утвореним з симетричних складових лінійних напруг прямої послідовності чергування фаз, що забезпечує симетричні синусоїдальні струми мережі при майже однаковій енергоефективності зі способом формування активного струму в лінії передачі. Вперше встановлено залежність таких базових поняття теорії інтегральної потужності трифазної трипровідної системи, як повна потужність, активний струм та мінімальна потужність втрат в лінії передачі, від співвідношення опорів лінії передачі, що дозволило адоптувати енергоефективний спосіб керування ПАФ в СКМДВ, який мінімізує потужність втрат трифазної трипровідної лінії передачі, до врахування цього фактора. Вперше визначений коригувальний коефіцієнт формул повної потужності та виграшу за потужністю втрат за наявності обмежень на симетричну синусоїдну форму споживаних струмів, значення якого може бути використане для прогнозування максимального теплового навантаження трифазної трипровідної системи з дотриманням існуючих вимог на якість електричної енергії в точках загального підключення. Розроблена стратегія активної фільтрації в СКМДВ для підвищення якості електричної енергії в точках загального підключення, що забезпечує симетричні синусоїдні струми трифазного джерела та мінімальну потужність втрат на різних опорах лінії передачі. В третьому розділі запропоновано функціональну схему детектора прямої послідовності лінійних напруг, що застосовуються в СКМДВ, для можливості реалізації ПАФ способів формування синусоїдних симетричних споживаних струмів в умовах несиметрії джерела та навантаження трифазної трипровідної системи. Запропоновано ідентифікувати потужність небалансу трифазної трипровідної системи електроживлення в симетричному синусоїдному режимі джерела двома ортогональними складовими, кожна з яких визначає окремий квадратичний внесок у квадрат повної потужності та може бути використана для спрощення процесу керування в розподіленій активній фільтрації. Отримано інтегральні формули для визначення ортогональних складових потужності небалансу та встановлено зв’язок між неактивними складовими потужності та параметрами лінійного несиметричного навантаження, що дозволило верифікувати ці інтегральні формули шляхом комп’ютерного моделювання. Визначення чотирьох скалярних потужностей трифазної трипровідної системи шляхом вимірювання активних потужностей струмів і напруг цієї системи, представлених в αβ-системі координат дозволило вдвічі зменшити кількість застосовуваних ватметрів порівняно з використанням неперетворюваних значень струмів і напруг. Встановлені інтегральні формули для визначення чотирьох зазначених скалярних потужностей трифазної трипровідної системи в СКМДВ, відповідно до яких також потрібно використовувати чотири ватметри, але без застосування матричних αβперетворень струмів та напруг. Запропоновано новий спосіб керування ПАФ в СКМДВ, призначений для вибіркової компенсації неактивних потужностей трифазної трипровідної системи живлення, значення яких може задаватися централізованою системою керування мікрогрід в процесі розподіленої фільтрації, або вимірюватися шляхом обробки за встановленими формулами показань чотирьох ватметрів при автономному функціонуванні ПАФ. В четвертому розділі комп’ютерним моделюванням підтверджена ефективність модифікації способу компенсації неактивних струмів трифазної трипровідної залізничної електромережі в СКМДВ, що забезпечує одиничне значення інтегрального коефіцієнта потужності в умовах змінюваного двофазного навантаження. Верифіковані віртуальними експериментами дві енергоефективні стратегії активної фільтрації в СКМДВ. Перша з них мінімізує потужність втрат трифазної трипровідної лінії передачі з різними значеннями її опорів та забезпечує одиничне значення коефіцієнта потужності. Друга стратегія відповідно до рекомендації IEEE Std. 1459-2010 забезпечує мінімальну потужність втрат лінії передачі при симетричних синусоїдних струмах трифазного джерела. Також віртуальним експериментом підтверджена адекватність аналітичного виразу для коригувального коефіцієнта формул повної потужності та виграшу за потужністю втрат трифазної трипровідної системи з різними опорами лінії передачі за наявності обмежень на симетричну синусоїдну форму споживаних струмів. Дані комп’ютерного експерименту підтвердили адекватність запропонованих формул визначення в СКМДВ чотирьох скалярних потужностей трифазної трипровідної системи за показаннями чотирьох ватметрів. Апробований спосіб керування ПАФ в СКМДВ, призначений для вибіркової компенсації неактивних потужностей, шляхом побудови комп’ютерної моделі ПАФ з ланцюгом зворотного зв'язку для компенсації виміряних потужностей небалансу. Ефективність дії моделі підтверджена відсутністю пульсацій миттєвої потужності трифазного джерела при комутації активного навантаження однієї з фаз.

Опис

Ключові слова

спосіб керування паралельним активним фільтром, трифазна трипровідна система живлення, система координат методу двох ватметрів, стратегія керування залізничним кондиціонером, теорія миттєвої потужності, активний струм, потужність втрат, коефіцієнт потужності, потужність небалансу, shunt active filter control method, three-phase three-wire power supply system, two wattmeter reference frame, railway power conditioner control strategy, instantaneous power theory, active current, loss power, power factor, unbalance power

Бібліографічний опис

Кутафін, Ю. В. Способи керування паралельним фільтром в системі координат методу двох ватметрів : дис. … д-ра філософії : 171 Електроніка / Кутафін Юрій Володимирович. – Київ, 2023. – 172 с.

URI

https://ela.kpi.ua/handle/123456789/63880

DOI

Зібрання

Дисертації (АМЕС)
Дисертації (вільний доступ)