Теоретичні основи підвищення енергетичної ефективності паралельних силових активних фільтрів на основі інвертора напруги та інвертора струму

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.12 «Напівпровідникові перетворювачі електроенергії» (141 – електроенергетика, електротехніка та електромеханіка; 171 - електроніка). - Національний технічний університет «Харківський політехнічний університет» МОН України, Харків, 2025. Дисертація присвячена створенню теоретичних основ розвитку паралельних силових активних фільтрів на основі інвертора напруги та інвертора струму, чим досягається підвищення їх енергетичної ефективності та покращення якості компенсації реактивної складової потужності та вищих гармонік струмів навантаження мереж. Науково-технічна проблема розвитку теорії силових активних фільтрів на базі інвертора напруги та інвертора струму, шляхом вдосконалення їх силових схем та систем керування, які забезпечують підвищення енергетичної ефективності електричних мереж шляхом компенсації вищих гармонік струмів та реактивної складової потужності, пов’язана з тим, що наразі енергетика України знаходиться в досить скрутному становищі. В енергосистемі спостерігається дефіцит електроенергії. В зв’язку з цим, надважливою задачею є підвищення енергетичної ефективності електричних мереж, що може бути реалізовано шляхом зниження складових втрат потужності, викликаних реактивною складовою потужності та вищими гармоніками струмів за рахунок активної компенсації, яку реалізують паралельні силові активні фільтри на основі інвертора напруги та інвертора струму. При цьому частина наукових задач, пов’язаних з вдосконаленням силових активних фільтрів, є невирішеною. У зв’язку з цим, виникає необхідність вдосконалення силових електричних схем силових активних фільтрів, вдосконалення методів керування силовими активними фільтрами, вдосконалення методів визначення сигналів завдань фазних струмів САФ, визначення передавальних функцій систем автоматичного регулювання САФ та синтезу регуляторів, розробки методів визначення втрат потужності в силових активних фільтрах та методів визначення енергозберігаючого ефекту в електричних мережах від їх впровадження, чому і присвячено дане дисертаційне дослідження. Метою роботи є розвиток методів, математичних моделей для розрахунку, удосконалення структур паралельних силових активних фільтрів на основі інвертора струму та інвертора напруги, спрямований на підвищення показників їх енергетичної ефективності, забезпечення заданих показників якості електроенергії та зниження додаткових втрат потужності в електричних мережах. Об’єкт дослідження – електричні процеси, що протікають в силових активних фільтрах на базі інвертора струму та інвертора напруги, які підключені до трифазних електричних мереж в режимі активної компенсації реактивної складової потужності та вищих гармонік струмів. Предмет дослідження – параметри силових схем та систем автоматичного керування силових активних фільтрів на базі інвертора струму та інвертора напруги. The dissertation for obtaining the scientific degree of Doctor of Technical Sciences in the specialty 05.09.12 "Semiconductor Power Converters". The dissertation was prepared at the Ukrainian State University of Railway Transport and submitted for defense at the National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute". The dissertation is devoted to the development of theoretical foundations for improving the energy efficiency of parallel power active filters based on voltage source inverter and current source inverter, which provide active compensation of the reactive power component and higher-order load current harmonics in three-phase electrical networks. This leads to improved power quality indicators and reduced power losses in electrical networks. The scientific and technical problem of increasing the efficiency of methods for compensating higher-order harmonics and reactive power components by means of power active filters (PAFs) is associated with the current difficult situation in Ukraine's energy sector. The energy system is experiencing an electricity shortage. Therefore, enhancing the energy efficiency of electrical networks is a critical task, which can be achieved by reducing power loss components caused by reactive power and higher harmonics through active compensation performed by parallel power active filters based on voltage and current source inverters. At the same time, several scientific challenges related to the improvement of power active filters remain unresolved. This creates a need to improve power circuit designs of PAFs, refine control methods for PAFs, improve methods for determining task signals for PAF phase currents, determine transfer functions of automatic control systems for PAFs, synthesize regulators, develop methods for determining power losses in PAFs, and methods for assessing the energy-saving effect in electrical networks resulting from their implementation. This dissertation research is dedicated to addressing these challenges. The aim of the study is to improve the energy efficiency of parallel power active filters based on current source and voltage source inverters by enhancing their power circuit designs and control systems, thereby improving power quality indicators and reducing additional power losses in electrical networks through active compensation of current harmonics and reactive power components. The object of the research is the electrical processes occurring in power active filters based on current source and voltage source inverters connected to three-phase electrical networks operating in the mode of active compensation of reactive power components and higher-order current harmonics.