Підвищення якості електричної енергії в розподільних мережах за рахунок удосконалення перетворючів енергії

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.02 – електричні станції, мережі і системи (14 – електрична інженерія). – Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка, Харків, 2021. Дисертація присвячена вирішенню наукової задачі – покращення якості електричної енергії розподільних мережах з частотно-регульованими електроприводами за рахунок керування спектральними характеристиками перетворювачів енергії. Має місце актуальна наукова задача, пов'язана з недостатньою ефективністю існуючих сьогодні методів забезпечення зменшення рівня гармонійних складових від нелінійних споживачів до яких відносяться інвертори управління асинхронними двигунами змінного струму. Проведений в роботі аналіз виявив необхідність розробки методів по підвищенню якості електричної енергії в розподільних мережах. Система «керуючий інвертор і електричний двигун» є джерелом гармонічних складових і основним джерелом погіршення якості електричної енергії. В роботі запропоновано метод керування спектральними характеристиками інверторів із цільовою функцією якості електричної енергії, що дозволило розробити засади для створення інверторів зі зменшеними показниками спотворення форми напруги і струму. Запропоновано технічні рішення і обґрунтована можливість використання методів спектрального збудження силових перетворювачів енергії, що забезпечують зниження рівнів гармонійних складових електричної енергії, що створюються як нелінійним навантаженням, так і мережею живлення. У порівнянні з пасивними фільтрами і активними фільтрами, методи спектрального збудження силових перетворювачів енергії не потребують спеціальної настройки під параметри конкретної мережі і відрізняються надійністю. Розроблено апаратно інформаційну систему, яка дозволяє зменшити вплив від гармонійних складових на споживачів і систему електропостачання при різних режимах роботи частотного регулювання електричних двигунів. Результати експериментальних досліджень розробленої системи показали її відповідність технічним вимогам та можливість отримання діагностичної інформації при різних режимах роботи електродвигунів. Елементи конструкції та принцип дії розробленої системи для частотного регулювання захищені патентами України. Отримано такі основні наукові результати: – вперше запропоновано метод керування спектральними характеристиками інверторів, який відрізняється від існуючих цільовою функцією параметрів ЯЕЕ, що дозволило розробити засади для створення інверторів зі зменшеними показниками спотворення форми напруги і струму; – отримав подальший розвиток метод визначення походження гармонічних складових в електричному струмі від силових перетворювачів енергії, який, на відміну від відомих, дозволив визначити спектральні методи збудження, як найбільш збалансовані з економічної і технічної точок зору; – отримала подальший розвиток математична модель спектрального збудження силових перетворювачів енергії, яка відрізняється врахуванням параметрів електричної мережі, що дозволяє отримати математично обґрунтовані спектрально-енергетичні залежності в електричній мережі; – удосконалено метод визначення параметрів спектрального збудження силових перетворювачів енергії і моделювання їх роботи в середовищі Matlab, який відрізняється урахуванням параметрів електричної мережі, що дозволяє отримати параметри перетворювача з підвищеними характеристиками ЯЕЕ. Практичне значення отриманих результатів для електроенергетичної галузі полягає в обґрунтуванні напрямку підвищення ЯЕЕ в розподільних мережах за рахунок удосконалення частотних перетворювачів енергії; обгрунтуванні параметрів пристрою для коригування показників якості електроенергії (патент на винахід №101521); розробці структурної схеми частотного перетворювача з адаптивним керуванням (патент на корисну модель №113090); розробці та побудові стенду для вимірювання вищих гармонік які генеруються частотно-регульованими електроприводами в розподільну мережу; розробці варіанту принципової електричної схеми частотного перетворювача енергії з можливістю адаптивного керування спектральними характеристиками. Результати роботи та розроблений діючий макетний зразок стенду і програмне забезпечення для обробки результатів вимірювання рівня вищих гармонік, які генеруються частотно-регульованим електроприводом в розподільну мережу, використовуються в ТОВ "Слобода-буделектромонтаж", ТОВ "Харківське спеціалізоване монтажно-експлуатаційне підприємство", ТОВ "Промагроінжинірінг". Результати теоретичних та експериментальних досліджень використовуються при викладенні дисциплін "Якість електропостачання", "Інформаційні системи та технології в енергетиці", "Smart Grid технології" на кафедрі електропостачання та енергетичного менеджменту Харківського національного технічного університету сільського господарства імені Петра Василенка.The dissertation for acquiring a scientific degree of the candidate of technical sciences on a specialty 05.14.02 – power stations, networks and systems (14 – electric engineering). – Petro Vasylenko Kharkiv National Technical University of Agriculture, Kharkiv, 2021. The dissertation is devoted to the solution of a scientific problem - improvement of quality of electric energy in distribution networks with frequency-regulated electric drives due to management of spectral characteristics of energy converters. There is a current scientific problem related to the lack of efficiency of existing methods for reduction of the level of harmonic components from nonlinear consumers that include inverters for asynchronous AC motors control. The analysis carried out in the work revealed the need to develop methods to improve the quality of electricity in distribution networks. The "control inverter and electric motor" system is a source of harmonic components and the main source of deterioration of electric energy. This work contains the method of spectral characteristics control of inverters with the target function of electric energy quality, which allowed to develop bases for the creation of inverters with the reduced indicators of distortion of current and shape of voltage. In this paper, we offer technical solutions and substantiate the possibility of using methods of spectral excitation of power energy converters that provide reduction of levels of harmonic components of electric energy, created both by nonlinear loads and power supply network. In comparison with passive filters and active filters, the methods of spectral excitation of power energy converters do not require special adjustment to the parameters of a particular network and are highly reliable. We developed a hardware information system that allows to reduce the impact of harmonic components on consumers and the power supply system at different operation modes of frequency regulation of electric motors. The results of experimental studies of the developed system showed its compliance with technical requirements and the ability to obtain diagnostic information in different operation modes of electric motors. The structural components and the method of operation of the developed system for frequency control are protected by patents of Ukraine. In this study, we obtained the following main scientific results: - for the first time we propose the method of control of spectral characteristics of inverters that differs from the existing target function of the parameters of electric power quality, which allowed to develop the basis for creating inverters with reduced distortion of current and shape of voltage; - the method of determining the origin of harmonic components in electric current from power energy converters was further developed, and in contrast to the known ones, allowed to determine the spectral methods of excitation as the most balanced from economic and technical points of view; - the mathematical model of spectral excitation of power energy converters received further development and differs in taking into account the parameters of an electric network that allows to receive mathematically substantiated spectral energy dependence in the electric network; - the method of determining the parameters of spectral excitation of power energy converters and modeling of their operation in the Matlab environment was improved and differs in taking into account the parameters of the electrical network, which allows to obtain the parameters of the converter with upgraded characteristics of electric power quality. The practical significance of the obtained results for the power sector is to substantiate the direction of increasing electric power quality in distribution networks by improving the frequency converters; to substantiate the parameters of the device for adjusting the quality indicators of electricity (patent for the invention №101521); to develop a block diagram of the frequency converter with adaptive control (patent for utility model №113090); to develop and create a stand for measuring higher harmonics generated by frequency-regulated electric drives in the distribution network; to develop a variant of the principled electrical circuit of the frequency converter with the possibility of adaptive control of spectral characteristics. The results of the work, the developed prototype of the stand and software for a result of the processing of level measuring of higher harmonics, which are generated by the frequency-regulated electric drive in the distribution network, are implemented in LLC "Sloboda-budelectromontazh", LLC "Kharkiv specialized mounting operational enterprise", LLC "Promagroengineering". The results of theoretical and experimental research are used in teaching the "Quality of power supply", "Information systems and technologies in the energy sector", "Smart Grid Technologies" subjects at the Department of Power Supply and Energy Management of the Petro Vasylenko Kharkiv National Technical University of Agriculture.