WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Применение управляемых компенсированных преобразователей в энергосистемах

На правах рукописи

МУЗЫКА Дмитрий Филиппович

ПРИМЕНЕНИЕ УПРАВЛЯЕМЫХ КОМПЕНСИРОВАННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ В ЭНЕРГОСИСТЕМАХ

Специальность 05.14.02 – Электростанции и электроэнергетические

системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Иркутск - 2006

Работа выполнена в Институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН и в Иркутском государственном университете путей сообщения, г. Иркутск.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор А.В. Крюков
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Е.И. Ушаков
кандидат технических наук В.О.Головщиков
Ведущая организация: Иркутский государственный технический университет

Защита состоится «___» 2006 года в ___ часов на заседании диссертационного совета Д 003.017.01 при Институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН по адресу: 664033, Иркутск-33, ул. Лермонтова,130.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН

Автореферат разослан «___» 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 003.017.01,

доктор технических наук, профессор А.М. Клер

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В современной электроэнергетике силовые вентильные преобразователи получили широкое распространение в качестве регулирующих устройств. К их числу относятся статические тиристорные компенсаторы, управляемые шунтирующие реакторы, регуляторы потоков мощности, вставки и линии электропередачи постоянного тока. Для реализации этих устройств в последнее время стали применяться запираемые вентили (двухоперационные тиристоры). Опыт развитых стран, где в последние годы получила распространение концепция гибких систем электропередач переменного тока типа FACTS (Flexible alternative current transmission system), выявил преимущественную область применения таких вентилей. Это область малых, в лучшем случае, средних мощностей преобразовательных установок. Мощные преобразователи, например, преобразователи вставок и линий постоянного тока, по-прежнему строятся на основе однооперационных тиристоров. К сожалению, однооперационный тиристор не даёт тех возможностей для регулирования, которые заложены в преобразователях с запираемыми вентилями.

Существует класс преобразователей, построенных на однооперационных вентилях, при помощи которых реализуется возможность регулирования мощностей во всех четырёх квадрантах комплексной плоскости. Это компенсированные преобразователи или преобразователи с искусственной коммутацией. Существенным недостатком, сдерживающим применение таких установок в энергосистемах, являются повышенные напряжения на элементах такого преобразователя. Поэтому исследование возможностей использования регулирующих свойств таких преобразователей в мощных установках электрических систем, а также снижение перенапряжений на элементах этих преобразователей, является актуальной задачей.

В данной работе исследуется и усовершенствуется предложенная ранее и до сих пор детально не изученная схема Я.М. Червоненкиса, построенная на основе единичной трехфазной мостовой схемы. Схема носит название трехфазного мостового преобразователя с коммутирующим устройством на четных гармониках напряжения (рис. 1).

Исследуемый преобразователь хорош в отношении использования мощности трансформатора, диапазона угла регулирования, эффективного использования конденсаторов. Недостаток, присущий всем компенсированным преобразователям - повышенные напряжения на элементах схемы, в этом устройстве неярко выражен и требует подробного исследования.

Цель работы состоит в исследовании свойств и характеристик трехфазного мостового преобразователя (ТМП) с коммутирующим устройством (КУ) на четных гармониках напряжения, а также обосновании возможностей использования исследуемого преобразователя в качестве регулирующего устройства в энергетической системе. Для достижения указанной цели в работе решены следующие научно-технические задачи:

    • определены оптимальные параметры КУ;
    • разработаны меры по снижению перенапряжений на элементах схемы;
    • создана простая методика выбора и расчета параметров преобразователя.

Методика исследований. Работа базируется на современных методах исследования преобразовательных устройств, теории дифференциальных уравнений и теории подобия и моделирования.

Исследования электромагнитных процессов проводились методом припасовывания, развитым С.Р. Глинтерником применительно к компенсированным преобразователям. Экспериментальные исследования проводились на электродинамической модели ИСЭМ СО РАН.

Научная новизна определяется следующими положениями:

1. Уравнения, описывающие электромагнитные процессы, найденные в результате теоретического анализа, дополняют и завершают теорию мостовых компенсированных преобразователей в основных областях работы.



2. Впервые разработана подробная методика выбора параметров узла искусственной коммутации для преобразователя, относящегося к классу компенсированных на четных гармониках.

3. Впервые получены точные диаграммы мощностей (до этого строились диаграммы с учетом линейности процесса коммутации).

4. Предложен способ, обеспечивающий снятие перенапряжений на элементах преобразователя (защищено авторским свидетельством на изобретение под номером 734863).

5. Выявлена возможность использования данного преобразователя в мощных вставках постоянного тока.

Практическая ценность работы заключается в том, что на основе подробных исследований выработана простая методика выбора параметров коммутирующего устройства ТМП на четных гармониках напряжения, дана методика построения удобных для пользования диаграмм активных и реактивных мощностей, выявлены наиболее опасные анормальные режимы, а также в том, что в результате усовершенствования коммутирующего устройства резко снижается класс изоляции всей преобразовательной установки, что уменьшает ее стоимость при сохранении компенсирующих свойств. Такой преобразователь может работать как в качестве источника реактивной мощности, так и в качестве преобразователя с улучшенным коэффициентом мощности.

Реализация полученных результатов. Преобразователь с усовершенствованным КУ успешно внедрен на одной из тяговых подстанций Восточно-Сибирской железной дороги в качестве выпрямителя с улучшенным коэффициентом мощности. Эксплуатация компенсированного преобразователя на тяговой подстанции позволила разгрузить питающую линию от перетоков реактивной мощности, что дало экономический выигрыш до 3 млн. кВт·часов электроэнергии в год.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Теоретический анализ ТМП с коммутирующим устройством на четных гармониках напряжения, в результате которого теория мостовых компенсированных преобразователей получила свое логическое завершение.

2. Методика выбора параметров коммутирующего устройства трехфазного мостового преобразователя с коммутирующим устройством на четных гармониках напряжения.

3. Устройство для снятия перенапряжений на элементах преобразователя.

4. Анализ возможности использования исследуемого преобразователя для вставок постоянного тока.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Пятой всесоюзной межвузовской конференции по теории и методам расчета нелинейных электрических цепей и систем (Ташкент, 1975); на ежегодной конференции ВНИИэлектромаш (Ленинград, 1977); на заседании секции электроэнергетических и трубопроводных систем ученого совета СЭИ СО АН СССР (Иркутск, 1979); на заседании секции специализированных систем энергетики ученого совета Института систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН (Иркутск, 2005); на семинаре кафедры "Электроснабжение железнодорожного транспорта" Иркутского государственного университета путей сообщения (Иркутск, 2005); на семинаре кафедры "Электропривод и электрический транспорт» Иркутского государственного технического университета (Иркутск, 2005); на Третьей Международной научно-технической конференции "Материалы и технологии XXI века" (Пенза, 2005); на Всероссийской Международной конференции "Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте" (Красноярск, 2005).

С результатами работы ознакомлены ВЭИ, Институт электродинамики АН Украины, кафедра промышленной электроники Харьковского политехнического института, кафедра электрических сетей и систем Томского политехнического университета, служба электрификации и электроснабжения Восточно-Сибирской железной дороги.

Публикации. По теме диссертации выполнен научно-технический отчет, опубликовано в научно-технических изданиях 10 статей, получено авторское свидетельство на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав и заключения, изложенных на 156 страницах основного машинописного текста. Содержит 95 рисунков, 13 таблиц, список использованной литературы из 145 наименований, приложение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований, приведены положения, выносимые на защиту, отмечена новизна полученных результатов, освещено содержание диссертации.

В первой главе представлен обзор современного состояния исследуемой проблемы. Описана история развития теории и методов управления энергосистемами с использованием вентильных преобразователей, построенных на основе обновлённой элементной базы. Обоснована цель исследований.

Во второй главе рассматриваются нормальные установившиеся процессы в преобразователе (рис. 1). При анализе приняты обычные допущения: не учитываются активные сопротивления, намагничивающие токи, а также собственные емкости оборудования. При теоретическом анализе использован известный метод припасовывания.

 Принципиальная схема трехфазного мостового преобразователя с-0

Рис. 1. Принципиальная схема трехфазного мостового преобразователя с коммутирующим устройством на четных гармониках напряжения

Анализ проводился в пределах интервала повторяемости для режима попеременной работы трех и двух вентилей (режим 3-2), т.е. для основного рабочего режима. Интервал повторяемости, в свою очередь, состоит из двух интервалов: коммутационного, когда открыты вентили 1, 2 и 3, и межкоммутационного (открыты вентили 2 и 3), в пределах каждого из которых процессы описываются линейными дифференциальными уравнениями. "Припасовывание" решений уравнений на границе интервалов производится при помощи следующих условий непрерывности напряжений и токов в емкостях и условий их симметрии:

Здесь величины, относящиеся к коммутационному интервалу, обозначены индексом (*), а к межкоммутационному – индексом (').

Система (1) решается в аналитической форме, в результате чего находятся постоянные интегрирования уравнений, определяющих напряжения на конденсаторах. Затем из общих уравнений, составленных по законам Кирхгофа, находятся токи и напряжения в любых звеньях цепи преобразователя. Процессы в преобразователе при характеризуются двумя относительными собственными частотами контуров колебаний: частотой контура свободных колебаний , частотой контура коммутации, которые определяются по выражениям:

,

где - емкостное сопротивление конденсатора на основной частоте; здесь , где f = 50 Гц; - индуктивное сопротивление половины реактора (см. рис. 1); - сопротивление рассеяния трансформатора.





Важнейшие интегральные характеристики преобразователя – зависимости выпрямленного тока () и выпрямленного напряжения () от углов отпирания и коммутации и - имеют следующий вид:

(2)

где

В формулах (2)

причем

;

.

Выражения для параметров m и n, входящих в формулы (3), имеют следующий вид:

 где Новые свойства, присущие данному преобразователю, выявляются из анализа-19

где

Новые свойства, присущие данному преобразователю, выявляются из анализа особенностей функций и . Существуют особые значения относительной собственной частоты контуров свободных колебаний, определяемые формулой , где k – любое натуральное число и нуль. При этих значениях коэффициент обращается в нуль. Числовая последовательность содержит все четные числа, некратные трем. При определенных значениях и знаменатели соответствующих функций и обращаются в нули. Эти значения названы соответственно критическими и предельными значениями угла коммутации. Зависимости и графически показаны на рис. 2. Исходными узловыми точками для кривых и являются особые точки , соответствующие четным высшим гармоникам напряжения. Влево от них до ближайших бифуркационных точек существует зона компенсационных режимов работы с выдачей реактивной мощности. Расположение кривых на плоскости зависит от величины отношения .

 Зависимости и при разных ; вторая и четвертая гармоники Частоты-39

Рис. 2. Зависимости и при разных ; вторая и четвертая

гармоники

Частоты и - величины, жестко связанные между собой, так как

. (4)

При любых соотношениях между параметрами и это отношение изменяется от 1 до 2, откуда следует, что отношение изменяется в пределах 1 … 1,41. Предельные значения соответствуют случаям, когда и . Чем ближе параметр к своему верхнему пределу, тем больше зона компенсационного режима для конкретного значения . При этом с увеличением эта зона уменьшается.

На рис. 3,а приведены зависимости угла коммутации от относительной величины выпрямленного тока для преобразователя, работающего с искусственной коммутацией на двойной частоте (<2), а на рис. 3,б построены внешние характеристики преобразователя на второй гармонике при работе схемы как в зоне потребления (левый график), так и в зоне выдачи реактивной мощности (правый график).

 а) б) а) зависимости ; б) внешние характеристики Работа-55

а)

 б) а) зависимости ; б) внешние характеристики Работа-56

б)

Рис. 3. а) зависимости ; б) внешние характеристики

Работа преобразователя в компенсационном режиме целесообразна только на двух первых четных гармониках – второй и четвертой, при этом параметр целесообразно выбирать 1,8 на второй и 3,8 на четвертой гармонике, а отношение = 1,3 наиболее оптимально. Отсюда – простота методики выбора параметров коммутирующего устройства. Ключевой формулой для этого служит формула (4), где заданными величинами являются , и , а искомой величиной – . Емкость батареи конденсаторов находится по формуле . Методика выбора мощностей элементов коммутирующего устройства более подробно рассмотрена в шестой главе.

Суммарная мощность реакторов в трех фазах составляет примерно 80 % от мощности преобразователя. При таком подборе параметров компенсационная зона будет наиболее обширной, а внешние характеристики хорошо компаундируются. Как и всем преобразователям с искусственной коммутацией, данному преобразователю свойственна повышенная устойчивость работы при перегрузках в инверторных режимах.

В третьей главе проведен гармонический анализ токов и напряжений преобразователя и исследованы его энергетические характеристики. В результате анализа высших гармоник выпрямленного напряжения и токов и напряжений трехфазной цепи преобразователя, работающего в режиме идеально сглаженного выпрямленного тока, получены универсальные аналитические формулы для коэффициентов Фурье. Формулы эти хороши простотой и наглядностью, а также тем, что из них получаются выражения для некомпенсированного преобразователя, когда и , т.е. они хорошо вписываются в общую теорию преобразователей, что видно по их структурной общности с формулами для преобразователя с искусственной коммутацией на нечетных гармониках. По результатам проведенного анализа построены семейства зависимостей высших гармоник как выпрямленного напряжения, так и тока трехфазной цепи от угла коммутации при различных углах = const, отражающие работу преобразователя в режиме 3-2. Эти семейства кривых сохраняют основные особенности, характерные для преобразователей с искусственной коммутацией. С ростом нагрузки амплитуды высших гармоник уменьшаются.

На основе гармонического анализа построены диаграммы мощностей в полярных координатах, где в качестве аргумента выбран угол 2, равный 2 =2 +, а в качестве радиус-вектора используется . В последней формуле , а - сложная функция, зависящая от,,. На рис. 4 представлены диаграммы мощностей, охватывающие как зону потребления, так и зону выдачи реактивной мощности, причем для этих случаев построены отдельные диаграммы. С левой стороны (вверху и внизу) представлены диаграммы для = 1,82, а с правой – диаграммы для = 3,79. Параметр в обоих случаях выбран равным 1,3. Верхние диаграммы охватывают область потребления реактивной мощности, нижние – область ее выдачи. Верхняя полуплоскость на каждой диаграмме соответствует выпрямительному, нижняя – инверторному режимам работы преобразователя. Линии постоянной активной мощности являются горизонтальными прямыми, а ось ординат есть ось активной мощности . Ось абсцисс является осью реактивной мощности преобразователя. Окружности является линиями равных углов коммутации.

При построении диаграмм, охватывающих область выдачи реактивной мощности, необходимо учитывать, что график полной мощности в этой области имеет экстремум, т.е. при увеличении радиус-вектор сначала уменьшается, а затем, с некоторого, начинает снова увеличиваться. Вся эта область (по ) заключена между критическим и предельным углами коммутации и по мере приближения к этим углам семейство кривых =const стремится принять радиальное направление ( при уходе в бесконечность).

Из сравнения диаграмм видно, что в режиме выдачи реактивной мощности преобразователь имеет нерабочую зону, находящуюся в области малых мощностей, причём при = 3,79 эта нерабочая зона меньше, чем при =1,82, что объясняется более полным использованием ёмкости конденсаторов на более высокой частоте. Но работа при частоте = 1,82 характеризуется более обширной зоной работы преобразователя в компенсационном режиме. Преимущество частоты = 1,82 должно превалировать, так как рассматриваемый преобразователь предназначен в основном для работы в компенсационном режиме и должен поэтому иметь достаточно широкий диапазон изменения параметров. В пользу частоты = 1,82 говорят и более благоприятные условия работы конденсаторов при меньшей частоте.

В конце главы исследованы коэффициент мощности преобразователя и коэффициент искажения, рассмотренные для тех же рабочих частот ( = 1,82 и = 3,79). Коэффициент искажения во всем рабочем диапазоне углов и держится в пределах нормы и лишь за пределами рабочей зоны выходит за границы допустимых величин.

 Диаграммы мощностей преобразователя при = 1,3 В четвертой главе-87

Рис. 4. Диаграммы мощностей преобразователя при = 1,3

В четвертой главе представлены основные результаты экспериментальных исследований на физической модели аварийных режимов и переходных процессов в преобразователе, экспериментально подтверждены некоторые важные характеристики, описана суть предложенного автором усовершенствования коммутирующего устройства и приведены результаты исследований преобразователя с усовершенствованным коммутирующим устройством.

Рассмотрены следующие аварийные режимы и переходные процессы:

1) кратковременное исчезновение на 1-3 периода импульсов управления на одном из вентилей;

2) кратковременное исчезновение импульсов управления на всех вентилях одновременно;

3) необратимый пробой вентиля;

4) коммутационные переходные процессы ( включение и отключение преобразователя);

5) глубокая посадка напряжения в сети переменного тока инвертора;

6) короткое замыкание на полюсах преобразователя.

Для исследования аварийных режимов и переходных процессов использована модельная установка, построенная на базе кремниевых вентилей. Все виды анормальных режимов, перечисленные выше, исследовались на преобразователе, работающем как в области потребления, так и в области выдачи реактивной мощности. При этом варьировался угол отпирания на выпрямителе и угол запирания на инверторе. Узел искусственной коммутации настраивался как на вторую ( 1,8), так и на четвертую ( 3,8) гармонику. Мощность, пропускаемая через преобразователь в доаварийном режиме, в большинстве опытов соответствовала номинальному режиму или близкому к нему. Индуктивность линейного реактора была выбрана большой, но проводились также опыты при малой индуктивности линейного реактора (в частности, при исследовании схемы в компенсационном режиме).

Эксперименты показали, что большинство из рассмотренных анормальных режимов в преобразователе протекает вполне удовлетворительно в отношении перенапряжений и сверхтоков. В пределах норм современных тиристоров находятся также и скорости нарастания токов. Выявлен наиболее тяжелый режим для этого преобразователя – необратимый пробой вентиля (плеча). Всплески фазного тока при этом виде аварии достигают пятикратной величины. Установлено, что аварийные процессы в таком преобразователе протекают более спокойно, чем в обычном трехфазном мостовом преобразователе без искусственной коммутации, что можно объяснить наличием дополнительной индуктивности в узле искусственной коммутации.

На экспериментальной установке была проверена устойчивость инвертора при перегрузках. Как и преобразователь с искусственной коммутацией на нечетких гармониках, рассматриваемый преобразователь обладает повышенной устойчивостью в режиме инвертора при симметричных перегрузках. Причем это качество достигается за счет внутренних свойств преобразователя, а не за счет каких-то дополнительных регулирующих устройств. Необходимо отметить, что рассматриваемый преобразователь при работе его в качестве инвертора показывает повышенную устойчивость в работе не только при перегрузках, но и в аварийных режимах. Демпфирующую роль при этом играет все та же дополнительная индуктивность в узле искусственной коммутации.

Во всех преобразователях с искусственной коммутацией проявляется (в одних схемах больше, в других меньше) один и тот же существенный недостаток: наличие повышенных напряжений на их элементах, в том числе и на вентилях, даже в нормальных установившихся режимах. Это заставляет повышать класс изоляции всей установки, что, естественно, ее удорожает. Этот недостаток особенно неприятен для преобразовательных установок высокого напряжения.

В данной работе автором предложено усовершенствование коммутирующего устройства, которое существенно снимает перенапряжения, сохраняя эффект искусственной коммутации. Кратность перенапряжений снижется с 2 до 1,15…1,20. Это усовершенствование заключается в том, что в узел искусственной коммутации вводится дополнительная цепь Z – Д из последовательно соединенных диода и ограничительного сопротивления (индуктивности). Подсоединение этой цепи в узле искусственной коммутации показано на рис. 5. Введением этой цепи не только снимаются перенапряжения, но и углубляется искусственная коммутация, т.е. коммутирующая полуволна напряжения конденсатора сдвигается в сторону опережения дополнительно еще на 20…30°, хотя диапазон угла регулирования незначительно сужается. Происходит это из-за некоторого искажения кривой напряжения на конденсаторе.

На преобразователь с усовершенствованным коммутирующим устройством автором данной работы подана авторская заявка на изобретение и получено авторское свидетельство под номером 734863. В работе дана методика выбора параметров элементов цепи.

На преобразователе с цепью Z – Д проведена та же серия опытов по исследованию анормальных режимов, что и для преобразователя без этой цепи. Преобразователь с цепью Z – Д ведет себя в анормальных режимах более спокойно, чем без этой цепи. Наиболее тяжелый вид аварии по - прежнему необратимый пробой вентиля, хотя здесь он протекает более спокойно. Инверторный режим сопровождается меньшими сверхтоками и перенапряжениями, чем выпрямительный. Длительность стабилизации в послеаварийном режиме у преобразователя с цепью Z – Д несколько больше, чем у преобразователя без этой цепи.

В пятой главе исследована возможность использования данного преобразователя во вставке постоянного тока, связывающей две электрические системы.

С помощью средств программной системы MatLab была смоделирована часть энергосистемы, включающая в себя вставку постоянного тока, построенную с использованием компенсированных преобразователей на четных гармониках напряжения. Схема модели и ее параметры представлены на рис. 6. Для простоты и наглядности результатов электрические системы по обе стороны вставки взяты одинаковыми с мощностью короткого замыкания на шинах 6000 МВА при базисном напряжении U = 220 кВ в сети переменного тока. Было предусмотрено регулирование, поддерживающее ток вставки на заданном уровне. Исследования проводились с целью уточнения параметров коммутирующего устройства на преобразователе, включенном в 12-пульсовую схему. В качестве критерия взято условие работы вентиля по обратному напряжению при сохранении эффекта компенсации. Попутно анализировался гармонический состав токов и напряжений в питающей системе.

 а) б) Схема модели: а) – структурная схема моделирования; б)-92 а) б)

Рис. 6. Схема модели: а) – структурная схема моделирования; б) – принципиальная схема выпрямительного блока; Ом; Ом;

На приемной и передающей подстанциях были смоделированы фильтры, обычно предусматриваемые для 12-пульсовых преобразователей. Рассматривался установившийся режим. Параметры коммутирующего устройства преобразователя соответствовали второй гармонике. В целях снижения обратных напряжений на вентилях в цепь конденсатора коммутирующего устройства включалось небольшое активное сопротивление, которое варьировалось в пределах от 0 до 1,5 Ом. Исследования показали, что можно подобрать такую величину сопротивления в цепи R – C коммутирующего устройства, при которой получаются вполне приемлемые величины обратного напряжения с сохранением эффекта компенсации. Более того, цепь R – C при определенных параметрах значительно снижает уровень гармонических составляющих токов в примыкающих системах.

На рис. 7а представлены осциллограммы токов и напряжений одной из фаз передающей системы при активном сопротивлении 1,5 Ом в цепи R – C коммутирующего устройства без входных фильтров. Из осциллограмм видно, что при этих параметрах цепи R – C можно не включать фильтры на входе преобразователя. Кривая тока характеризуется малым процентом гармонических составляющих (табл. 1).

 а) б) Ток и напряжение фазы А на входе вставки без фильтров на-98

а)

 б) Ток и напряжение фазы А на входе вставки без фильтров на входе-99

б)

Рис. 7. Ток и напряжение фазы А на входе вставки без фильтров на входе вставки: а) R=1,5 Ом; б) R=0,7 Ом

Таблица 1

Величины гармонических составляющих тока, %

Величина сопротивления R, Ом Номер гармоники
3 5 11 13 23 25
0 0,16 0,27 5,6 3,7 0,11 0,14
0,7 0,04 0,16 0,91 0,46 0,22 0,1
1,5 0,09 0,08 1,8 0,25 0,25 0,14

При уменьшении активного сопротивления в два раза (R = 0,7 Ом) кривая тока становится практически синусоидальной (рис. 7б). Для сравнения на рис. 8 представлены осциллограммы преобразователя с отсутствием коммутирующего устройства. Кривые тока и напряжения принимают обычный ступенчатый вид с большим содержанием гармоник.

 Токи и напряжения преобразователя без коммутирующего устройства -100

Рис.8. Токи и напряжения преобразователя без коммутирующего устройства

Зависимость между уровнем компенсации и обратным напряжением на вентиле от величины вводимого сопротивления характеризуется данными, представленными в табл. 2.

Таблица 2

Уровень компенсации и величина обратного напряжения

Величина сопротивления R, Ом U обр (В)
0 -17,6о 2,2105
0,7 -9,45о 1,8105
1,5 +1о 1,62105

При принятых параметрах сети и коммутирующего устройства наиболее благоприятен режим работы преобразователя при R = 0,7 Ом. При этом сохраняется эффект искусственной коммутации ( -10°), вполне приемлем уровень обратного напряжения (180 кВ; 80 % от базисного) и минимальное присутствие гармоник.

В результате исследования можно сформулировать следующие выводы:

1. На вставках постоянного тока вариант использования компенсированных преобразователей на четных гармониках напряжения выгодно отличается по спектру гармоник при сохранении эффекта компенсации.

2. Введение малых активных сопротивлений в схему коммутирующего устройства благоприятно сказывается на работе преобразователя и примыкающих сетей.

3. Потери энергии на активном сопротивлении невелики и оцениваются на уровне снижения добротности контура колебаний.

В шестой главе исследованы условия работы вентилей в установившемся режиме преобразователя, даны рекомендации по выбору параметров вентилей и коммутирующего устройства, описаны испытания преобразователя в производственных условиях.

Исследованы зависимости как максимальной величины обратного напряжения , так и скачка напряжения на вентиле в момент его запирания от угла регулирования. По результатам исследования этих зависимостей можно сделать следующие выводы:

1) работа вентилей по условиям перенапряжений предпочтительнее при = 1,82, чем при = 3,79, причем в выпрямительном режиме вентили работают в более тяжелых условиях, чем в инверторном;

2) в области потребления реактивной мощности вентили работают в более тяжелых условиях, чем в области выдачи ее;

3) в области потребления реактивной мощности превалирующее значение в отношении перенапряжений имеет скачок обратного напряжения, а в области выдачи реактивной мощности – максимальное обратное напряжение;

4) для = 1,82 в области выдачи реактивной мощности, особенно в инверторном режиме, можно выбрать весьма приемлемые по перенапряжениям участки работы; здесь даже при = 1,5 перенапряжения не превосходят кратности 1,6; при = кратность перенапряжений примерно равна 1,0.

Среднее значение анодного тока через вентиль равно . При проектировании преобразовательной установки задается ее мощность и ток . Исходя из условия допустимой перегрузки преобразователя и пользуясь диаграммами мощности, можно определить углы регулирования, при которых в нормальных установившихся режимах невозможна длительная перегрузка преобразователя. Таким образом, устанавливаются границы по.

Далее в работе конкретизируется методика выбора параметров узла искусственной коммутации и вентилей.

В 1977 г. преобразователь с усовершенствованным коммутирующим устройством был испытан автором совместно с электротехнической лабораторией ВСЖД на тяговой подстанции Жаргон. Для работы была выбрана вторая гармоника ( 1,8), цепь Z – Д состояла из индуктивности 65 млГн и из группы диодов В2-200. Фазное напряжение схемной обмотки трансформатора составляло 1520 В, мощность 8400 кВ·А, выпрямленное напряжение 3300 В. Параллельно с компенсированным выпрямителем работал обычный трехфазный мостовой выпрямитель. Включение коммутирующего устройства позволило повысить до единицы cos преобразовательной установки и частично разгрузить от перетоков реактивной мощности питающую линию переменного тока. При наборе нагрузки двумя параллельно работающими выпрямителями происходило перераспределение активной мощности между ними – компенсированный выпрямитель воспринимал на себя большую активную мощность, чем некомпенсированный. С 1978 г. усовершенствованное коммутирующее устройство постоянно эксплуатировалась на одном из выпрямителей до перевода участка железной дороги на систему переменного тока.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен теоретический и экспериментальный анализ схемы преобразователя для случая бесконечно большой индуктивности линейного реактора. На основе этого анализа разработана методика выбора параметров узла искусственной коммутации.

2. Проведено исследование схемы при конечной индуктивности линейного реактора и разработана методика отстройки преобразователя от режима прерывистых токов.

3. Проведен гармонический анализ токов и напряжений преобразователя, который показал, что при оптимальном выборе параметров узла искусственной коммутации амплитуды высших гармоник в схеме не превышают амплитуды высших гармоник в схеме искусственной коммутации, работающей на нечетных гармониках. Условия работы вентилей в схеме с неусовершенствованным коммутирующим устройством не тяжелее условий работы вентилей в других схемах искусственной коммутации. Существуют области работы преобразователей с весьма благоприятными по перенапряжениям условиями работы.

4. Получены универсальные параметрические формулы для выпрямленного напряжения и тока, для углов естественного отпирания и своевременного запирания вентилей, для границ возможной работы преобразователя, а также формулы для коэффициентов Фурье гармонических составляющих токов и напряжений преобразователя. Эти формулы представляют собой обобщенные зависимости, из которых в частных случаях получаются уже известные в теории преобразователей результаты.

5. На основании разработанной методики выбора параметров, а также учитывая условия работы вентилей и конденсаторов на повышенных частотах, выбрана вторая гармоника ( 1,8) в качестве основной рабочей, на которую целесообразно настраивать узел искусственной коммутации. Но это не исключает возможности работы преобразователя на четвертой гармонике, которую можно использовать для улучшения cos.

6. Исследованы энергетические характеристики преобразователя. Построены точные универсальные диаграммы мощностей. По этим диаграммам выбираются зоны работы преобразователя в нужном диапазоне мощностей P и Q и углов и.

7. Экспериментальные исследования переходных процессов и анормальных режимов преобразователя показали благоприятное их протекание в отношении перенапряжений и сверхтоков. Исключение составляет необратимый пробой вентиля (плеча), при котором возникают опасные сверхтоки в элементах преобразователя. Необходимо предусматривать надежную защиту преобразователя от этого вида аварий.

8. Устройство для снижения перенапряжений, предложенное в работе, показало хорошие свойства, как в лабораторных испытаниях, так и во время эксплуатации на тяговой подстанции. Переходные процессы в преобразователе с усовершенствованным коммутирующим устройством протекают с меньшими перенапряжениями, чем в преобразователе без усовершенствованного коммутирующего устройства. Хотя преобразователь без усовершенствованного коммутирующего устройства тоже может с успехом использоваться в качестве компенсатора реактивной мощности или силовой преобразовательной установки, но преобразователь с усовершенствованным коммутирующим устройством, несмотря на его усложненность и несколько суженный диапазон угла регулирования гораздо предпочтительнее, так как он резко снижает класс изоляции преобразовательной установки. Расчеты показывают, что такой преобразователь, несмотря на дополнительное оборудование, на 35…40 % дешевле своего прототипа.

9. Выявлен новый вариант коммутирующего устройства – с минимальным активным сопротивлением в цепи конденсатора контура колебаний, который с успехом можно применять в мощных вставках постоянного тока. Добавка активного сопротивления, оценивающаяся на уровне снижения добротности контура колебаний, благотворно сказывается на режиме преобразователя и примыкающей сети.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ

ДИССЕРТАЦИИ

1. Глинтерник С.Р., Музыка Д.Ф. Электромагнитные процессы в трехфазном мостовом преобразователе с искусственной коммутацией на четных гармониках напряжения //Тр. Пятой всесоюзной конференции по теории и методам расчета нелинейных электрических цепей и систем. - Ташкент, 1975. - С. 36-47.

2. Глинтерник С.Р., Музыка Д.Ф. Электромагнитные процессы в трехфазном мостовом преобразователе с искусственной коммутацией на четных гармониках напряжения // Проблемы электроэнергетики и электромеханики. -Л.: Наука, 1977. - С. 107-118.

3. Музыка Д.Ф. Исследование установившегося электромагнитного процесса в схеме преобразователя с искусственной коммутацией в режиме прерывистого тока //Алгоритмизация и автоматизация промышленных установок и процессов. – Иркутск: Ирк. политехн. институт, 1977. - С. 134-144.

4. Коновалов Ю.С., Музыка Д.Ф., Фукс Н.Л. Преобразователь с коммутирующим устройством //Электрическая и тепловозная тяга. - 1978, №11. - С. 7-9.

5. Глинтерник С.Р., Музыка Д.Ф. Энергетические характеристики трехфазного мостового преобразователя с искусственной коммутацией на четных гармониках напряжения //Системы возбуждения и регулирования мощных энергетических агрегатов. - Л.: Наука 1979. - С. 56-66.

6. А.С. 734863 (СССР). Трехфазный преобразователь напряжения. Д.Ф. Музыка. Опубл. в Б.И., 1980, №18.

7. Глинтерник С.Р., Музыка Д.Ф. Трехфазный мостовой преобразователь с коммутирующим устройством на четных гармониках напряжения //Тр. всесоюзной научно-технической конференции "Пути улучшения энергетических и массогабаритных показателей полупроводниковых преобразователей".- Челябинск, 1985. - С. 8-11.

8.. Музыка Д.Ф. К вопросу об использовании запираемых вентилей в схемах силовых преобразователей //Информационные системы контроля и управления в промышленности и на транспорте. – Иркутск: ИрГУПС, 2005. - С.20-24.

9. Музыка Д.Ф. Возможности симметричного регулирования на мощных преобразователях // Информационные системы контроля и управления в промышленности и на транспорте. – Иркутск: ИрГУПС, 2005. - С.25-27.

10. Музыка Д.Ф. Запираемые вентили в схемах силовых преобразователей // Сборник статей III Международной научно-технической конференции "Материалы и технологии XXI века". -Пенза, 2005. - С. 208-211.

11. Крюков А.В., Музыка Д.Ф., Ушаков В.А. Электропередачи постоянного тока в системах внешнего электроснабжения железных дорог// Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте. - Красноярск, 2005. - С.146-151.

Соискатель _______________________

Лицензия ИД № 00639 от 05.01. 2000. Лицензия ПЛД № 40-61 от 31.05.1999.

Бумага писчая. Формат 60х84/16

Офсетная печать. Усл. печ. л.

Тираж 100 экз. Заказ №

___________________________________________________________

Отпечатано полиграфическим участком ИСЭМ СО РАН

664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 130



 





<
 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.