ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность:
реклама
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность: Электротехнический комплекс систем транспортировки газа мощностью от нескольких мегаватт до десятков мегаватт включает высокоскоростной газоперекачивающий агрегат (ГПА), привод, систему электроснабжения, систему управления. В связи с необходимостью снижения потерь энергии, повышения точности управления агрегатами, снижения выбросов вредных веществ актуальным является переход от газотурбинных приводов ГПА к частотно-регулируемому высоковольтному (ВВ) электроприводу. Реализация преимуществ частотно-регулируемых приводов (ЧРП) зависит от структуры и характеристик преобразователей частоты (ПЧ), которые предопределяют гармонический состав напряжения и тока в обмотках приводного двигателя, потери в меди и стали, пульсации электромагнитного момента, а также влияние привода на сеть. В связи с ограниченными значениями рабочих напряжений быстродействующих элементов силовой электроники ВВ преобразователи должны выполняться по многоуровневым схемам. Наиболее перспективной является структура на IGBT/IGCT модулях и переключаемых (плавающих) конденсаторах. Эту структуру отличает отсутствие фиксирующих диодов, равномерное распределение потерь в элементах, возможность непосредственного подключения к сети без согласующего трансформатора через обратный инвертор и др. Несмотря на значительный объем исследований в этом направлении, остается нерешенным ряд задач, препятствующих широкому использованию подобных преобразователей в ВВ электроприводах. К таким задачам относится вопрос обеспечения эффективного режима функционирования преобразователя в условиях разброса его параметров и возмущений со стороны электропривода и сети. Поэтому тема исследований, направленных на повышение эффективности ВВ электропривода газоперекачивающих агрегатов на базе многоуровневого ПЧ является актуальной. Цель работы: Обеспечение эффективности асинхронного 6 кВ электропривода ГПА путем использования многотактного 4-х уровневого инвертора на переключаемых конденсаторах. Идея работы: Качество преобразования энергии и стабильность функциональных характеристик ПЧ достигается выбором способа широтноимпульсной модуляции (ШИМ) из условия минимальных гармонических искажений выходного напряжения, а также применением систем автоматического регулирования режимов преобразователя, обеспечивающих принудительную балансировку напряжений на конденсаторах в случае возмущений в системе и рекуперацию кинетической энергии ГПА для поддержания напряжения звена постоянного тока ПЧ в случае провала напряжения сети. Основные задачи работы: 1. Анализ разработок в области приводов ГПА, многоуровневых ПЧ и их использования в частотно-регулируемых ВВ приводах. 2. Построение модели 4-х уровневого преобразователя на переключаемых конденсаторах. 3. Исследование показателей качества напряжения ЧП в зависимости от параметров нагрузки и параметров ШИМ. Обоснование метода ШИМ из условия минимальных потерь в преобразователе и двигателе. 4. Исследование динамики преобразователя и разработка системы стабилизации напряжений на конденсаторах. 5. Разработка алгоритма работы наблюдателя напряжений на переключаемых конденсаторах и оценка его работоспособности в системе автоматического поддержания режима преобразователя в условиях возмущений со стороны двигателя и сети. 6. Построение ВВ электропривода на базе 4-х уровневых инверторов для ГПА большой единичной мощности. Обоснование схемы поддержания напряжения в звене постоянного тока на основе рекуперации кинетической энергии ротора в случае провала напряжения сети. Методы исследований: Анализ структур многоуровневых преобразователей и систем ВВ электроприводов. Математическое моделирование ПЧ и приводного двигателя. Построение компьютерных моделей 4-х уровневого преобразователя и систем управления в среде Simulink SimPowerSystems Blockset Matlab. Компьютерное моделирование динамических и стационарных режимов работы ПЧ и электропривода. Синтез систем управления ПЧ. Экспериментальные исследования. Научная новизна: Выявлены закономерности изменения коэффициентов гармонических искажений напряжения 4-х уровневого ПЧ в зависимости от параметров ШИМ и нагрузки, позволившие обосновать способ модуляции, обеспечивающий минимальные искажения выходного напряжения ПЧ и тока двигателя. Установлены закономерности динамических процессов в 4-х уровневом ПЧ на переключаемых конденсаторах и их связь с параметрами установившегося режима, позволившие разработать систему стабилизации функциональных характеристик ПЧ на основе автоматической коррекции длительности избыточных состояний ключей, определяющих условие баланса напряжений на конденсаторах. Основные защищаемые положения: 1. В частотной области регулирования газоперекачивающего агрегата, соответствующей изменению глубины модуляции преобразователя частоты в пределах значений от 0,4 до 1, наименьшие искажения выходного напряжения достигаются при использовании схемы широтно-импульсной модуляции с пилообразным профилем сигналов несущей частоты и фазовым сдвигом между этими сигналами 120 градусов. 2. Стабилизация сбалансированного режима преобразователя частоты в условиях возмущений со стороны двигателя и сети обеспечивается путем автоматической коррекции длительности избыточных состояний ключей, влияющей на баланс напряжений. Оценка текущих значений контролируемых величин осуществляется с помощью наблюдателя напряжений, алгоритм работы которого основан на уравнениях равновесия напряжений и токов преобразователя частоты, таблице возможных состояний ключей и динамических уравнениях асинхронного двигателя. 3. Для реализации энергосберегающего высоковольтного электропривода газоперекачивающих агрегатов мощностью несколько мегаватт преобразователь частоты должен строиться на базе многотактной и многоуровневой структуры. Непрерывность технологического процесса в случае провала напряжения сети достигается стабилизацией напряжения звена постоянного тока преобразователя частоты за счет кинетической энергии, запасенной в роторе газоперекачивающего агрегата. Достоверность и обоснованность научных положений подтверждается сходимостью результатов моделирования и аналитических расчетов, а также результатов экспериментальных и аналитических исследований. Практическая значимость работы: 1. Разработана система стабилизации режима преобразователя на основе бездатчикового наблюдателя контролируемых напряжений. Отсутствие резонансного фильтра гармоник небаланса и высоковольтных датчиков напряжения позволяет повысить надежность и снизить стоимость преобразователя. 2. Разработана схема использования кинетической энергии ротора ГПА для стабилизации напряжения звена постоянного тока в случае провала питающего напряжения, позволяющая в течение нескольких секунд отсутствия напряжения сети сохранять синхронизацию ПЧ и двигателя и обеспечить работу привода при восстановлении питания. Апробация работы: Основные положения диссертационной работы докладывались на межвузовских научно-технических конференциях «Неделя науки СПбГПУ», на конференциях молодых ученых СПбГГИ(ТУ), на семинарах сектора преобразовательной техники отдела мехатроники ЗАО «Институт Энергетического Машиностроения и Электротехники» (ЗАО «ИЭМЭТ»). Результаты реализации работы: Результаты исследований используются в учебных дисциплинах магистерского цикла “Моделирование и методология экспериментальных исследований автоматизированных электромеханических комплексов и систем”. Результаты планируется использовать при модернизации ПЧ 6 кВ, 2,6 МВА разработки ЗАО «ИЭМЭТ». Личный вклад автора: Разработка компьютерной модели и выполнение исследований по влиянию параметров ШИМ и приводного двигателя на режим работы преобразователя. Обоснование схемы стабилизации режима преобразователя с использованием бездатчикового наблюдателя контролируемых величин. Разработка схемы стабилизации напряжения звена постоянного тока привода ГПА при провалах напряжения сети. Проведение экспериментальных исследований. Публикации: Основные результаты диссертации опубликованы в 5 печатных работах, из них 3 в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России. Структура и объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, изложенных на 151 страницах. Содержит 93 рисунка, 6 таблиц, список литературы из 92 наименований и 1 приложение. Первая глава посвящена анализу схем приводов ГПА, сравнительному анализу многоуровневых преобразователей и их применению в различных схемах ВВ электроприводов. Во второй главе рассматривается модель 4-х уровневого преобразователя частоты на переключаемых конденсаторах. Приводится сравнение результатов моделирования и результатов экспериментальных исследований прототипа ПЧ. Дается обоснование схемы ШИМ, обеспечивающей минимальные искажения выходного напряжения ПЧ. В третьей главе исследуется влияние параметров нагрузки и параметров ШИМ на распределение напряжений на конденсаторах и динамику их изменения под действием возмущающих факторов. Дается обоснование системы автоматического регулирования напряжений на конденсаторах. В четвертой главе рассматривается построение наблюдателя напряжений для системы автоматического поддержания сбалансированного состояния преобразователя. Пятая глава посвящена построению схемы частотно-регулируемого привода ГПА на базе 4-х уровневого ПЧ на переключаемых конденсаторах. Дается обоснование схемы поддержания напряжения в звене постоянного тока в случае провала напряжения сети. В заключении приводятся обобщающие выводы и рекомендации по использованию результатов исследований. ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 1. В частотной области регулирования газоперекачивающего агрегата, соответствующей изменению глубины модуляции преобразователя частоты в пределах значений от 0,4 до 1, наименьшие искажения выходного напряжения достигаются при использовании схемы широтно-импульсной модуляции с пилообразным профилем сигналов несущей частоты и фазовым сдвигом между этими сигналами 120 градусов. Для обоснования эффективного способа ШИМ и исследования процессов балансировки напряжений на переключаемых конденсаторах разработана модель четырехуровневого ПЧ в среде Simulink Matlab, которая отсутствует в стандартной библиотеке SimPowerSystems Blockset. Адекватность модели проверялась сопоставлением результатов моделирования с экспериментальными данными, полученными при исследовании прототипа преобразователя 6 кВ мощностью 2,6 МВА. Схема одной фазы 4-х уровневого инвертора показана на рис.1. Рис.1 Схема фазы A четырехуровневого инвертора В установившемся режиме, характеризующемся балансом напряжений на переключаемых конденсаторах UC U dc / 3 и UC 2U dc / 3 , выходное 1 2 напряжение ЧП определяется формулой u t 2s3 t 1 U dc s2 t s1 t U C1 s3 t s2 t U C2 . 2 (1) Функция переключений k-ой пары комплементарных ключей sk(t)1,0 (k=1, 2, 3) формируется в результате сравнения модулирующего сигнала частотой f и трех сигналов несущей частоты fs треугольной (ШИМ-1) и пилообразной формы (ШИМ-2). Эти сигналы сдвинуты во времени на треть периода Ts/3 как показано на рис.2 для случая f=0. Символы «+» и «-» означают заряд и разряд конденсаторов, а символ «0» означает неизменность напряжений U C , U C . 1 2 Существует восемь возможных комбинаций состояния ключей (s1, s2, s3). Конденсатор C1 участвует в формировании выходного напряжения при комбинациях ключей 2-(100) и 7-(011), конденсатор C2 – при комбинациях 4(110) и 5-(001), оба конденсатора – при комбинациях 3-(010) и 6-(101); при комбинациях 1-(000) и 8-(111) напряжения на конденсаторах не влияют на выходное напряжение. Если в пределах рабочего цикла длительности зарядно-разрядных комбинаций (2 и 7), (4 и 5), (3 и 6) одинаковы, то имеет место естественный баланс напряжений на конденсаторах, достигаемый за счет избыточности состояний ключей для обоих способов модуляции. Отличие переключающих функций sk(t) и их разностей для ШИМ-1 и ШИМ-2 приводит в соответствии с (1) к разным показателям качества выходного напряжения u(t). Сравнение методов ШИМ целесообразно производить по фактору гармонических искажений HDF, зависящему только от глубины модуляции m. Поскольку квадрат действующего значения тока высших гармоник пропорционален этому параметру, то можно утверждать, что с уменьшением HDF снижаются потери энергии в стали и меди, а также уменьшаются колебания электромагнитного момента. В работе рассматриваются зависимости HDF=f(m) для скалярного закона частотного управления приводом. Для получения этих зависимостей выполнены измерения взвешенного коэффициента искажений WTHD: WTHD (U n2 n n)2 U1 (2) Этот коэффициент характеризует искажения синусоидальности идеально интегрированного ШИМ напряжения, что соответствует искажениям тока чисто индуктивной нагрузки инвертора. Связь величин HDF и WTHD выражается формулой HDF 18(WTHDf s m πf )2 (3) Вычисление WTHD по формуле (2) является трудоемкой операцией, требующей учета множества гармоник. Для упрощения расчетов эта формула приведена к виду WTHD 1 π 2π θ ( u ( x)dx) 0 2 dθ U12 1 (4) 0 где u(θ) – выходное напряжение, θ=ωt, U1 – действующее значение первой гармоники напряжения. Значения WTHD определялись автоматически с помощью расчетных блоков Simulink Matlab. Коэффициенты искажений синусоидальности кривой тока THDi и кривой напряжения THDu находились с помощью анализатора спектра. Исследования производились для законов управления асинхронным приводом U/f 2=const и U/f=const при U=6 кВ, f=10-50 Гц, fs=600 Гц, fs=1200 Гц и P=1,5 МВт. Результаты исследований показали, что независимо от закона управления и частоты ШИМ экспериментальные точки [mk, HDFk] группируются в пределах двух кривых HDF1(m) и HDF2(m), соответствующих сравниваемым методам ШИМ-1 и ШИМ-2 (рис.3а). Это свидетельствует о том, что используемый для сравнения методов ШИМ параметр HDF зависит только от глубины модуляции m. Из графиков HDF(m) и THDu(m) следует, что в практически важной области частотного регулирования приводом ГПА 0,4<m<1 метод ШИМ-2 с пилообразной формой развертывающего сигнала обеспечивает наилучшее качество напряжения по сравнению с методом ШИМ-1. В связи с относительно высоким значением эквивалентной частоты переключений fse=3fs=1,8 кГц уровень искажений формы тока THDi=2-3% в этой области регулирования удовлетворяет требованиям электромагнитной совместимости ПЧ и двигателя. Рис.3 Зависимости фактора гармонических искажений HDF (а) и коэффициента искажений синусоидальности напряжения THDu (б) от глубины модуляции m. 2. Стабилизация сбалансированного режима преобразователя частоты в условиях возмущений со стороны двигателя и сети обеспечивается путем автоматической коррекции длительности избыточных состояний ключей, влияющей на баланс напряжений. Оценка текущих значений контролируемых величин осуществляется с помощью наблюдателя напряжений, алгоритм работы которого основан на уравнениях равновесия напряжений и токов преобразователя частоты, таблице возможных состояний ключей и динамических уравнениях асинхронного двигателя. В реальных условиях работы преобразователя балансировка напряжений на конденсаторах может нарушаться вследствие разброса параметров элементов, асимметрии процессов заряда/разряда конденсаторов, возмущений со стороны нагрузки и звена постоянного тока, которые вызывают переходные процессы в ПЧ. При наличии избыточных состояний ключей процесс балансировки считается устойчивым. Динамические свойства ПЧ определялись по осциллограммам реакций uC (t ) и uC (t ) на ступенчатое изменение напряжения U dc для случаев DC1 2 модуляции однофазного инвертора и AC-модуляции 3-х фазного инвертора. В режиме AC-модуляции дополнительно определялся спектр тока нагрузки на конечном интервале наблюдения процесса. О динамике процессов можно судить по осциллограммам заряда конденсаторов C1 и C2 до номинальных значений U C =2880 В, U C =5760 В при U dc =8640 В, fs=600 Гц, m=0,2, 1 2 R=4,2 Ом, L=6,4 мГн (рис.4). Оценки коэффициента затухания =8,13 1/c и собственной частоты d=34,7 рад/с по измеренному периоду колебаний и декременту затухания практически совпали с корнями характеристического полинома системы дифференциальных уравнений цепи переменной структуры, состояние которой в зависимости от комбинаций ключей определяет число конденсаторов, подключенных к нагрузке. В случае AC-модуляции установлено, что переходной процесс может иметь как осциллирующий (рис.9а), так и апериодический характер в зависимости от значения коэффициента модуляции m. Анализ спектрограмм оконного преобразования Фурье при mf=fs/f=12 (рис.5) показывает, что, если в сбалансированном режиме первая группа высших гармоник выходного напряжения и тока образуется вокруг частот 3mf, 6mf , …, то при появлении небаланса возникают группы гармоник вокруг частот mf и 2mf. Для перехода в сбалансированное состояние эти гармоники должны быть поглощены нагрузкой. Поэтому свойства процесса балансировки зависят как от параметров ШИМ, так и от параметров нагрузки. Обработка осциллограмм для коэффициентов модуляции m=0,3, 0,4, …, 1 показала, что с ростом коэффициента m время переходного процесса снижается. Увеличение постоянной времени нагрузки и рост частоты ШИМ с одной стороны приводит к улучшению параметров электромагнитной совместимости инвертора и двигателя, а с другой – к увеличению длительности переходного процесса балансировки. В работе показано, что включение последовательного RLC-фильтра (R=60 Ом, L=30 мГн, C=2,35 мкФ, f0=fs=600 Гц) параллельно нагрузке позволяет снизить инерционность процесса за счет быстрого выделения энергии небаланса в R-элементе фильтра. Однако фильтрация высших гармоник увеличивает токовую нагрузку на ключи, вызывает дополнительные потери, снижает надежность и увеличивает общую стоимость устройства. Эти недостатки устраняются с помощью предложенной схемы стабилизации напряжений, работа которой основана на коррекции длительности зарядно-разрядных процессов в конденсаторах С1 и С2, ответственных за баланс напряжений uC (t ) и uC (t ) . Для реализации этой 1 2 схемы, вместо одного модулирующего сигнала каждой фазы используются три индивидуальных модулирующих сигнала для каждой из трех ячеек фазы (рис.1) с возможностью изменения в незначительных пределах их амплитуд. На основе анализа чувствительности небаланса напряжений к приращениям амплитуд индивидуальных модулирующих сигналов и рассмотрения процессов формирования импульсов управления ключами предложена схема поддержания требуемого распределения напряжений, которая включает два контура регулирования с пропорциональными регуляторами, учитывающими знаки воздействий. При отклонении напряжений uC и uC от номинальных 1 2 значений Udc/3 и 2Udc/3 сигналы рассогласования изменяют амплитуды модулирующих сигналов ячеек 1 и 3, соответственно. Коэффициент модуляции ячейки 2 при этом остается неизменным. Работоспособность алгоритма стабилизации баланса напряжений иллюстрируется осциллограммами, показанными на рис 9. С целью снижения затрат и повышения надежности работы преобразователя путем исключения датчиков напряжения на конденсаторах разработан алгоритм наблюдателя контролируемых величин uC и uC . Входными данными наблюдателя служат показания высокочастотных датчиков тока статора, датчика напряжения звена постоянного тока и датчика положения ротора. Структурная схема наблюдателя (рис.6) включает блок косвенного измерения напряжений конденсаторов по выходному напряжению ПЧ, блок оценки напряжения ПЧ по фазному напряжению двигателя и напряжению нулевой последовательности и блок наблюдателя напряжений двигателя по измеренным токам статора и скорости вращения ротора. 1 2