Система генерування електричної енергії на основі машини подвійного живлення з матричним перетворювачем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут електродинаміки

УДК 621.313.333.1: 62-83

Система генерування електричної енергії на основі машини подвійного живлення з матричним перетворювачем

Спеціальність 05.09.03 електротехнічні комплекси та системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Шаповал Іван Андрійович

Київ 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у відділі перетворення та стабілізації електромагнітних процесів Інституту електродинаміки НАН України, м. Київ.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор Чехет Едуард Михайлович, Інститут електродинаміки НАН України, завідувач відділу перетворення та стабілізації електромагнітних процесів.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Чермалих Валентин Михайлович, Інститут енергозбереження та енергоменеджменту Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут”, завідувач кафедри автоматизації і керування електротехнічними комплексами;

кандидат технічних наук, с.н.с. Акинін Костянтин Павлович, Інститут електродинаміки НАН України, старший науковий співробітник відділу систем стабілізованого струму.

Провідна установа Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут” Міністерства освіти i науки України, кафедра автоматизованих електромеханічних систем.

Захист відбудеться “29” жовтня 2003 р. об 11-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.187.01 в Інституті електродинаміки НАН України за адресою: 03680, Київ-57, проспект Перемоги, 56, тел. 456-91-15.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту електродинаміки НАН України за вищевказаною адресою.

Автореферат розісланий “11” вересня 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.С. Федій

генераторний подвійний живлення матричний

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. Поступове виснаження легкодоступних дешевих енергоресурсів і погіршення екологічних умов життя вимагають розробки нових енергетичних систем, заснованих як на більш ефективному використанні традиційних енергоресурсів, так і на широкому розвитку нетрадиційних екологічно чистих відновлюваних джерел енергії. Використання енергії нетрадиційних і відновлюваних джерел у світі постійно зростає, але частка її в загальному виробництві значно менша від потенціалу.

Серед питань, рішення яких забезпечить широкомасштабне впровадження нетрадиційних і відновлюваних джерел енергії, ключовим питанням є поліпшення техніко-економічних показників існуючого енергетичного устаткування, створення і впровадження нового обладнання, нових технологій і матеріалів.

Однією з причин обмеженого використання нетрадиційних джерел енергії є нестабільність їх у роботі. Наприклад, відсутність вітру (у вітроенергетичних установках) обумовлює періодичність енергопостачання, а нерівномірна швидкість вітру або напору води (у малих гідроелектростанціях) - нестабільність енергетичних характеристик.

Завдяки використанню надійних і ефективних систем генерування підвищується стійкість енергосистем на основі нетрадиційних і відновлюваних джерел енергії.

Актуальність теми. Проблема підвищення ефективності перетворення механічної енергії первинного рушія, що обертається із змінною швидкістю вала, в електричну енергію змінного струму протягом останнього десятиліття привертає увагу розробників систем генерування електричної енергії. Це пояснюється актуальністю проблеми використання нетрадиційних і відновлюваних джерел електроенергії.

В даний час у системах генерування використовуються як синхронні, так і асинхронні генератори. В останні роки широке поширення отримують системи з застосуванням електричної машини і пристроїв силової електроніки, наприклад, асинхронно-вентильні каскади (АВК) і генератори на основі машини подвійного живлення (МПЖ).

Використання МПЖ є привабливим рішенням проблеми генерування електричної енергії у вітрогенеруючих установках, малих гідроелектростанціях та інших системах, що працюють паралельно з енергосистемою. Якщо статор МПЖ підключений до мережі з постійною частотою і напругою, а струми ротора керуються за допомогою перетворювача частоти, то електрична енергія може генеруватися в мережу при змінній швидкості первинного вала генератора з мінімальними втратами в електричній машині. Більш того, потужність керування в роторі пропорційна ковзанню і тому при малих ковзаннях ефект керування досягається за допомогою малопотужного (відносно загальної потужності, що перетворюється) перетворювача частоти (ПЧ). Застосування векторних методів керування дозволяє забезпечити найбільш високі енергетичні характеристики такої системи генерування. В науковій літературі запропоновані різні варіанти векторних методів для керування МПЖ. Ці рішення вимагають вимірювання повного вектора простору станів і точного знання всіх параметрів МПЖ. Загальним недоліком відомих рішень є вимога вимірювання кутового положення ротора з високою точністю, а також вимірювання як струмів статора, так і ротора.

Тільки використання відповідного перетворювача з двонаправленим потоком енергії дозволяє повністю реалізувати всі переваги МПЖ. В даний час більше уваги приділяється вивченню дволанкових перетворювачів частоти з можливістю формування синусоїдального вхідного струму для застосування в системі МПЖ. Але в даних перетворювачах для забезпечення динамічних режимів МПЖ ємність електролітичного конденсатора в ланці постійного струму повинна бути досить великою, що приводить до погіршення масогабаритних показників і знижує надійність усієї системи. Тому для використання в роторній ланці МПЖ як джерела живлення були запропоновані матричні перетворювачі (МП). Вони є одноланковими перетворювачами, забезпечують двосторонній потік енергії, вимагають мінімум пасивних реактивних компонентів у фільтрах. Незважаючи на ряд переваг МП, їх робота і можливості в системах з МПЖ досліджені недостатньо.

У зв'язку з цим основні дослідження дисертаційної роботи спрямовані на подальший розвиток теорії керування МПЖ і розробку ефективних алгоритмів керування МПЖ з МП.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Науково-дослідна робота з теми дисертації проводилася в Інституті електродинаміки згідно з планами НДР НАН України за темами: “Дослідити і розробити принципи побудови перетворювачів частоти з регульованим коефіцієнтом потужності і створити на цій основі перетворювачі з електромагнітною сумісністю і підвищеними енергетичними показниками” (шифр 1.7.3.124, “Динаміка ? 2”, затверджена постановою Бюро ВФТПЕ НАН України від 27.12.1994р., протокол № 9, № ДР 0195U011046); “Дослідити і розробити перетворювачі частоти з векторним керуванням на базі цифрових сигнальних процесорів” (шифр 1.7.3.180, “Сигнал”, затверджена постановою Бюро ВФТПЕ НАН України від 23.03.2000р., протокол № 3). У зазначених темах здобувач був відповідальним виконавцем за розділами, пов'язаними з аналітичним дослідженням усталених електромагнітних процесів і практичною реалізацією системи керування матричними перетворювачами на базі цифрових сигнальних процесорів.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є подальший розвиток теорії керування машиною подвійного живлення і розробка на цій основі ефективних алгоритмів керування системами генерування електроенергії на основі машини подвійного живлення з матричним перетворювачем в колі ротора.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні основні задачі:

? порівняльний аналіз генераторних комплексів у складі альтернативних систем генерування електричної енергії;

? розробка алгоритму векторного керування моментом і реактивною потужністю МПЖ;

? аналіз електромагнітних процесів у системі генерування електроенергії на основі МПЖ з векторним алгоритмом відпрацювання заданого моменту з одночасною стабілізацією коефіцієнта потужності системи;

? проведення аналізу алгоритмів керування матричним перетворювачем;

? розробка системи керування МПЖ з МП на основі цифрового сигнального процесора;

? розробка і проведення досліджень алгоритмів роботи МПЖ і МП на експериментальній установці.

Об'єктом дослідження є процес генерування електроенергії з використанням машини подвійного живлення.

Предметом дослідження є алгоритми керування системою генерування електричної енергії на основі машини подвійного живлення з матричним перетворювачем в колі ротора.

Методи дослідження. При рішенні поставлених у дисертації задач використовувалися: метод безперервного перетворення Лапласа для аналізу електромагнітних процесів; метод просторових векторів при аналізі запропонованих алгоритмів керування; математичне і фізичне моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- на підставі аналізу властивостей машини подвійного живлення розроблено новий метод векторного керування моментом і потоком МПЖ;

- отримали подальший розвиток методи керування МП при використанні його як джерела живлення в колі ротора МПЖ;

- розроблено раніше невідомий метод усунення субгармонічних складових у спектрі вхідного струму МП з однократною модуляцією (ОМ) при використанні його в МПЖ;

- вперше розроблено математичну модель МП з векторною широтно-імпульсною модуляцією (ВШІМ), яка заснована на встановленні взаємозв'язку інформаційного і силового входів з силовим виходом для однозначного визначення стану МП та представленні заданого просторового вектора вихідної напруги комбінаціями увімкнених ключів на кожному інтервалі сталості структури МП.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що розроблено програмне забезпечення, яке дозволяє здійснити практичну реалізацію алгоритмів керування МПЖ з МП на базі цифрового сигнального процесора.

Розроблений алгоритм керування машиною подвійного живлення з матричним перетворювачем знайшов практичне застосування при розробці експериментального зразка МП потужністю 6 кВА як джерела живлення для системи генерування на основі МПЖ, виготовленого в рамках контракту № 1390 “Нові напівпровідникові перетворювачі для автономних систем живлення стаціонарних і рухомих об'єктів” між Інститутом електродинаміки НАН України та Українським науково-технологічним центром (1999-2002 р.р.). Проведені експериментальні дослідження МПЖ з МП повністю підтвердили високу ефективність запропонованого алгоритму керування, що дозволяє рекомендувати його для промислового використання в системах генерування змінного струму із змінною швидкістю обертання вала первинного двигуна, які працюють паралельно з енергосистемою.

Особистий внесок автора. Наукові положення і результати, викладені в дисертації, отримані автором особисто. У наукових працях, опублікованих у співавторстві, здобувачу належить: [2] ? дослідження інверторного алгоритму керування МП; [3, 4] ? створення математичної моделі МПЖ і моделювання роботи МПЖ в перехідних режимах; [5] ? частина досліджень з розробки алгоритму керування моментом МПЖ; [6, 9] ? проведення експериментальних досліджень алгоритму керування МПЖ; [7] ? моделювання роботи МПЖ з МП; [8] ? частина досліджень з створення математичної моделі МП і моделювання роботи системи МП з асинхронним двигуном; [10] ? дослідження роботи експериментального зразка МП; [11] ? моделювання базового і модернізованого алгоритмів М. Вентуріні в МП як джерела живлення в колі ротора МПЖ.

Апробація результатів дисертації. Основні теоретичні положення, результати і висновки дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на міжнародних конференціях: “Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика” (м. Алушта, 1998, 1999р.р.); „Проблеми сучасної електротехніки” (м. Київ, 2000 і 2002 р.р.); „Силова електроніка і енергоефективність (м. Алушта, 1999, 2001 р.р.); 9-th International Conference on Power Electronics and Motion Control EPE-PEMC2000 (Slovak Republic, Kosice, 2000); 5-th International Conference on Unconventional Electromechanical and Electrical Systems (Poland, Szczecin, 2001).

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи відображений в 11 публікаціях, з них 9 статей в наукових фахових журналах і 2 тези доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура й обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи складає 178 сторінок, у тому числі 120 сторінок основного тексту, 55 рисунків, 3 таблиці, список використаних джерел з 105 найменувань та 4 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність і доцільність роботи, сформульовано мету та задачі наукового дослідження, наведено дані про зв'язок роботи з науковими програмами, викладено наукову новизну, практичне значення і реалізацію результатів дисертаційних досліджень, наведено дані про їх апробацію, публікацію та впровадження.

У першому розділі розглянуто сучасний стан розробок генераторних комплексів (ГК) у складі альтернативних систем генерування електричної енергії і тенденції їх розвитку.

В роботі розглянуто ГК, які працюють паралельно з мережею нескінченної потужності. Стабілізація параметрів електроенергії, що виробляється ГК, покладена на статичні перетворювачі частоти, які забезпечують більш високий ККД генерування, ніж механічні способи (на основі редукторних передач, диференційних механізмів тощо), й до того ж вони мають кращі показники генерування електроенергії в динаміці. Статичні перетворювачі частоти, таким чином, забезпечують узгодження параметрів електрогенератора з енергосистемою.

Проведений огляд і аналіз існуючих генераторних комплексів у складі альтернативних систем генерування електричної енергії дозволили визначити основні переваги і недоліки таких систем на основі синхронних генераторів і асинхронних генераторів (АГ) з короткозамкненим ротором і з фазним ротором.

Відмічено переваги систем генерування з синхронними генераторами: здатність виробляти як активну, так і реактивну енергії та можливість їх регулювання; можливість регулювання вихідної напруги. Недоліки таких систем: необхідність достатньо складної синхронізації з мережею живлення; велика вартість в порівнянні з асинхронними генераторами; наявність, в більшості випадків, контактних кілець. Переваги систем генерування на основі АГ з короткозамкненим ротором: більш проста конструкція; не містять контактних кілець; не потребують спеціального обладнання для збудження. Відмічено недоліки таких систем: перетворювальний пристрій розраховується на потужність, що дорівнює потужності всієї системи; для компенсації реактивної потужності необхідно використовувати додаткове обладнання.

Розглянуто можливість використання в сучасних системах генерування електромеханічних систем на основі АГ з фазним ротором і вентильними перетворювачами. Розглянуто такі схеми асинхронно-вентильних каскадів (АВК): схема Шербіуса, схема Кремера, схема з циклоконвертером та схема генераторного комплексу за системою індуктвино-ємнісний перетворювач - асинхронна машина. Через те, що АВК мають низький коефіцієнт потужності, незадовільну форму кривої вхідного струму перетворювача, а також не забезпечують 4-хквадрантний режим роботи без зміни електричної схеми, відсутня можливість широкого застосовування їх в сучасних системах генерування.

Найкраще можливості АГ з фазним ротором реалізовані в машині подвійного живлення, коли статор підключається до мережі з постійною частотою і напругою, а ротор живиться від керованого перетворювача частоти, потужність якого пропорційна бажаному діапазону регулювання швидкості (ковзанню).

Найбільш перспективною серед всіх розглянутих систем є система генерування на основі машини подвійного живлення завдяки тому, що перетворенню підлягає лише частина енергії, внаслідок чого зменшуються втрати; перетворювач в роторній ланці розрахований тільки на потужність, пропорційну ковзанню, є можливість підтримування оптимального коефіцієнта потужності при зміні навантаження на валу, а також є можливість роботи в рушійному і генераторному режимах з швидкістю вище і нижче синхронної.

Основний недолік машини подвійного живлення - наявність контактних кілець - може бути усунений за допомогою використання безконтактних машин подвійного живлення.

Розглянуто стан розробки алгоритмів керування машиною подвійного живлення, яка працює в режимі генератора. На основі аналізу існуючих алгоритмів керування МПЖ показано, що найбільш повно переваги МПЖ реалізуються з векторними алгоритмами керування.

Порівняння можливих підходів до формування структури силової частини роторної ланки МПЖ показало, що матричні перетворювачі можуть повністю задовольнити вимоги, які висуваються до перетворювачів частоти як до джерел живлення з боку ротора МПЖ.

В другому розділі розглянуто результати розробки векторного алгоритму керування машиною подвійного живлення.

Застосування векторних методів керування дозволяє забезпечити найбільш високі енергетичні характеристики такої системи генерування. На сьогоднішній день відомі різні варіанти векторних методів для керування МПЖ. В основному вони представляють методи керування на основі орієнтації за полем. Але в таких системах необхідна інформація про вектор потокозчеплення, точне знання всіх параметрів МПЖ і вимірювання кутового положення ротора з високою точністю.

В даній роботі використовується альтернативний підхід до побудови алгоритму векторного керування МПЖ, який базується на використанні системи координат (d-q на рис. 2), орієнтованої за вектором напруги мережі, що не залежить від параметрів електричної машини, завдяки чому необхідно вимірювати тільки струми ротора, а вимоги до точності вимірювання кутового положення ротора істотно пом'якшуються. На рис. 2 показані: система координат a-b, що пов'язана з статором, і система dr-qr, пов'язана з ротором.

Головна мета керування МПЖ в режимі генератора полягає в генеруванні бажаного моменту незалежно від кутової швидкості вала первинного рушія.

Повністю керована електрична машина має два входи керування, що задаються векторами напруги статора і ротора .

Використовуючи рівняння для узагальненої моделі МПЖ, отримано модель МПЖ, яка представлена у вигляді рівнянь струмів ротора і потоків статора:

(1)

де

,

, ,

, ,

- кутова частота обертання ротора, ₀ - кутова частота системи координат d_q відносно стаціонарної системи координат статора a_b, індекси d, q вказують на компоненти векторів у системі координат d_q, ? опори й індуктивності статора/ротора, ? індуктивність намагнічування, J ? приведений момент інерції. Генерований момент в (1) дорівнює , де .

Коли МПЖ використовується як генератор, момент у першому рівнянні в (1) є рушійним моментом, що виробляється первинним приводним рушієм і стабілізує механічну систему МПЖ, загальне рівняння руху якої має вигляд:

(2)

де - коефіцієнт регулятора швидкості первинного рушія, а - його задана швидкість.

Після визначення похибки відпрацьовування потокозчеплень статора у вигляді де - задана траєкторія потоку, динаміка похибок відпрацювання моменту/потоку може бути записана у вигляді:

(3)

За умови керування за допомогою струмів у ланці ротора, використовуючи (3), можна отримати такий алгоритм керування моментом/потоком:

- алгоритм керування моментом

. (4)

- алгоритм керування потоком

(5)

із заданим потоком

,

що обчислюється з рівняння

з урахуванням рівняння (4).

У реальної МПЖ струми ротора не є керуючими впливами, тому виходи регуляторів потоку/моменту () у (4) і (5) представляють тільки бажані траєкторії () для реальних струмів . Вектор напруги ротора є єдино можливим входом керування МПЖ.

Алгоритм керування струмами визначено наступним чином:

(6)

де - коефіцієнт інтегральної складової регулятора струму.

Таким чином, отримано загальне рішення задачі керування моментом і потоком МПЖ, що гарантує відпрацювання заданих траєкторій зміни моменту при стабілізації коефіцієнта потужності статорної ланки на рівні одиниці. Запропоноване рішення не використовує спрощень і базується на непрямій орієнтації за вектором потокозчеплення статора в системі координат, орієнтованої за вектором напруги мережі, що не залежить від параметрів електричної машини. Завдяки цьому необхідно вимірювати тільки струми ротора, а вимоги до точності вимірювання кутового положення ротора істотно пом'якшуються.

На відміну від асинхронної машини з короткозамкненим ротором, МПЖ живиться як з боку статора, так і з боку ротора. Тому необхідна спеціальна процедура ініціалізації і синхронізації з мережею для забезпечення підключення МПЖ до мережі без перехідного процесу.

Алгоритм керування струмами ротора МПЖ у режимі синхронізації з мережею визначено у вигляді:

(7)

при цьому задані струми ротора визначаються як:

,

де - коефіцієнти пропорційної та інтегральної частини ПІ регулятора струму.

Для того, щоб підтвердити працездатність розробленого алгоритму керування, виконано моделювання роботи МПЖ у режимах генератора і двигуна.

Моделювання режимів роботи МПЖ визначило вимоги, яким повинен задовольняти перетворювач частоти, увімкнений у роторну ланку МПЖ, зокрема: забезпечення двостороннього потоку енергії, забезпечення на вході перетворювача коефіцієнта потужності, близького до одиниці, забезпечення точного відпрацьовування заданої постійної напруги (необхідної в режимі збудження та синхронізації з мережею).

У третьому розділі проведено дослідження алгоритмів керування матричним перетворювачем у складі МПЖ.

Досліджено два алгоритми керування МП при використанні його в системі МПЖ: однократна модуляція та векторна широтно-імпульсна модуляція.

Аналіз гармонічного складу вхідного струму в МП з ОМ виявив наявність у ньому субгармонічних і постійних складових. У зв'язку з цим розроблено ефективний метод їх усунення.

Аналітичне дослідження і математичне моделювання МП з ОМ у складі МПЖ підтвердило можливість застосування даного типу МП для побудови МПЖ з точки зору забезпечення задовільної якості вхідних і вихідних струмів перетворювача і простоти системи керування. Разом з тим, виконання вимоги про регульований вхідний коефіцієнт потужності, у тому числі такий, що дорівнює одиниці, викликає істотне ускладнення системи керування, що позбавляє МП однієї з основних переваг у даному застосуванні - простоти алгоритму керування.

У зв'язку з цим пріоритет при побудові системи генерування електроенергії на основі МП надано ВШІМ, що не має зазначених недоліків.

Алгоритм реалізації векторної ШІМ полягає в наступному:

- під час відпрацьовування попереднього завдання на поточному циклі ШІМ за миттєвим значеннями фазних напруг мережі:

(8)

визначається момент переходу від одного сполучення напруг до іншого та його ідентифікація;

- обчислюються вагові коефіцієнти:



. (9)

- зчитуються задані значення вектора вихідної напруги і визначається відповідний їм сектор векторної діаграми (рис. 4);

- обчислюються відносні тривалості і відповідні часові інтервали:

(10)

де n=1...6 - номер стаціонарного вектора напруги (рис. 4); N=1...6 - номер сектора (на рис. 4 номери секторів позначені римськими цифрами);

- з початком чергового циклу ШІМ (початок періоду несучої частоти) формується просторовий вектор вихідної напруги МП.

На підставі отриманих виразів розроблено модель МП у системі "мережа живлення - вхідний LC-фільтр - МП - навантаження". Розроблена математична модель МП з ВШІМ дозволила дослідити електромагнітні процеси у системі МПЖ з МП шляхом моделювання, результати якого показали відповідність матричного перетворювача вимогам, зокрема: забезпечення близького до одиниці вхідного коефіцієнта потужності і формування вхідного і вихідного струмів, близьких до синусоїдальних. У підсумку досягаються характеристики МП, близькі до характеристик ідеального джерела живлення в роторній ланці МПЖ.

В четвертому розділі наведені результати експериментальних досліджень алгоритмів керування МПЖ разом з МП.

Для того щоб підтвердити результати, отримані аналітично і шляхом моделювання, проведено експериментальні дослідження системи генерування електроенергії на основі МПЖ з МП. Для цього розроблено експериментальний стенд, блок-схема якого представлена на рис. 5.

Розробка системи керування виконана на основі системи швидкого макетування (Rapid Control Prototyping) DS1102 dSPACE, у якій швидке налагодження алгоритму керування можливе за допомогою інтегрованих програмних засобів для тестування в режимі реального масштабу часу.

Реалізація алгоритму керування для програми відпрацьовування в режимі реального масштабу часу складається з окремих функціональних блоків: ініціалізація; керування вхідними-вихідними функціями (аналогово-цифрового перетворення, вимірювання напруги та струму, визначення швидкості (положення) за допомогою давача швидкості); перетворення координат; реалізація алгоритму керування МПЖ на етапі синхронізації з мережею; виконання алгоритму керування відпрацювання моменту; реалізація алгоритму керування МП.

Дослідження всіх алгоритмів керування проводилося з використанням асинхронної машини з фазним ротором потужністю 1,4 кВт. В ролі первинного рушія в генераторному режимі виступає машина постійного струму.

Досліджено роботу системи при відпрацьовуванні заданого моменту в режимах генератора і двигуна з вище і нижче синхронною швидкістю обертання вала первинного рушія. На рис. 6 показані осцилограми при повному циклі роботи МПЖ у генераторному режимі. Складова струму статора по осі d визначає момент і активну потужність МПЖ, а складова по осі q - реактивну потужність МПЖ. З приведених осцилограм випливає, що похибки відпрацьовування струмів ротора знаходяться на нульовому рівні, реактивна складова статорного струму також дорівнює нулю протягом усього тесту. В результаті струм фази статора в системі координат статора a-b, показаний на рис. 6е, зсунуто за фазою на 180 щодо напруги мережі живлення.

Активна потужність статора залишається незмінної протягом усього часу відпрацьовування заданого моменту, а реактивна потужність дорівнює нулю, що є доказом вирішення задачі, поставленої при розробці алгоритму керування МПЖ.

Графіки перехідних процесів для повного циклу керування свідчать про високу якість синхронізації вектора ЕРС керованої МПЖ і вектора напруги мережі при використанні запропонованого алгоритму синхронізації та про м'яке підключення статора МПЖ до мережі живлення без виникнення перехідних процесів.

З рис. 6 видно, що у режимі генератора досягається коефіцієнт потужності, який дорівнює одиниці на вході МП та в статорі МПЖ.

У цілому виконані експериментальні дослідження підтвердили, що розроблений алгоритм керування МПЖ з МП гарантує точне відпрацювання заданого моменту при одночасному забезпеченні коефіцієнта потужності статорної ланки на рівні одиниці. При цьому досягаються близькі до синусоїдальної форми кривих струмів статора МПЖ і на вході МП.

Результати, отримані експериментальним шляхом, підтверджують правильність розроблених математичних моделей МПЖ і МП, що дозволяє рекомендувати ці моделі для проектування електрогенеруючих систем на основі МПЖ з МП.

Розроблене програмне забезпечення дозволяє на основі контролера системи dSPACE реалізувати алгоритми керування в реальному масштабі часу, використовуючи цифровий сигнальний процесор.

Розглянуто можливі області застосування системи генерування на основі МПЖ з МП: вітроенергетичні установки, малі гідроелектростанції, маховикові накопичувачі електроенергії та інші системи, що працюють на промислову мережу при змінній швидкості обертання вала генератора.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі отримала подальший розвиток теорія керування машиною подвійного живлення і на цій основі розроблено алгоритм векторного керування системами генерування електроенергії на основі машини подвійного живлення з матричним перетворювачем в колі ротора та отримано нові теоретичні і практичні результати, що є істотними для побудови систем генерування електроенергії на основі МПЖ з МП. При цьому отримано наступні основні результати:

1. На підставі порівняльного аналізу генераторних комплексів у складі альтернативних систем генерування електричної енергії обґрунтовані необхідність розробки для цих цілей машини подвійного живлення й актуальність створення нових, більш ефективних векторних алгоритмів керування МПЖ.

2. Розроблено алгоритм керування моментом і реактивною потужністю МПЖ, який гарантує відпрацьовування заданих траєкторій зміни моменту при стабілізації коефіцієнта потужності статорної ланки в системі координат, орієнтованої за вектором напруги мережі, що дозволяє вимірювати тільки струми ротора і істотно пом'якшує вимоги до точності вимірювання кутового положення ротора.

3. Досліджено електромагнітні процеси в системі генерування електроенергії на основі МПЖ з векторним алгоритмом відпрацювання заданого момента при одночасній стабілізації коефіцієнта потужності системи, що дозволило визначити вимоги до перетворювачів частоти як до джерела живлення в роторній ланці МПЖ.

4. Проведено аналіз електромагнітних процесів в МП з ОМ, що дозволило виявити його недоліки як джерела живлення в роторній ланці МПЖ і рекомендувати для цієї мети МП з ВШІМ. Показано, що МП з ВШІМ відповідає усім вимогам, які висуваються до ПЧ при використанні їх для живлення ротора МПЖ.

5. Розроблено програмне забезпечення на основі цифрового сигнального процесора, що дозволяє реалізувати алгоритми керування МПЖ і МП в реальному масштабі часу.

6. Підтверджена (за допомогою математичного моделювання й експериментальних досліджень) ефективність розробленого алгоритму керування МПЖ з МП, що гарантує точне відпрацювання заданого моменту при одночасному забезпеченні коефіцієнта потужності статорної ланки на рівні одиниці. При цьому досягаються близькі до синусоїдальної форми кривих струмів статора МПЖ і на вході МП.

7. Результати виконаних у дисертації розробок і досліджень алгоритмів керування МПЖ і МП покладені в основу виконання контракту №1390 "Нові напівпровідникові перетворювачі для автономних систем живлення стаціонарних і рухомих об'єктів" між Інститутом електродинаміки НАНУ і Українським науково-технологічним центром у період 1999-2002 р.р., а також знайшли застосування при виконанні науково-дослідних робіт з тематики НАН України.

8. Подальше використання результатів роботи рекомендовано для промислового застосування в системах генерування змінного струму із змінною швидкістю обертання вала первинного рушія, які працюють паралельно з енергосистемою.

9. Обґрунтованість та вірогідність наукових досліджень, висновків та рекомендацій підтверджена узгодженням результатів теоретичних досліджень з експериментальними даними.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Шаповал И.А. Исследование машины двойного питания с матричным преобразователем в роторной цепи // Техн. електродинаміка. Силова електроніка та енергоефективність. - Темат. вип. - 2001. - Т.2. - C.39-44.

2. Мисак Т.В., Полищук С.И., Чехет Э.М., Шаповал И.А. Алгоритмы управления матричными преобразователями для электропривода // Техн. електродинаміка. Системи керування та контролю напівпровідникових перетворювачів. - Темат. вип. - 1999. - С.97-100.

3. Пересада С.М., Ковбаса С.Н., Чехет Э.М., Шаповал И.А. Векторное управление генератором на основе машины двойного питания // Вестник ХГПУ. Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. - Харьков: ХГПУ. - 1999. - Вып. 61. - С.49-54.

4. Пересада С.М., Чехет Э.М., Шаповал И.А. Асимптотическое управление моментом машины двойного питания при единичном коэффициенте мощности статорной цепи // Вестник ХГПУ. Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. - Харьков: ХГПУ. - 1998. - С.81-86.

5. Пересада С.М., Шаповал И.А. Управление моментом и реактивной мощностью асинхронной машины двойного питания на основе косвенной ориентации по вектору потокосцепления статора // Техн. електродинаміка. - 2002. - № 6. - С.13-19.

6. Пересада С.М., Шаповал И.А., Король С.В. Экспериментальное тестирование алгоритмов управления машиной двойного питания // Техн. електродинаміка. - 2003. - № 2. - С.29-35.

7. Чехет Э.М., Пересада С.М., Соболев В.Н., Бекбудов Р.С., Шаповал И.А. Анализ режимов работы машины двойного питания с матричным преобразователем // Техн. електродинаміка. Проблеми сучасної електротехніки. - Темат. вип. - 2000. - Ч.2. - C.32-37.

8. Чехет Э.М., Соболев В.Н., Михальский В.М., Мисак Т.В., Шаповал И.А. Синтез алгоритмов векторной широтно-импульсной модуляции в матричных преобразователях частоты // Техн. електродинаміка. Проблеми сучасної електротехніки. - Темат. вип. - 2000. - Ч.2. - C.50-55.

9. Chekhet E., Sobolev V., Peresada S., Shapoval I. Experimental Evaluation of the High Performance Vector Controlled Doubly-Fed Induction Machine with Matrix Converter // Technical electrodynamics. Problems of modern electrical engineering. - Special issue. - 2002. - Vol. 4. - P.21-26.

10. Chekhet E., Mikhalsky V., Sobolev V., Shapoval I. Control technique for matrix converter // Proceedings of the 5th Conference on Unconventional Electromechanical and Electrical Systems. - Szczecin (Poland). - 2001. - Vol. 2. - P.583-588.

11. Chekhet E., Sobolev V., Shapoval I. The steady state analysis of the doubly-fed induction motor (DFIM) with matrix converter // Proceedings of 9th International Conference EPE-PEMC2000. - Kosice (Slovak Republic). - 2000. - Vol.5. - P.5-6-5-11.

АНОТАЦІЇ

Шаповал І.А. Система генерування електричної енергії на основі машини подвійного живлення з матричним перетворювачем. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - електротехнічні комплекси та системи. - Інститут електродинаміки НАН України, Київ, 2003.

Дисертація присвячена подальшому розвитку теорії керування машиною подвійного живлення і розробці на цій основі ефективних алгоритмів векторного керування систем генерування електроенергії на основі машини подвійного живлення з матричним перетворювачем. Розроблено новий алгоритм векторного керування моментом і потоком машини подвійного живлення, що гарантує відпрацьовування заданих траєкторій зміни моменту при стабілізації коефіцієнта потужності статорної ланки на рівні одиниці.

Розроблено математичну модель матричного перетворювача з векторною широтно-імпульсною модуляцією, яка заснована на встановленні взаємозв'язку інформаційного і силового входів з силовим виходом для однозначного визначення стану матричного перетворювача та представленні заданого просторового вектора вихідної напруги комбінаціями увімкнених ключів на кожному інтервалі сталості структури матричного перетворювача.

Розроблено програмне забезпечення на основі цифрового сигнального процесора, що дозволяє реалізувати алгоритми керування машиною подвійного живлення і матричним перетворювачем у реальному масштабі часу.

Ключові слова: система генерування електроенергії, машина подвійного живлення, матричний перетворювач, векторне керування.



Шаповал И.А. Система генерирования электрической энергии на основе машины двойного питания с матричным преобразователем. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы. - Институт электродинамики НАН Украины, Киев, 2003.

Диссертация посвящена дальнейшему развитию теории управления машиной двойного питания и разработке на этой основе эффективных алгоритмов векторного управления систем генерирования электроэнергии на основе машины двойного питания с матричным преобразователем.

На основании сравнительного анализа генераторных комплексов в составе альтернативных систем генерирования электрической энергии обоснована необходимость разработки для этих целей машины двойного питания и актуальность создания новых, более эффективных по сравнению с существующими, векторных алгоритмов управления машиной двойного питания.

Разработан алгоритм векторного управления моментом и потоком машины двойного питания, который гарантирует отработку заданных траекторий изменения момента при стабилизации коэффициента мощности статорной цепи на уровне единицы. Предложенный алгоритм управления машиной двойного питания основан на косвенной ориентации по вектору потокосцепления статора в системе координат, ориентированной по вектору напряжения сети, которая не зависит от параметров электрической машины, благодаря чему необходимо измерять только токи ротора, а требования к точности измерения углового положения ротора существенно смягчаются.

Исследованы путем моделирования электромагнитные процессы в системе генерирования электроэнергии на основе машины двойного питания с векторным алгоритмом отработки заданного момента, что позволило определить требования к преобразователям частоты как к источнику питания в роторной цепи машины двойного питания, в частности: обеспечение двухстороннего потока энергии, обеспечение на входе преобразователя коэффициента мощности, близкого к единице, обеспечение точной отработки заданного постоянного напряжения.

Анализ гармонического состава входного тока в матричном преобразователе с алгоритмом однократной модуляции выявил наличие в нем субгармонических в т.ч. постоянных составляющих. Разработан эффективный метод их устранения.

Аналитическое исследование и математическое моделирование матричного преобразователя с алгоритмом однократной модуляции в составе машины двойного питания подтвердил возможность применения данного типа матричных преобразователей для построения машины двойного питания с точки зрения обеспечения удовлетворительного качества входных и выходных токов преобразователя и простоты системы управления. Вместе с тем, выполнение требования о регулируемом, в том числе единичном, входном коэффициенте мощности вызывает существенное усложнение системы управления, которое лишает матричный преобразователь с алгоритмом однократной модуляции одного из основных достоинств в данном применении - простоты алгоритма управления. Поэтому рекомендован как более предпочтительный для этой цели матричный преобразователь с векторной широтно-импульсной модуляцией. Показано, что матричный преобразователь с векторной широтно-импульсной модуляцией отвечает всем требованиям, предъявляемым к преобразователям частоты, которые используются для питания ротора машины двойного питания.

Подтверждена (с помощью математического моделирования и экспериментальных исследований) эффективность разработанного алгоритма управления машины двойного питания с матричным преобразователем. Результаты, полученные экспериментальным путем, подтверждают правильность разработанных математических моделей машины двойного питания и матричного преобразователя, что позволяет рекомендовать эти модели для проектирования электрогенерирующих систем на основе машины двойного питания с матричным преобразователем.

Разработано программное обеспечение на основе цифрового сигнального процессора, которое позволяет реализовать алгоритмы управления машины двойного питания и матричного преобразователя в реальном масштабе времени.

Результаты выполненных в диссертации разработок и исследований алгоритмов управления машины двойного питания и матричного преобразователя послужили основой для выполнения контракта между Институтом электродинамики НАНУ и Украинским научно-технологическим центром (1999-2002 г.г.), а также нашли применение при выполнении научно-исследовательских работ по тематике НАН Украины.

Обоснованность и достоверность приведенных в работе положений и рекомендаций подтверждается согласованием теоретических результатов с экспериментальными данными.

Ключевые слова: система генерирования электроэнергии, машина двойного питания, матричный преобразователь, векторное управление.

Shapoval I.A. Electrical Energy Generation System on the basis of a Doubly-Fed Induction Machine with the Matrix Converter. - Manuscript. Thesis for a candidate degree of technical sciences of speciality 05.09.03 - Electrotechnical complexes and systems. - Institute of Electrodynamics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2003.

The thesis is dedicated to further development of control theory of doubly-fed induction machine and elaboration of effective vector control algorithms of electrical energy generation systems based on doubly-fed induction machine with matrix converter.

The new torque-flux vector control algorithm of the doubly-fed induction machine, guaranteeing torque tracking under unity stator_side power factor stabilization has been designed.

The mathematical model of the matrix converter with vector pulse width modulation control algorithm has been developed. This model is based on establishment of interrelation of informative and power inputs with power output for unambiguous definition of matrix converter condition and representation of the reference output voltage space vector by combinations of working switches on each interval of a constancy of the matrix converter structure,

Software which allows to implement real time control algorithms of the doubly-fed induction machine and the matrix converter, using digital signal processor, has been designed.

Key words: electrical energy generation system, doubly-fed induction machine, matrix converter, vector control.

Размещено на Allbest.ru