Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Электрические станции, сети и системы

Диссертационная работа:

Козлова Мария Анатольевна. Критерии выбора силовых полупроводниковых приборов и пути обеспечения их работоспособности в мощных преобразователях как элементах энергосистем : дис. ... канд. техн. наук : 05.14.02 СПб., 2006 179 с. РГБ ОД, 61:07-5/746

смотреть содержание
Содержание к работе:

Потребление электроэнергии в промышленно развитых странах с каждым годом неуклонно растет, что приводит к росту проблем, связанных с ее распределением и управлением потоками из одного пункта в другой, обеспечением качества электроснабжения. Это подтверждает ряд повреждений энергосистем США, Канады, Великобритании, Дании, Германии, Италии, а также известные проблемы функционирования ЕЭС России [11,45], решение которых требует создания более совершенных технологий в области передачи энергии.

Решение проблем инвертирования при передаче и распределении энергии в прошлом сдерживалось главным образом отсутствием надежных и компактных силовых полупроводниковых приборов (СПП). Такие СПП появились в конце прошлого века. Однооперационные тиристоры (SCR- silicon controlled rectifier) неспособны к выключению до момента естественной коммутации при их использовании в энергетических преобразователях, что становится причиной гармонических искажений, слабой управляемости и малого коэффициента мощности. Однако, являясь наиболее изученными и мощными СПП, они до сих пор остаются наиболее используемыми прибороми. В то же время хотя, например, фирмой Mitsubishi разработаны приборы на 12 кВ, рынок тиристоров прекратил свой рост, и, несмотря на свой внушительный объем порядка 150 млн. долларов в год, нет серьезных предпосылок к его стремительному развитию.

В настоящее время растет применение полностью управляемых приборов и преобразователей на их основе, а главными направлениями развития и исследований, в первую очередь, являются технические и стоимостные характеристики таких СПП для области передачи и распределения электроэнергии, промышленности и электротяги.

Основная область энергетики, где массово применяются СПП, прежде всего однооперационные тиристоры, - это преобразовательные подстанции передач (ППТ) и вставок (ВПТ) постоянного тока. Суммарная мощность действующих, строящихся и проектируемых в мире ППТ и ВПТ в настоящее время превысила 80 ГВт, а потому имеется значительный мировой опыт по созданию

больших энергетических преобразователей с использованием традиционных тиристоров. Одна из крупнейших ВПТ (Россия - Финляндия) суммарной мощностью 1,4 ГВт принадлежит России, так что и отечественный опыт в этом направлении достаточно велик. Однако, несмотря на успешное в целом функционирование традиционных энергетических преобразователей, существует ряд проблем, которые решаются с их помощью плохо или вовсе не решаются:

• неустойчивая работа на слабую приемную энергосистему;

• необходимость громоздких и дорогостоящих фильтров на сторонах как постоянного, так и переменного тока;

• потребность в устройствах компенсации реактивной мощности параллельного, последовательного и параллельно-последовательного (смешанного) типа;

• проблема передачи электроэнергии на острова, лишенные собственных источников энергии.

Большинство этих проблем могут быть решены с помощью преобразователей на полностью управляемых СПП [17,56,57]. Такие преобразователи, в том числе автономные инверторы и полностью управляемые выпрямители, способны не только потреблять, но и генерировать реактивную мощность, тем самым являясь одновременно и компенсаторами [1,57].С учетом новых возможностей, начиная с 80-х годов, стала разрабатываться концепция гибких (управляемых) систем электропередач переменного тока- Flexible AC Transmission System (FACTS). Сущность этой концепции состоит в том, что большие успехи, достигнутые в области силовой электроники, позволяют внедрять разрабатываемые на ее основе устройства в сети переменного тока с целью повышения их управляемости, стабилизации напряжений, демпфирования низкочастотных колебаний, повышения статической и динамической устойчивости, оптимизации потокораспределения, а в итоге - повышения пропускной способности сети и снижения потерь. Во всех случаях выбор типа и параметров СПП играет решающую роль в создании преобразовательных установок (ПУ), определяет их эффективность, функциональные возможности и стоимость. Этот выбор базируется на комплексном анализе основных воздействий на СПП, таких как величина тока и напряжения, частота коммутации, длительность и форма импульса тока, условия охлаждения и др. При этом оценка теплового режима является одним из основных критериев выбора, и, соответственно, поиск решений для создания простых и эффективных способов охлаждения СПП в ПУ актуален, особенно для ПУ, которые вынуждены работать в специфических условиях, например, на открытых площадках подстанций.

Существует ряд алгоритмов управления СПП, которые могут преследовать различные цели в зависимости от назначения ПУ, в основном - улучшение качества выходного напряжения преобразователя. Для достижения этой цели часто используется управление с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), повышение числа уровней выходного напряжения - многоуровневые пеобразо-ватели, а также комбинация этих приемов - ШИМ-управление в многоуровневых схемах. Чем выше частота ШИМ, тем лучше гармонический состав, однако увеличение частоты переключения СПП влечет за собой рост мощности потерь, поэтому поиск способов управления СПП, оптимизирующих как потери, так и вид выходного напряжения, важен для конструирования ПУ в целом.

Цели и задачи исследований.

Целью диссертационной работы является разработка рекомендаций по выбору полностью управляемых СПП для мощных преобразователей на основе анализа технических характеристик СПП, допустимых тепловых режимов работы СПП и допустимых нагрузок по току и напряжению, а также определение возможных путей обеспечения высокой работоспособности СПП и преобразователей на их основе.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: - проанализировать современное состояние отечественных и зарубежных разработок в области мощных полностью управляемых СПП и преобразователей на их основе и выполнить сравнительный анализ технических характеристик СПП;

- разработать общую методику расчета мощности потерь в СПП мощных преобразователей;

- оценить потери в СПП мостового преобразователя напряжения, управляемого по алгоритму ШИМ;

- определить критерии выбора снабберных цепей для полностью управляемых СПП мощных преобразователей и разработать математическую модель для расчета снабберной RC-цепи полностью управляемого СПП. Оценить влияние параметров снабберной RC-цепи на динамические потери полностыо управляемых СПП;

- оценить требуемые запасы по току и напряжению полностыо управляемых СПП для обеспечения надежной работы мощных преобразователей;

- сформулировать требования к объему исходных данных для создания мощных ПУ и основные критерии выбора полностыо управляемых СПП для этих ПУ. Разработать алгоритм выбора СПП;

- исследовать особенности обеспечения теплового режима мощных ПУ контейнерного типа;

- разработать алгоритмы формирования выходного напряжения, целесообразные с точки зрения снижения потерь в СПП для преобразователей по схеме автономного инвертора напряжения (АИН);

- оценить и сравнить тепловыделения в СПП АИН, выполненного по двухуровневой и трехуровневой схемам при алгоритмах управления, обеспечивающих близкий гармонический состав выходного напряжения АИН обоих типов. Методы исследования.

При проведении сравнительного анализа характеристик СПП, оценочных расчетов и разработки алгоритма выбора СПП применялись аналитические методы и методы интегрального исчисления.

При разработке математической модели расчета снабберной RC-цепи использовался классический метод расчета линейных электрических цепей и программный пакет MatLab 7.0.

Для расчета температурного режима ПУ контейнерного типа использовался метод последовательных приближений и уравнения теории теплообмена.

При разработке алгоритмов формирования выходного напряжения АИН использовались методы численного моделирования для решения трансцендентных уравнений. Исследование АИН совместно с системой его питания осуществлялось на математической модели, реализованной в приложении Simulink программного пакета MatLab 7.0.

Научная новизна.

- разработана обобщенная инженерная методика расчета мощности потерь в полностью управляемых СПП;

- разработана математическая модель расчета снабберной RC-цепи полностью управляемого СПП с учетом паразитных индуктивностей;

- разработаны рекомендации по выбору полностью управляемых СПП для мощных преобразователей;

- предложен и защищен патентом оригинальный принцип охлаждения ПУ контейнерного типа;

- разработаны алгоритмы формирования выходного напряжения однофазного АИН по принципу селективного исключения гармоник, обеспечивающие независимость формы выходного напряжения от характера нагрузки;

- проведена сравнительная оценка тепловыделения в СПП АИН, выполненного по двухуровневой и трехуровневой схемам при алгоритмах управления, обеспечивающих близкий гармонический состав выходного напряжения АИН обоих типов.

Практическая ценность результатов работы.

1. Инженерный подход к определению допустимых режимов работы СПП позволил разработать обобщенную методику расчета мощности потерь полностью управляемых СПП, которая используется при создании ПУ.

2. Получена аналитическая оценка мощности потерь СПП мостового преобразователя напряжения, управляемого по алгоритму ШИМ.

3. Разработанная математическая модель расчета снабберной RC-цепи при индуктивном характере нагрузки преобразователя позволяет при заданных параметрах процесса выключения СПП построить переходный процесс установления напряжения на нем с учетом паразитных индуктивно-стей и оценить эффективность демпфирования.

4. Разработанные рекомендации и алгоритм выбора полностью управляемых СПП используются при создании мощных преобразователей.

5. Предложенный принцип охлаждения ПУ контейнерного типа реализован в управляемых выпрямительных установках для плавки гололеда на проводах ЛЭП, которые успешно эксплуатируются в ОАО «Камчатскэнер-го».

6. Разработанные алгоритмы формирования выходного напряжения однофазного АИН реализованы при создании генератора для геофизических исследований мощностью 500 кВт.

На защиту выносятся:

1. Обоснование перспективности использования полностью управляемых СПП в мощных преобразователях. 

2. Обобщенная методика расчета мощности потерь в полностью управляемых СПП, предложенная на основе инженерного подхода к определению допустимых режимов их работы.

3. Разработанная математическая модель для расчета снабберной RC-цепи полностью управляемых СПП и результаты моделирования.

4. Разработанные рекомендации по выбору полностью управляемых СПП для мощных преобразователей.

5. Оригинальный принцип охлаждения ПУ контейнерного типа и полученные тепловые характеристики такой установки.

6. Разработанные алгоритмы формирования выходного напряжения однофазного АИН и результаты оценки тепловыделений в СПП при реализации этих алгоритмов для двухуровневой и трехуровневой схем.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

- Первой научно-технической конференции молодых специалистов электроэнергетики РАО ЕЭС (г. Москва, 2000 г.);

- VI Международном Симпозиуме «Электротехника 2010» (г. Москва, 2001г.);

- Международной научно-практической конференции «Теоретические и практические проблемы развития электроэнергетики России» (г. Санкт-Петербург, СПбТУ, 2002 г.);

- Второй научно-технической конференции молодых специалистов электроэнергетики РАО ЕЭС (г. Москва, 2003 г.);

- VII Международном Симпозиуме «Электротехника 20] 0» (г. Москва, 2003 г.);

- Международной конференции IEEE Power Tech 2005 (г. Санкт-Петербург, 2005 г.);

- Международной специализированной выставке "Электрические сети России - 2005» (г. Москва, 2005 г.).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ. Получен 1 патент на изобретение «Преобразовательная установка контейнерного типа» RU№2207746 от 27.06.2003.

В первой главе проведен обзор современного состояния разработок мощных полностью управляемых СПП и анализ их максимальных параметров, достигнутых зарубежными и отечественными фирмами-изготовителями. Дан анализ современного состояния российских разработок в области мощных СПП и преобразователей на их основе. Отмечено, что на сегодняшний день для использования в электроэнергетике наиболее перспективны следующие типы управляемых СПП - биполярный транзистор с изолированным затвором IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), запираемый тиристор GTO (Gate Turn-off Thyristor) и запираемый тиристор с жесткой коммутацией и интегрированным драйвером IGCT (Integrated Gate-commutated Thyristor). Рассмотрены особенности конструкции и функционирования этих типов СПП. Сделан сравнительный анализ технических характеристик полностью управляемых СПП транзисторного и тиристорного типа по данным фирм-изготовителей. Проведен анализ мирового опыта применения IGBT, IGCT и GTO в мощных преобразователях для «гибких» передач переменного тока, включая преобразователи для ППТ и ВПТ, преобразователях для электропривода, электрифицированного транспорта и промышленного назначения. Сформулированы основные задачи исследования.

Во второй главе предложена общая методика расчета мощности потерь в СПП для произвольной формы импульса тока, приведены выражения для определения предельной частоты коммутации СПП как функции от коэффициента заполнения импульса при заданных начальных условиях. Рассмотрено влияние диодов обратного тока на динамические характеристики полностью управляемых СПП в преобразователях напряжения. В рамках общей методики расчета мощности потерь в СПП приведены выражения для расчета мощности потерь в СПП преобразователей напряжения, управляемых по алгоритму ШИМ. Построены зависимости потерь проводимости и динамических потерь от факторов нагрузки и частоты коммутации. Проведено теоретическое исследование снаб-берной RC-цепи, разработана математическая модель ее расчета для полностью управляемого СПП при индуктивной нагрузке. Приведены формы напряжения на СПП с RC-цепью, полученные с помощью разработанной программы при варьировании расчетных параметров. Рассмотрено влияние параметров RC ІЗ цепи на динамические потери полностью управляемого СПП. Проведена оценка запасов по коммутируемому току и напряжению полностью управляемых СПП, необходимых для обеспечения надежной работы мощных преобразователей. Сформулированы требования объему исходных данных для создания мощных преобразователей и основные критерии выбора для них полностью управляемых СПП. На основании проведенных аналитических исследований предложен алгоритм выбора СПП.

В третьей главе рассматриваются способы охлаждения мощных преобразователей, их эксплутационные достоинства и недостатки, а также проблемы использования охлаждающих жидкостей для ПУ наружной установки. Предлагается оригинальный принцип охлаждения ПУ контейнерного типа, при котором охлаждение силовых модулей происходит за счет циркуляции охлаждающего воздуха в замкнутом объеме вдоль стенок несущей конструкции. Приводится методика расчета температурного режима ПУ контейнерного типа в которой ПУ рассматривается как тело в форме прямоугольного параллелепипеда с внутренними источниками тепла, расположенное в неограниченной среде. Предложенный способ охлаждения реализован в выпрямительных управляемых установках для плавки гололеда (ВУПГ) на проводах ЛЭП, разработки ОАО «НИИПТ». В главе описано устройство ВУПГ14/1000 и построены ее тепловые характеристики.

В четвертой главе предлагаются алгоритмы управления однофазным АИН, выполненным по классической мостовой двухуровневой схеме и трехуровневой схеме с нулевой точкой и диодной фиксацией. Алгоритмы направлены на минимизацию потерь мощности в СПП и одновременно улучшение гармонического состава выходного напряжения АИН, что достигается применением метода селективного исключения гармоник. Рассматриваются формы сигналов, получаемые на выходе АИН каждой конфигурации с активно-индуктивной скомпенсированной нагрузкой при однократном и трехкратном включении-выключении СПП АИН за период. Показано, что трехуровневая схема позволяет добиться лучшего гармонического состава при том же количестве переключений за период. Разработана математическая модель АИН совместно с системой питания, реализующая генератор низких частот мощностью 500 кВт для геофизических исследований, макет которого собран на испытательном стенде ОАО «НИИПТ». Рассмотрено два варианта преобразователя: с АИН по двухуровневой схеме и с АИН по трехуровневой схеме. Для управления двухуровневым АИН использовался алгоритм трехкратного переключения СПП, а трехуровневым АИН - однократного переключения, что дает близкий гармонический состав выходного напряжения преобразователя. По результатам моделирования рассчитаны мощности потерь в СПП обоих вариантов АИН и проведено их сравнение.  

Подобные работы
Сергеев Антон Владимирович
Модели, критерии и алгоритмы оптимизации управления региональной энергосистемой
Буэз Хаян Абдо
Критерии выбора системы зажигания газового двигателя и разработка элементов ее диагностирования
Титов Сергей Владимирович
Обоснование и выбор критериев оценки параметров угледобывающих комплексов с целью повышения эффективности их применения
Требушников Александр Владимирович
Повышение эффективности выбора технологической оснастки по критерию точности на основе использования автоматизированной системы
Шульдешов Александр Сергеевич
Выбор параметров станин токарных станков по критерию максимальной крутильной жесткости
Гренкевич Ольга Олеговна
Разработка методики выбора оптимального способа формирования многогруппных составов по критерию эксплуатационных расходов на маневровую работу
Басыров Руслан Рамилевич
Выбор конструктивных элементов легкового автомобиля особо малого класса по критерию комфортности воздушной среды в салоне
Нуретдинов Дамир Имамутдинович
Методика выбора типа подвижного состава для автотранспортного предприятия по технико-экономическим критериям
Харитонов Дмитрий Александрович
Разработка методики выбора и рационального использования когенерационных систем в качестве источника электроэнергии на предприятии по технико-экономическим критериям
Первушин Леонид Семенович
Информационное обеспечение и моделирование технологических процессов на водных путях

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net