Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время силовые преобразовательные комплексы (ПК) находят новые области и формы применения в связи с развитием автономных и нетрадиционных систем генерирования, передачи и потребления электроэнергии. Одной из особенностей таких ПК является блочно-модульный принцип их построения. Находят применение комплексы, содержащие несколько выпрямительных и инверторных модулей, оказывающих взаимное влияние друг на друга и работающих на различные нагрузки. Интенсивное развитие элементной базы преобразовательной техники и систем управления открывает перспективы в направлении повышения эффективности модульных ПК как в направлении качества переходных процессов в условиях нестабильности напряжения питающей сети и изменения нагрузки в широких пределах, так и при управлении их структурой. Решение этой задачи является основой для оптимального взаимодействия питающей сети и нагрузки. Этому способствуют новые схемотехнические решения и разработка специальных алгоритмов обработки информации, основанных на методах искусственного интеллекта (искусственные нейронные сети, нечеткие системы вывода и др.).
Особый интерес представляет динамика комплексов модульной структуры, поскольку сложность их структуры вызывает и сложный характер переходных процессов в них.
Вопросам исследования динамики устройств силовой электроники посвящено большое число работ. Особенно большой вклад в этом направлении внесли отечественные и зарубежные учёные: Г.А. Белов, Г.С. Зиновьев, П.Ф. Мерабишвили, А.Д. Поздеев, В.П. Шипилло, В.Т. Долбня, И.И. Кантер, А.Ф. Резчиков, И.И. Артюхов, В.А. Чванов, А.Г. Придатков и др. Однако анализ существующих разработок по вопросам динамики преобразователей показывает, что существующих методов исследования недостаточно для анализа и синтеза комплексов, имеющих сложную модульную структуру. Поэтому тема настоящей диссертации, посвященной развитию методик исследования динамики модульных ПК, является актуальной.
Объектом исследования являются преобразовательные комплексы, имеющие сложную модульную структуру, работающие в условиях нестабильности напряжения питающей сети и изменения нагрузки в широких пределах.
Предметом исследования являются динамические режимы модульных ПК, работающих в условиях нестабильности напряжения питающей сети и изменения нагрузки в широких пределах, а также способы управления их структурой.
Цель работы
Повышение эффективности преобразовательных комплексов модульной структуры в условиях нестабильности питающей сети и нагрузки.
Под эффективностью модульных ПК в динамических режимах в настоящей работе понимается высокое качество стабилизации выходного напряжения в преобразователях на основе инверторов напряжения и снижение потерь энергии в цепях компенсации реактивной мощности в преобразователях на основе инверторов тока.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Разработка методики построения непрерывных динамических моделей инверторов напряжения и тока, работающих в составе ПК для питания нагрузок на нескольких частотах с общим звеном постоянного тока.
-
Разработка методики построения передаточных функций инверторов тока и напряжения как непрерывных элементов систем управления многочастотного преобразовательного комплекса с общим звеном постоянного тока (МПК).
-
Исследование динамических характеристик МПК с адаптивной системой стабилизацией выходных напряжений.
-
Разработка и исследование способов управления структурой батареи коммутирующих конденсаторов МПК на основе инверторов тока.
Методы исследования включают аналитические и численные методы анализа и синтеза импульсных систем с конечным временем съёма данных, аппарат функций от матриц, методы современной теории управления и устройств силовой электроники, методы нечеткой математики и нейронных сетей, а также современный аппарат компьютерного моделирования.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
-
Разработана методика построения непрерывных динамических моделей инверторных модулей в форме Коши, позволяющих решать задачи анализа динамики и синтеза систем управления преобразовательными комплексами, содержащими инверторные модули, работающие на различных частотах. Методика позволяет переносить модульную структуру ПК на модульную структуру модели, что упрощает процедуру перестройки модели при изменении модульного состава ПК.
-
Разработана методика получения передаточных функций инверторных модулей, позволяющих исследовать динамику комплексов классическими аналитическими методами.
-
Проведены исследования двухчастотного преобразовательного комплекса с адаптивной системой стабилизации выходных напряжений, позволившие установить закономерности взаимовлияния инверторных модулей, питающих нагрузки на разных частотах.
-
Предложен и обоснован способ управления структурой батареи коммутирующих конденсаторов МПК на основе инверторов тока, обеспечивающий снижение потерь в цепях компенсации реактивной мощности.
Практическую ценность и полезность работы представляют: способы управления структурой многомодульных преобразовательных комплексов, обеспечивающие адаптацию режимов работы комплексов к изменяющимся условиям эксплуатации; методика формирования правил вывода нечеткого регулятора, осуществляющего адаптацию системы управления модульного комплекса к изменениям параметров нагрузок; пользовательские программы расчета передаточных функций инверторных модулей, позволяющих применять при анализе и синтезе систем управления ПК классические методы теории автоматического регулирования.
Научные положения и результаты, содержащиеся в работе и выносимые на защиту:
1. При анализе и синтезе ПК для питания нагрузок на нескольких частотах необходим переход к непрерывным динамическим моделям инверторных модулей от дискретных ввиду трудностей согласования частот квантования информации.
2. Предложенная методика построения непрерывных динамических моделей инверторных модулей в форме Коши позволяет получить передаточные функции инверторных модулей, что дает возможность исследовать динамику ПК классическими аналитическими методами;
-
Применение адаптивного регулятора в системе стабилизации выходных напряжений ПК с несколькими частотами выходных напряжений, работающего в условиях нестабильности напряжения питающей сети и изменения нагрузок в широких пределах, позволяет существенно улучшить качество стабилизации и устранить взаимовлияние выходных сетей.
-
Предложенный способ управления структурой батареи коммутирующих конденсаторов МПК на основе инверторов тока обеспечивает снижение потерь в цепях компенсации реактивной мощности и способствует повышению совместимости ПК с питающей сетью за счет использования высвобождающейся части конденсаторной батареи во входном фильтро-компенсирующем устройстве.
Реализация результатов работы.
Основные результаты диссертационной работы внедрены:
в ЗАО «Промышленная электроника» (г. Саратов) при синтезе систем управления преобразователей частоты для технологических целей;
учебном процессе кафедры «Системотехника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. при чтении курса лекций «Методы оптимизации»;
учебном процессе кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. при чтении курса лекций «Моделирование электротехнических комплексов».
Апробация работы. Основные положения и результаты исследования докладывались и обсуждались на XXI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2008), XXIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2010), XXIV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Пенза, Киев, 2011), Конференции молодых учёных СГТУ (Саратов, 2011), XXV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2012)
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 15 печатных работах, в том числе 4 статьи в журнале, рекомендованном ВАК РФ. Кроме того, получен патент на полезную модель.
Объём и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 111 наименований. Объем работы составляет 136 страниц, в тексте 41 иллюстрация.
