Наукові основи створення комплексів генерування електроенергії з функціями компенсації реактивної потужності та активної фільтрації на базі машини подвійного живлення.

Abstract

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специ- альности 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы. - Национальный тех- нический университет "Днепровская политехника", Днепр, 2019. В диссертационной работе решается важная научно-прикладная проблема повы- шения качества генерируемой электроэнергии средствами управления машиной двойного питания (МДП). Низкое качество электроэнергии увеличивает энергетические и экономические потери, приводит к эксплуатационным проблемам производства и перегрузки транс- форматоров. В этом плане сочетание рассредоточенного генерирования и функцио- нальных возможностей активной фильтрации является одним из способов повыше- ния качества электроэнергии и снижения прямых и косвенных эксплуатационных расходов энергосистемы. Разработана стратегия компенсации несимметрии и несинусоидальности генерируе- мых токов машины двойного питания в условиях подключения нелинейных нагрузок, которая заключается в компенсации реактивной мощности средствами МДП и активной фильтрации тока с использованием возможностей полупроводникового преобразовате- ля в роторном звене, что позволило обеспечить высокоэффективную работу комплексов генерирования для возобновляемых источников электроэнергии. Разработан новый метод управления полностью управляемой МДП, который за- ключается в использовании избыточности координат управления для эффективной отработки заданного момента при условии одновременного управления по цепям статора и ротора, что позволило обеспечить минимизацию потерь мощности. Разработан новый комбинированный метод компенсации гармонических состав- ляющих генерируемого тока МДП, который состоит в объединении компенсацион- ных воздействий машины двойного питания и полупроводникового преобразователя в роторном звене на повышение качества вырабатываемой электроэнергии и позво- ляет выполнить требования обеспечения электромагнитной совместимости в случае присоединения нелинейных нагрузок в точке общего подключения. С применением p-q-r теории мгновенной мощности и с учетом топологических разли- чий между трехфазными трехпроводными и четырехпроводными системами разработана стратегия расчета компенсационных токов сетевого преобразователя в цепи ротора МДП. Развит метод выборочной компенсации гармонических составляющих генерируемого тока МДП, который заключается в применении наблюдателя гармоник тока, который обеспечивает асимптотическую оценку любого заданного количества гармоник и позволя- ет осуществить компенсацию доминирующих гармонических составляющих. Разработано программное обеспечение, позволяющее осуществить практическую реали- зацию методов управления машиной двойного питания на базе цифрового сигнального про- цессора. Разработаны и проведена экспериментальная проверка работы матричных преобра- зователей в звене ротора машины двойного питания с применением для управления ими со- четания цифровых сигнальных процессоров и программируемых логических матриц. Предложены структуры моделей для физического моделирования комплекса генериро- вания на основе машины двойного питания. Разработанный алгоритм управления полу- проводниковым преобразователем в звене ротора МДП с функциями параллельной актив- ной фильтрации нашел практическое применение при создании опытного образца МДП.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальніс- тю 05.09.03 – електротехнічні комплекси та системи. – Національний технічний уні- верситет "Дніпровська політехніка", Дніпро, 2019. У дисертаційній роботі вирішується важлива науково-прикладна проблема під- вищення якості генерованої електроенергії засобами керування машиною подвійного живлення (МПЖ). Низька якість електроенергії збільшує енергетичні та економічні втрати, призво- дить до експлуатаційних проблем виробництва і перенавантаження трансформаторів. У цьому плані поєднання розосередженого генерування та функціональних можливо- стей активної фільтрації є одним із способів підвищення якості електроенергії та зниження прямих і непрямих експлуатаційних витрат енергосистеми. Розроблено стратегію компенсації несиметрії і несинусоїдальності генерованих струмів машини подвійного живлення в умовах підключення нелінійних наванта- жень, яка полягає в компенсації реактивної потужності засобами МПЖ та активній фільтрації струму з використанням можливостей напівпровідникового перетворюва- ча в роторній ланці, що дало змогу забезпечити високоефективну роботу комплексів генерування для поновлюваних джерел електроенергії. Розроблено новий метод керування повністю керованою машиною подвійного живлення, який полягає у використанні надлишковості координат керування для ефективного відпрацювання заданого моменту за умови одночасного керування по колах статора і ротора, що дало змогу забезпечити мінімізацію втрат потужності. Розроблено новий комбінований метод компенсації гармонічних складових гене- рованого струму машини подвійного живлення, який полягає в об’єднанні компенса- ційних впливів машини подвійного живлення і напівпровідникового перетворювача в роторній ланці на підвищення якості генерованої електроенергії та дає змогу викона- ти вимоги забезпечення електромагнітної сумісності у разі приєднання нелінійних навантажень до точки загального підключення. Із застосуванням p-q-r теорії миттєвої потужності та з врахуванням топологічних відмінностей між трифазними трипровідними і чотирипровідними системами розро- блено стратегію розрахунку компенсаційних струмів мережевого перетворювача в колі ротора МПЖ. Розвинуто метод вибіркової компенсації гармонічних складових генерованого струму МПЖ, який полягає у застосуванні спостерігача гармонік струму, що забез- печує асимптотичне оцінювання будь-якої заданої кількості гармонік і дозволяє здій- снити компенсацію домінуючих гармонічних складових. Розроблено програмне забезпечення, що дозволяє здійснити практичну реалізацію методів керування машиною подвійного живлення на базі цифрового сигнального процесора. Розроблено і проведено експериментальну перевірку матричних перетво- рювачів в ланці ротора машини подвійного живлення із застосуванням для керування ними поєднання цифрових сигнальних процесорів і програмованих логічних матриць. Запропоновано структури моделей для фізичного моделювання комплексу генеру- вання на основі машини подвійного живлення. Розроблений алгоритм керування напів- провідниковим перетворювачем в ланці ротора МПЖ з функціями паралельної активної фільтрації знайшов практичне застосування при створенні дослідного зразка МПЖ.

Thesis for a Doctor of Sciences degree of electrical engineering of speciality 05.09.03 - electrotechnical complexes and systems. – National technical university “Dnipro polytech- nic”, Dnipro, 2019. The important scientific and applied problem of improving the quality of generated electrical energy by means of doubly-fed induction generator (DFIG) control is solved in the dissertation. Low power quality increases energy and economic losses leads to operational problems of production and even overload of transformers. In this regard, the combination of distrib- uted power generation and active filtering capabilities is one of the ways to improve the quality of electrical energy and reduce the direct and indirect operating costs of the grid. Modern technologies allow to control electrical energy generation systems at maximum power for most of the time, while using part of the energy for additional functions that help improve the quality of electrical energy. There are many technological alternatives to carry out electromechanical transformation in power generation systems. Different configurations are obtained by combining induction or synchronous machines with full power or partial power converters. Electric power generation complexes based on doubly-fed induction ma- chine allow to achieve high efficiency of electromechanical energy conversion. Such com- plexes are characterized by the fact that the control objectives are achieved with variation of angular velocity in a limited range ( 30% of synchronous speed). A strategy for compensation of unbalanced and non-sinusoidal generated currents of DFIG in the conditions of connecting nonlinear loads. It consists in compensation of reac- tive power by means of DFIG and active current filtration using the capabilities of a semi- conductor grid side converter. It is enabled to provide highly efficient operation of genera- tion complexes for renewable sources of electric energy. The control method of a power generation complex based on DFIG is developed, which con- sists in the application of a united dc-link of converters in a stator and a rotor. It allows to provide adaptability to distortions of the network and to improve the quality of generated electric energy. A new method of control of a fully controlled DFIG is developed, which is to use the redundancy of the control coordinates for the effective processing of the reference torque provided that the stator and rotor circuits can be controlled simultaneously, which made it possible to minimize the loss of power. The general basis of the considered options for improving the quality of the input cur- rents of the matrix converter, which used as the rotor side converter of the DFIG, is the choice of the direction of the space current vector in relation to the space vector of the input voltage by one or another of the criteria that are related to the harmonic content of the voltage and the coefficient asymmetry in the presence of a negative sequence of the basic harmonic. Since all components of the input voltage and their relationship between them are functions of time, the phase shift between the space voltage and current vectors is also not constant, but changes over a period by one or another rule or algorithm. It is shown, by what signs the connection between modulation of the direction of the space vector of the input current and the direct assignment and realization of its reactive component is established. Using the p-q-r instantaneous power theory and considering the topological differences be- tween three-phase three- and four-wire systems, a strategy for calculating the compensating cur- rents of the DFIG grid side converter is developed. The calculation of compensating currents of the grid side converter should be in accordance with the capabilities of its power circuit, but it is expedient to apply topologies that filter all unwanted components of instantaneous power. The method of selective compensation of the harmonic components of the DFIG gener- ated currents is developed, which consists in the application of the current harmonic ob- server, which provides asymptotic estimation of any given number of harmonics and allows to compensate for the dominant harmonic components. The control strategy of grid side converter with functions of active filtration in a four-wire three-phase network, in which the vector of instantaneous currents of a three-phase source is proportional to the vector of instantaneous phase voltages with partial attenuation of the com- ponent of the zero-sequence, is proposed. With the optimum value of the reduction factor of the zero-sequence component and of the significant phase voltage asymmetry, this strategy gives advantages in terms of power loss in the power cable up to 2 times compared with the control strategy with full preservation of the component of the zero-sequence, and up to 8% in comparison with the control strategy at complete removal zero-sequence component. The properties of structural elements of electric power generation complexes based on DFIG are determined and recommendations on setting their parameters are developed. Software has been developed that allows the practical realization of DFIG control methods based on a digital signal processor. The experimental verification of matrix con- verters in the DFIG rotor with the use of a combination of digital signal processors and programmable logic matrices is developed and carried out. The model structures for the physical modeling of the generation system based on the DFIG are proposed. The developed algorithm for controlling the DFIG grid side converter with active filtering functions has found practical application in creating a DFIG prototype.