Разработка и исследование усовершенствованных алгоритмов ШИМ активных выпрямителей с целью улучшения качества электроэнергии во внутризаводских электрических сетях 6–35 кВ
А.А. Николаев, М.В. Буланов, А.С. Маклаков, И.Г. Гилемов
Вестник ИГЭУ, 2023 г. выпуск 6, сс. 69—81
Скачать PDF
Состояние вопроса. В настоящее время для мощных регулируемых электроприводов переменного тока с частыми динамическими режимами стандартным решением стало применение преобразователей частоты с активными выпрямителями. К достоинствам данных преобразователей относят возможность рекуперации энергии торможения в питающую сеть, а также, как заявлено производителями преобразовательной техники, лучшую электромагнитную совместимость с питающей сетью. Данное утверждение верно лишь отчасти, поскольку производителями преобразователей частоты с активными выпрямителями не учитываются возможные резонансные явления во внутризаводской распределительной сети 6–35 кВ, вызванные взаимодействием реактивных элементов системы электроснабжения. При наложении на резонансную область значимых гармоник тока преобразователей частоты с активными выпрямителями могут возникать опасные искажения напряжения 6–35 кВ. Традиционные способы обеспечения электромагнитной совместимости преобразователей частоты с активными выпрямителями в этом случае могут не иметь должного эффекта. В связи с этим актуальным является разработка альтернативных технических решений, позволяющих обеспечить приемлемый уровень электромагнитной совместимости преобразователей частоты с активными выпрямителями. Одним из таких решений является применение в преобразователях частоты с активными выпрямителями усовершенствованных алгоритмов ШИМ, адаптирующихся к резонансным явлениям во внутризаводской сети 6–35 кВ.
Методы и материалы. Материалами для исследования послужили осциллограммы токов и напряжений на входе преобразователей частоты с активными выпрямителями, полученные экспериментально и с помощью математического моделирования. Экспериментальные данные получены на действующем оборудовании с преобразователями частоты с активными выпрямителями и на специальной лабораторной установке. При разработке усовершенствованных алгоритмов ШИМ активных выпрямителей использован известный математический аппарат, описывающий зависимость отдельных гармоник от числа переключений и углов коммутации.
Результаты. Получены результаты, показывающие эффективность усовершенствованных алгоритмов ШИМ в плане снижения влияния преобразователей частоты с активными выпрямителями на питающую сеть и улучшения качества электроэнергии во внутризаводских сетях 6–35 кВ. Результаты исследования внедрены на ряде металлургических предприятий, благодаря чему удалось добиться снижения искажений напряжения 6–35 кВ и повысить устойчивость работы чувствительных электроприемников.
Выводы. Разработанные усовершенствованные алгоритмы ШИМ преобразователей частоты с активными выпрямителями позволяют значительно улучшить качество электроэнергии во внутризаводских электрических сетях 6–35 кВ без дополнительных капитальных затрат и установки дополнительного оборудования. На основании полученных результатов рекомендовано использование разработанных алгоритмов ШИМ на действующем оборудовании с преобразователями частоты с активными выпрямителями промышленных предприятий.
1. Возможности компенсации реактивной мощности в сети посредством высокомощного рекуперативного электропривода переменного тока / А.С. Маклаков, А.А. Николаев, С.А. Линьков, Т.А. Лисовская // Электротехнические и информационные комплексы и системы. – 2022. – Т. 18, № 3-4. – С. 65–74.
2. Network-Friendly Low-Switching-Frequency Multipulse High-Power Three-Level PWM Rectifier / J.A. Pontt, J.R. Rodríguez, A. Liendo, et al. // IEEE Transactions on Industrial Electronics. – 2009. – Vol. 56, No. 4. – Р. 1254–1262.
3. Николаев А.А., Храмшин Т.Р., Афанасьев М.Ю. Исследование резонансных явлений в распределительных электрических сетях среднего напряжения систем внутризаводского электроснабжения промышленных предприятий // Машиностроение: сетевой электронный научный журнал. – 2017. – Т. 5, № 4. – С. 51–62.
4. Resonances in a High-Power Active-Front-End Rectifier System / J. Pontt, G. Alzamora, R. Huerta, N. Becker // IEEE Trans. Ind. Electron. – 2005. – Р. 482–488.
5. Повышение качества электроэнергии в системах электроснабжения прокатных станов с использованием преобразователей частоты с активными выпрямителями за счет применения специализированных пассивных фильтров / А.А. Николаев, М.Ю. Афанасьев, И.Г. Гилемов, М.В. Буланов // Вестник ИГЭУ. – 2023. – Вып. 1. – С. 41–52.
6. Обеспечение электромагнитной совместимости мощных электроприводов четырехклетьевого стана ППП ХП ЧерМК ПАО «Северсталь» с питающей сетью 10 кВ / А.А. Николаев, И.Г. Гилемов, М.В. Буланов и др. // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования. – 2021. – Т. 12, № 1. – С. 65–74.
7. Николаев A.A., Гилемов И.Г., Буланов M.В. Оценка влияния режимов работы электроприводов прокатного стана с ПЧ-АВ на качество напряжения питающей сети 10 кВ // Вестник ИГЭУ. – 2021. – Вып. 5. – С. 41–50.
8. Nikolaev A.A., Gilemov I.G. The Dynamic Operation Investigation of an Active Rectifier Control System with IGCT-Thyristor Switching Angle Table Selection Function // Proceedings – 2022 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM 2022). – Sochi, 2022. – Р. 492–497.
9. Current Electromagnetic Compatibility Problems of High-Power Industrial Electric Drives with Active Front-End Rectifiers Connected to a 6–35 kV Power Grid: A Comprehensive Overview / A.A. Nikolaev, A.S. Maklakov, M.V. Bulanov, et al. // Energies. – 2023. – Vol. 16, No. 1. – P. 293.
10. Разработка усовершенствованного алгоритма ШИМ активного выпрямителя с адаптацией к резонансным явлениям во внутризаводской сети / А.А. Николаев, М.В. Буланов, М.Ю. Афанасьев, А.С. Денисевич // Вестник ИГЭУ. – 2018. – Вып. 6 – С. 47–56.
11. O'Brien K., Teichmann R., Bernet S. Active rectifier for medium voltage drive systems // Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2001. APEC 2001. Sixteenth Annual IEEE. – 2001. – Р. 557–562.
12. Celanovic N., Boroyevich D. A fast space-vector modulation algorithm for multilevel three-phase converters // IEEE Trans. Ind. Appl. – 2001. – Р. 637–641.
13. Храмшин Т.Р., Крубцов Д.С., Корнилов Г.П. Математическая модель силовой схемы главных электроприводов прокатных станов // Электротехника: сетевой электронный научный журнал. – 2014. – Т. 1, № 1. – С. 3–7.
14. Храмшин Т.Р., Храмшин Р.Р., Корнилов Г.П. Расчет электромагнитных процессов в трехфазном трехуровневом инверторе напряжения // Электротехнические системы и комплексы: межвуз. сб. науч. тр. – Магнитогорск: МГТУ, 2010. – Вып. 1. – С. 221.
15. Маклаков А.С., Гасияров В.Р., Белый А.В. Энергосберегающий электропривод на базе двухзвенного преобразователя частоты с активным выпрямителем и автономным инвертором напряжения // Электротехника: сетевой электронный научный журнал. – 2014. – Т. 1, № 1. – С. 23–30.
16. Храмшин Т.Р., Крубцов Д.С., Корнилов Г.П. Математическая модель активного выпрямителя в несимметричных режимах работы // Электротехника: сетевой электронный научный журнал. – 2014. – Т. 1, № 2. – С. 3–9.
17. Endrejat F., Pillay P. Resonance Overvoltages in Medium Voltage Multilevel Drive System // IEEE International Electric Machines & Drives Conference. – 2007. – C. 736–741.
18. Alawasa K.M., Moamed R.I., Xu W. Active Mitigation of Subsynchronous Interactions Between PWM Voltage-Source Converters and Power Networks // IEEE Transactions on Power Electronics. – 2014. – Р. 121–134.
19. Николаев А.А., Денисевич А.С., Буланов М.В. Исследование параллельной работы автоматизированных электроприводов прокатного стана и дуговой сталеплавильной печи // Вестник ИГЭУ. – 2017. – Вып. 3. – С. 59–69.
20. Экспериментальные исследования электромагнитной совместимости современных электроприводов в системе электроснабжения промышленных предприятий / А.А. Николаев, Г.П. Корнилов, Т.Р. Храмшин и др. // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. – 2016. – Т. 14, № 4 – С. 96–103.
21. Blooming T.M., Carnovale D.J. Application of IEEE STD 519-1992 Harmonic Limits // Conference Record of 2006 Annual Pulp and Paper Industry Technical Conference. – 2006. – Р. 1–9.
22. Moeini A., Zhao H., Wang S. A current reference based selective harmonic current mitigation PWM technique to improve the performance of cascaded H-bridge multilevel active rectifiers // IEEE Trans. Ind. Electronics. – 2018. – Vol. 65. – Р. 727–737.
23. A hybrid PWM strategy for three-level inverter with unbalanced DC links / X. Wu, G. Tan, G. Yao, et al. // IEEE J. Emerg. Sel. Top. Power Electron. – 2018. – Vol. 6. – P. 1–15.
24. Steczek M., Chudzik P., Szelag A. Combination of SHE- and SHM-PWM techniques for VSI DC-link current harmonics control in railway applications // IEEE Trans. Ind. Electron. – 2017. – Vol. 64. – P. 7666–7678.
25. Optimal selective harmonic control for power harmonics mitigation / K. Zhou, Y. Yang, F. Blaabjerg, D. Wang // IEEE Trans. Ind. Electron. – 2015. – Vol. 62. – P. 1220–1230.
26. Selective harmonic mitigation based self-elimination of triplen harmonics for single-phase five-level inverters / M. Sharifzadeh, H. Vahedi, R. Portillo, et al. // IEEE Trans. Power Electron. – 2019. – Vol. 34. – P. 86–96.