Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор и постановка задачи.. 5
1.1. Проблема качества электроэнергии в судовых и корабельных электроэнергетических сетях 5
1.2. Аналитический обзор литературы по методам компенсации неактивной мощности 10
1.2.1. Компенсация реактивной мощности 13
1.2.2. Компенсация мощности искажения 19
1.3. Цель и задачи работы 27
Выводы по главе 1 29
Глава 2. Анализ и выбор топологии силовой части и элементной базы компенсаторов неактивной мощности 30
2.1. Сравнительный анализ и выбор топологии схемы силовой части компенсатора 30
2.1.1. Топологии силовой части компенсаторов неактивной мощности 30
2.1.2. Сравнение топологий схем силовой части по эффективности фильтрации высших гармоник 34
2.2. Анализ основных видов ключей и особенностей их применения 45
2.2.1. Основные технические характеристики силовых ключей 45
2.2.2. Полностью управляемые по затвору тиристоры 47
2.2.3 Силовые транзисторы 48
2.3. Инженерная методика расчёта основных элементов схемы КНМ 56
2.3.1 Основные задачи и требования и расчету 56
2.3.2. Инженерная методика расчета силовой части АФ 58
2.3.2. Инженерная методика расчета КРМ типа «СТАТКОМ» 64
Выводы по главе 2 73
Глава 3. Исследование и разработка системы управления компенсатором неактивной мощности 74
3.1. Алгоритм управления 75
3.1.1. Алгоритм управления КРМ 76
3.1.2. Алгоритм управления активным фильтром 89
3.2. Структурные схемы управления 93
3.2.1. Структурная схема цифровой фильтрации КРМ 94
3.2.2. Структурная схема цифровой фильтрации АФ 95
3.3. Аппаратная реализация системы управления компенсатором неактивной мощности 98
3.3.1. Блок-схема микропроцессорной части системы управления компенсатором реактивной мощности 101
3.3.2. Блок-схема микропроцессорной части системы управления активным фильтром 107
Выводы по главе 3 114
Глава 4. Компьютерное моделирование и анализ основных процессов функционирования 115
4.1. Разработка математической модели компенсатора 115
4.2. Моделирование процессов управления реактивной мощностью 119
4.3. Моделирование фильтрации высших гармоник 125
4.4. Работа устройства компенсации неактивной мощности в целом 130
4.5. Экспериментальная цель 142
4.5.1. Аппаратная реализация основных узлов физической модели.. 142
4.5.2. Результаты эксперимента 150
Выводы по главе 4 159
Заключение 160
Приложение 161
Список литературы 164
- Аналитический обзор литературы по методам компенсации неактивной мощности
- Анализ основных видов ключей и особенностей их применения
- Блок-схема микропроцессорной части системы управления активным фильтром
- Работа устройства компенсации неактивной мощности в целом
Введение к работе
Для современных судов и кораблей созданы эффективные системы электродвижения на основе гребных электрических установок (ГЭУ) с винторулевой колонкой (ВРК), в которых двигатель конструктивно объединен с рулевым устройством. Такие ГЭУ называются пропульсивными комплексами. Они обеспечивают высокую маневренность судов и кораблей в различных режимах движения. В целях более эффективного использования элетрооборудования ГЭУ получают электропитание от единой электроэнергетической системы (ЕЭЭС), обеспечивающей электроэнергией другие общесудовые потребители. Управление режимами работы двигателей ГЭУ осуществляется полупроводниковыми преобразователями, существенно ухудшающими качество электроэнергии на общих шинах ЕЭЭС. Основными причинами этого являются уменьшения коэффициента мощности и рост содержания высших гармоник в потребляемом ГЭУ токе. В результате этого значительно снижается надежность работы потребителей, и увеличиваются потери электроэнергии, потребляемой ГЭУ. Поэтому уменьшение указанных негативных последствий является актуальной задачей.
В связи с этим, в настоящее время большое внимание уделяется вопросам, связанным с изучением и разработкой различных способов и средств обеспечения требуемого качества электроэнергии, потребляемой пропульсивного комплекса с ВРК, увеличения коэффициента мощности и фильтрации высших гармоник тока.
Решению данной проблемы посвящен ряд работ отечественных и зарубежных авторов, в которых успешно использованы различные методы для улучшения качества электроэнергии.
Однако разработка новых средств не может исчерпывать проблемы, т.к. при создании этих устройств не учитываются особенности корабельных и судовых электроэнергетических систем. Поэтому актуальность темы обуславливается поиском новых способов и средств для компенсации реактивной мощности и активной фильтрации высших гармоник токов, обеспечивающих высокое требуемое качество электроэнергии.
Аналитический обзор литературы по методам компенсации неактивной мощности
Как было отмечено выше, наличие пропульсивного комплекса с ВРК [8] приводит к нежелательному воздействию на питающую сеть переменного тока, заключающемуся в генерации нелинейными нагрузками гармонических составляющих тока и напряжения, отличающихся от основной гармоники. В результате этого возникают нелинейные искажения кривой напряжения сети или, другими словами, искаженные несинусоидальные режимы. Гармонические составляющие тока и напряжения повышают вероятность возникновения резонансных явлений в КЭЭС и СЭЭС, нарушают работу специальной вычислительной техники, устройств релейной защиты, автоматики, телемеханики и связи, вызывают ускоренное старение изоляции основного электрооборудования, снижая, тем самым, надёжность электроснабжения потребителей автономного объекта.
Основные вопросы, касающиеся этой проблемы, сводятся к следующим: оценке электромагнитной совместимости источников высших гармоник и других нагрузок, т.е. влияния высших гармоник на электроустановки и возникающего при этом экономического ущерба; количественной оценке высших гармоник тока, генерируемых различными нелинейными нагрузками, и прогнозированию значений высших гармоник тока и напряжения в системах электроснабжения; снижению уровней высших гармоник.
Согласно определению, коэффициент мощности может быть представлен формулой: В однофазной сети с линейной или нелинейной нагрузкой мгновенная мощность равна При симметрии полуволн тока мгновенная мощность имеет пульсацию на удвоенной частоте сети. Полная мощность сети действующие значения напряжения и тока сети. Активная мощность равна где Тп - период повторения. В [9] показано, что активную мощность переносит только синфазная напряжению составляющая основной (первой) гармоники тока, называемая активной составляющей тока, поэтому где 1\ — действующее значение первой гармоники тока, р- фазовый сдвиг первой гармоники тока сети относительно напряжения. где V— коэффициент искажения тока сети (в линейной цепи ток синусоидален и i =l). Отсюда коэффициент мощности выражается Реактивная мощность Полная мощность включает еще одну составляющую — мощность искажения Т: Неактивные составляющие полной мощности Q и Т характеризуют колебания энергии между сетью и нагрузкой, при которых не совершается работа, а сеть загружается неактивными составляющими тока. В трехфазной симметричной сети с линейной или нелинейной симметричной или несимметричной нагрузкой мгновенная мощность в каждой фазе равна Суммарная мгновенная мощность р = рА+рв+рс. В сети с симметричной нагрузкой пульсации мгновенной мощности отсутствуют. Полная мощность сети где UAIB,C и 1А,В,С — действующие значения напряжения и тока сети. Активная мощность равна Анализ показывает, что активную мощность переносит только синфазная напряжению составляющая основной (первой) гармоники прямой последовательности тока, являющаяся активной составляющей тока. Реактивная мощность сдвига Полная мощность основной гармоники S, =Щ1Ы+11В+1К) включает еще одну составляющую — мощность несимметрии N: Мощность несимметрии характеризуют междуфазовый обмен реактивной мощностью при несимметричной нагрузке. Высшие гармоники тока вызывают появление мощности искажения, так что полная мощность системы состоит из четырех составляющих: Согласно выражению для определения полной мощности, коэффициент мощности может быть увеличен уменьшением составляющих неактивной мощности, включающих реактивную мощность, и мощность искажений, а также мощность несимметрии. Задача повышения качества электроэнергии сетевых статических преобразователей возникла еще в середине XX века в связи с повышением удельной мощности нелинейных потребителей в сетях переменного тока, однако решение этой задачи происходило поэтапно по мере развития технологии силовых полупроводниковых приборов и систем управления преобразователями. С самого начала разработок обозначилось два пути решения: Повышение коэффициента мощности внутренними средствами, т.е. путем модификации схемы самого преобразователя и (или) алгоритма переключения входящих в его состав вентилей (ключей) [11]. Введение в электрическую сеть дополнительных устройств, подключенных на стороне переменного тока параллельно или последовательно к преобразователю, - сетевых фильтров [10, 12].
Возможно совместное использование двух перечисленных альтернативных путей. В настоящее время существует много способов компенсации неактивной мощности, которые существенно различаются принципами действия и их реализацией, а также эффективностью при применении в КЭЭС и СЭЭС. Рассмотрим кратко основные из них.
Анализ основных видов ключей и особенностей их применения
Выбор наиболее рациональной структуры КИМ зависит от мощности, решаемых задач, и параметров используемых ключевых элементов. Поэтому необходимо провести анализ существующих ключевых полупроводниковых элементов, и определить области их применения.
В качестве номинальных значений тока и напряжений полупроводникового ключа указывают обычно максимально — допустимые импульсные токи и перенапряжения, которые не приводят к разрушению ключа. Эти значения используются в основном для сравнения характеристик ключевых элементов и обычно намного превосходят рабочие значения тока и напряжения ключевого элемента. Ключевой элемент обычно работает в режиме с частыми переключениями и потери от переключений могут превышать потери в статическом режиме. В качестве номинального значения тока ключа обычно указывается среднее постоянное значение (в английской литературе "DC on-state current"), или действующее значение тока ключа (RMS on-state current). Данные приводятся для различных значений температур кристалла (7}) полупроводника, из диапазона 80-ь90, или корпуса (Тс) транзистора, из диапазона 110-И50С, поэтому в таблицах данных токов и напряжений ключа указывается значение расчётной температуры. Для сравнения ключевых элементов можно использовать эквивалентную мощность ключа, полученную по продолжительным рабочим значениям тока и напряжения ключа. Однако реальная мощность ключа зависит от условий эксплуатации ключа: типа использующегося радиатора для охлаждения ключа, частоты коммутации, напряжения на стороне постоянного тока преобразователя.
Наибольшее распространение на больших мощностях получили три типа ключевых элементов: GTO-тиристор - полностью управляемый тиристор, IGCT-тиристор -полностью управляемый тиристор со встроенным драйвером, IGBT-транзистор - биполярный транзистор с изолированным затвором.
Выбор типа ключевого элемента определяется такими параметрами, как мощность ключевого элемента, рабочие значения токов и напряжений, частота переключения. Ориентировочный диапазон рабочих параметров различных типов мощных полупроводниковых ключевых элементов, приведён в табл. 2.1. Следует отметить, что существуют более мощные ключевые элементы, которые пока ещё не получили большого распространения. В таблице приведено максимальное допустимое напряжение на ключевом элементе в непроводящем состоянии, обычно оно составляет 504-60% от класса напряжения ключа.
Для сравнения различных типов полупроводниковых ключей и выбора наиболее подходящего для конкретной задачи, необходимо оценить такие параметры ключа как: Номинальные рабочие значения тока и напряжения ключа (номинальная мощность ключа); Рабочий диапазон частоты переключения; КПД ключа — отношение тепловых потерь и потерь управления к рабочей мощности; Схемотехническая реализация и мощность цепи управления (драйвер); Схемотехническая реализация и мощность цепи формирования траектории переключения ключа (ЦФТП или «снаббер»); Работа в нештатной ситуации (способность ограничивать ток КЗ, устойчивость к перенапряжению и т.д.). Рабочее напряжение ключевого элемента выбирается исходя из соответствия класса напряжения транзистора его рабочему напряжению табл.2.2 Тестируемое напряжение - это напряжение на ключевом элементе, при котором справедливы параметры ключевого элемента, приводимые в описании (коммутационные потери). Среди запираемых тиристоров GTO тиристор обладает наибольшей номинальной мощностью по сравнению с остальными типами полностью управляемых полупроводниковых ключей. Однако он требует сложной и мощной цепи управления (драйвер). Применяется при сравнительно низких частотах коммутации (50Гц-И50Гц), так как имеет большие динамические потери и большое время переключения. Необходимо использование снабберов, причём, на них при переключении выделяется значительная мощность. Наличие снабберов, сложного и мощного драйвера, приводит к большим затратам при сборке преобразователя по сравнению с использованием IGBT транзисторов и TGCT тиристоров. Последний разработан сравнительно недавно на основе GTO тиристора. Как и GTO, IGCT имеет относительно небольшие потери проводимости. По сравнению с IGBT транзисторами классов напряжений 3,ЗкВ, 4,5кВ, IGCT тиристоры имеет более низкое падение напряжения в проводящем состоянии. IGCT обладают большой плотностью тока проводимости, сравнимой только с GTO тиристором, благодаря оптимально - симметричному распределению плазмы. Тиристор IGCT представляет собой интеллектуальный модуль, содержащий элементы управления и защиты, что обеспечивает наилучшую производительность. Наличие встроенного драйвера улучшает и упрощает монтаж полупроводникового ключа. К недостаткам IGCT тиристора можно отнести следующим: Частота переключения тиристора не высока, она лежит в пределе 150-500кГц. Наличие снабберной цепи на включение для ограничения нарастания тока включения. Это приводит к увеличению максимального допустимого тока выключения и усложнению схемы. Кроме этого, в процессе коммутации мощность потерь коммутации тиристоров выделяется в резисторе снабберной схемы, причём рабочая температура этого резистора может быть намного выше рабочей температуры тиристора, поэтому требуется менее сложная инфраструктура системы охлаждения. В настоящее время наиболее перспективными являются IGBT-транзисторы, которые отличаются от запираемых тиристоров следующим: Более высокая частота коммутации по сравнению с остальными типами ключевых элементов (GTO и IGCT); Возможностью использования без элементов формирования траектории переключения (снаббер); Относительно небольшая мощность драйвера управления; Способность ограничивать тока КЗ, путём контроля скорости изменения тока, при помощи управления напряжением затвора транзистора; Относительно небольшая мощность полупроводникового ключа по сравнению с остальными типами ключевых элементов (GTO и IGCT); Для управления и защиты IGBT требуется интеллектуальный драйвер, способный контролировать скорость нарастания тока коллектора в процессе коммутации, контролировать падение напряжения на транзисторе для защиты от токов перегрузки, имеющий возможность настройки времён переключения и уровней срабатывания защит, и имеющий возможность сигнализировать об различных аварийных ситуациях управляющей системе.
С повышением частоты коммутации уменьшается рабочий ток IGBT транзистора. Например данные по транзисторам фирмы «Infineon Technologies AG» (бывшая «Eupec»), полученные при помощи программы расчёта тепловых потерь «Iposim Simulation» приведены на рис.2.14. Данные приведены для двух типов транзисторов класса напряжения 3,3 кВ, номинальное значение тока 1500А с мягким «soft» и жёстким типом переключения «hard». Условия расчёта: напряжение на стороне постоянного тока 1800В, температура окружающей среды 60С, температура кристалла 125С.
Блок-схема микропроцессорной части системы управления активным фильтром
Устройство компенсации неактивной мощности для системы пропульсивного движения состоит из компенсатора реактивной мощности, предназначенного для компенсации реактивной мощности на основной частоте, и активного фильтра тока нагрузки, который компенсирует мощность высших гармоник. В принципе, эти устройства являются похожими, однако в зависимости от частоты компенсируемой гармоники тока выбираются различные типы ключей. Такое устройство содержит полупроводниковый преобразователь напряжения, являющийся системой с импульсной модуляцией выходных параметров - токов и напряжений, поэтому функционирование компенсатора связано с необходимостью управления динамическими и статическими процессами характерными для импульсных и нелинейных систем [32, 33]. Эффективность и надёжность его работы во многом определяется параметрами его системы управления. С развитием электронных технологий, системы управления усовершенствуются, и упрощается процесс их разработки. Для управления компенсатором неактивной мощности пропульсивного комплекса с ВРК была разработана система управления на основе микроконтроллера, позволяющая обеспечить высокое качество регулирования и адаптивность к изменяющимся внешним условиям работы. Цифровая система управления превосходит по точности аналоговую, поскольку ее параметры не изменяются с течением времени и не зависят от внешних факторов, таких как температура, влажность и т.п., что присуще всем аналоговым системам. Быстродействие цифровых систем управления может уступать аналоговым, однако, в последнее время, в связи с постоянным увеличением тактовой частоты ядра процессоров, это различие нивелируется. Ограничение на точность цифровой системы управления накладывает точность оцифровки аналогового сигнала с выхода датчиков токов и напряжений системы, посредством модуля аналого-цифрового преобразования (АЦП). Точность оцифровки аналогового сигнала зависит от разрядности АЦП и точности источника опорного напряжения модуля. В процессе отладки алгоритмов системы управления, информация о внешних параметрах, поступающая с датчиков тока и напряжения, а также о собственных переменных алгоритма может быть выведена при помощи интерфейса ввода-вывода цифрового процессора в память персонального компьютера и представлена в удобном графическом виде на экране монитора.
Эффективность работы системы управления показываются на основе следующих критериев: точность управления током в статических и динамических режимах, независимость регулирования выходного тока от отклонений внешних параметров от номинальных значений (например, напряжения сети), устойчивость к помехам в каналах передачи и обработки данных, стабильность частоты коммутации, гармонический состав выходного тока на частотах модуляции, возможность предотвращения возникновения различных аварийных режимов и т.д.
Управление ключами преобразователя осуществляется методами импульсной модуляции. При использовании этого метода, на стороне переменного тока преобразователя напряжения можно формировать токи заданных частоты, значения и формы.
Система управления компенсатором подразделяется на две подсистемы -управление двумя подсистемными устройствами, одним из которых является компенсатор реактивной мощности, другим - компенсатор мощности высших гармоник. В обоих подсистемах, решаются две задачи. Первой задачей является вычисление значений неактивной составляющих мощности, которые компенсатор должен генерировать в сеть для компенсации неактивной мощности создаваемой нелинейными потребителями (в активном фильтре — мощность высших гармоник, а в КРМ - реактивную мощность). Эту подсистему можно назвать системой вычисления мощности задания компенсатора. Второй задачей подсистемы является управление переключением ключевых элементов преобразователя напряжения для создания заданного потока мощности. Эту часть системы управления можно назвать системой управления модуляцией напряжения и тока компенсатора. Система управления трёхфазного компенсатора без нейтрального провода должна осуществлять управление токами компенсатора векторным образом, то есть управление тремя токами фаз компенсатора должно быть взаимозависимым. Таким образом, две подсистемы управления должны оперировать векторными представлениями токов и напряжений компенсатора.
Функционирование КРМ связано с необходимостью управления динамическими и статическими процессами, поэтому создание системы управления является сложной и не тривиальной задачей. Эффективность системы управления в значительной мере определяется её алгоритмом и выбором адекватных аппаратных средств её реализации [34]. Решение этой задачи, при помощи аналоговых систем затруднительна, поэтому система управления КРМ реализована на основе микроконтроллера (МК). Отличительной особенностью цифровых систем управления является возможность создания сложнейших алгоритмов управления, а также легкость их модификации и отладки.
Задача системы управления КРМ заключается в регулировании реактивной мощности, выдаваемой или потребляемой устройством. Управление реактивной мощностью осуществляется посредством создания заданного напряжения преобразователем [35]. Напряжение, приложенное к фазному реактору, является разницей напряжений сети и преобразователя. Активное сопротивление реактора незначительно, поэтому ток в фазе КРМ отстаёт на 90 от напряжения, приложенного к реактору. При этом, если напряжение преобразователя совпадает по фазе с напряжением сети, то ток реактора имеет только реактивную составляющую, происходит обмен с сетью реактивной мощностью [36]. Реактивная мощность КРМ может иметь емкостной или индуктивный характер в зависимости от напряжения сети. В свою очередь, регулирование активной мощности в преобразователе осуществляется для компенсации мощности потерь в преобразователе которая снижает напряжение на конденсаторе, включаемом на стороне постоянного тока преобразователя. КРМ. На рис.3.1 приведена блок-схема алгоритма системы управления КРМ.
Следует обратить внимание на то, резкое изменение реактивной мощности КРМ, которое приводит к скачкам напряжения на КБ, из-за взаимосвязи активной и реактивной составляющих тока КРМ (как известно, что реактивная мощность на порядок больше, чем мощность высших гармоник). Поэтому, в данной работе предлагается реактор с маленькой индуктивностью развязки, который позволяет существенно снизить кратковременное увеличение напряжения на КБ. Принцип работы данного реактора заключается в том, что при возникновении разницы напряжений на этих КБ, появится ток, протекающий через этот реактор, величина которого зависит от разности напряжений. Реактор в этом случае играет роль интегрального звена, быстро пропускающее ток в другую КБ с более низким напряжением, не позволяя протекать большому току через КБ, который может вызывать пробой конденсатор.
Работа устройства компенсации неактивной мощности в целом
Сигнал управления мостовым преобразователем напряжения передается через переходную плату согласования. Переходная плата также согласовывает аналоговые сигналы от датчиков с сигналами от микропроцессора и усиливает их перед передачей драйверам. Плата защиты и индикации осуществляют контроль напряжения вторичных источников питания и обработку цифровых сигналов поступающих с микроконтроллера, сигнализирующих о различных аварийных ситуациях. Плата защиты и индикации осуществляет управление сигнальными светодиодами панели управления. На панели управления отображаются следующие аварийные ситуации: перегрузка по току в фазах макета, перенапряжение КБ, ошибки драйверов, ошибка синхронизации, отказ вторичного источника питания, отклонение напряжения сети от номинального уровня. Вторичные источники питания служат для питания плат СУ.
На рис. 4.28 изображена принципиальная электрическая схема переходной платы системы управления, согласующая сигналы, поступающие с датчиков напряжения и токов макета, с уровнем напряжения аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера XC164CS.
На рис. 4.29 показаны фотографии макета. Макет собран в металлическом корпусе. На лицевом панели расположены СОМ- и LPT-порты интерфейса ввод-вывода, индикаторы режимов работы компенсатора и прерываний, переключатель, показывающий уровень напряжения сети и также кнопка питания. В металлическом корпусе размещена силовая часть компенсатора неактивной мощности, представляющая собой блок питания, модуль трёхфазного преобразователя напряжения, драйвер управления модулем, дроссели фильтра, накопительный конденсатор, датчики токов и напряжений, а также система управления, включающая микропроцессорную плату и вспомогательные средства, такие как, вентиляторный охладитель.
Работоспособность алгоритма системы управления была подтверждена и проверена через ряд независимых экспериментов, проведенных для СТАТКОМа и АФ. Информация о работе СУ сохранялась в памяти микроконтроллера в процессе функционирования компенсатора и выводилась при помощи интерфейса ввода-вывода микропроцессорной платы в ПК. Для вывода графической информации использовался программный комплекс MATLAB, который поддерживает программное обеспечение связи с СОМ портом ПК. С помощью встроенных функций MATLAB, представляющие интерес программные переменные и внешние сигналы, полученные с помощью АЦП, отображены в графическом виде. Масштаб оси абсцисс графиков, приведённых ниже - 54 единицы соответствуют 20 мс (период частоты 50Гц). Оси ординат графиков имеют безразмерный масштаб, поэтому в описании к графикам указаны масштабы.
Одна из наиболее важных программ СУ - это программа синхронизации. От скорости и качества синхронизации зависит качество компенсации реактивной мощности в установившемся и переходном режимах. На рис. 4.30 показан процесс начальной синхронизации при запуске функционирования компенсатора. На верхнем графике представлены напряжение сети фазы «A» (Ua) и значения синхронизируемого цифрового сигнала sin((p). В установившемся режиме синхронизируемый сигнал должен опережать напряжение сети на 90. Переходной процесс завершается менее чем за три периода основной частоты. Длительность переходного процесса зависит от начального сдвига фаз между напряжением сети и синхронизируемым сигналом, длительность процесса не превосходит 0,1 с. (28ед./В); б) результат программы фильтрации значения Uasm((p) (28ед./В). Ниже приведены результаты нескольких экспериментов физического макета основных узлов. Работа данного макета обусловлена четырех квадрантным преобразователем напряжения. В силу подтверждения рассматриваемой работы устройства необходимо исследовать в каждом квадранте. Результаты испытаний макета в режиме генерирования тока первой гармоники 50Гц Как правило, в данном режиме компенсатор должен генерировать активный ток. При этом, энергия, накопленная на конденсаторе в стороне постоянного тока, отдается в сеть. Из рисунков видно, что напряжение на накопителе снижается после момента включения компенсатора. Это объясняется тем, что конденсатор в этом режиме разряжается, отдает часть своей энергии обратно в сеть.
