Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Несинусоидальность кривых тока и напряжения в системах электроснабжения (СЭ)
1.1. Источники высших гармоник тока и напряжения в СЭ 8
1.2. Влияние высших гармоник тока и напряжения на работу электрических и электронных аппаратов и других электротехнических устройств 15
1.3. Показатели качества и нормирование несинусоидальности кривых тока и напряжения 24
1.4. Способы снижения несинусоидальности в СЭ 35
Глава II. Устройства фильтрации высших гармоник тока и напряжения
2.1. Пассивные фильтры 40
2.2. Активные фильтры 48
2.3. Регулируемые фильтры 60
Глава III. Разработка гтринципа управления и его схемотехнической реализации для статических режимов СЭ
3.1. Блок-схема и алгоритм работы системы управления 69
3.2. Анализ и определение эффективных методов управления, обеспечивающих требуемые функции в статическом режиме работы СЭ 73
3.3. Математическое и физическое моделирование СЭ с силовым регулируемым фильтром 87
3.4. Анализ факторов, влияющих на эффективность силового регулируемого фильтра в динамических режимах СЭ 100
Глава IV. Обеспечение эффективности силового регулируемого фильтра в динамических режимах СЭ
4.1. Определение методов построения корректора параметров на основе нечеткой логики управления силового регулируемого фильтра 109
4.2. Разработка нечеткого корректора параметров системы управления силового регулируемого фильтра 117
4.3. Математическое моделирование силового регулируемого фильтра с улучшенными динамическими характеристиками в составе СЭ 123
Заключение 132
Приложение 133
Список литературы 147
- Влияние высших гармоник тока и напряжения на работу электрических и электронных аппаратов и других электротехнических устройств
- Активные фильтры
- Анализ и определение эффективных методов управления, обеспечивающих требуемые функции в статическом режиме работы СЭ
- Разработка нечеткого корректора параметров системы управления силового регулируемого фильтра
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время одной из наиболее актуальных проблем электроснабжения является повышение качества электроэнергии. Острота данной проблемы во многом связана с бурным развитием преобразовательной техники и ее широким использованием. Наличие преобразовательной нагрузки приводит, в частности, к искажению формы (несинусоидальности) кривых тока и напряжения в системах электроснабжения (СЭ), другими словами к наличию высших гармоник тока и напряжения в СЭ. Известно, что несинусоидальность кривых тока и напряжения крайне негативно влияет на работу различных электротехнических устройств, входящих в состав СЭ. Несинусоидальность кривых тока и напряжения приводит к повышенному нагреву трансформаторов и конденсаторных батарей, ложным срабатываниям аппаратов защиты, аварийным ситуациям в работе преобразователей. Таким образом, повышение качества электроэнергии, в частности, снижение несинусоидальности кривых тока и напряжения является одной из важнейших и насущных задач.
Одним из традиционных способов снижения несинусоидальности кривых тока и напряжения является использование пассивных фильтров. Пассивные фильтры представляют собой LC-цепи, настроенные в резонанс на частоты высших гармоник. Главным достоинством пассивных фильтров является низкая стоимость. Однако, наличие ряда серьезных недостатков таких, как низкая добротность, технологический разброс параметров реакторов и конденсаторов фильтра, возможность возникновения опасных резонансных явлений и негативное влияние на переходные процессы в СЭ при установке фильтра привели к значительному сокращению и ограничению использования пассивных фильтров.
С развитием силовой электроники появилась возможность создания активных фильтров высших гармоник. Имея в своей основе четырехквадрантный преобразователь на полностью управляемых силовых полупроводниковых приборах, активный фильтр обеспечивает высокую эффективность фильтрации высших гармоник. Однако, широкое применение активных фильтров ограничивает их высокая стоимость, связанная с большой установленной мощностью. В связи с этим, наиболее перспективным направлением является разработка силовых регулируемых фильтров, представляющих собой комбинацию пассивного фильтра и активного элемента (регулятора) на базе маломощного активного фильтра. Практика применения показывает, что имеется необходимость фильтрации одной или нескольких высших гармонических составляющих в СЭ. Не имея недостатков пассивного фильтра, силовой регулируемый фильтр позволяет решить данную задачу при существенно меньшей стоимости устройства по сравнению с активным фильтром.
Особенно важным аспектом, не учитываемом в имеющихся разработках, является функционирование силового регулируемого фильтра в переходных (динамических) режимах работы СЭ, например, при подключении/отключении потребителей. В результате, несмотря на эффективную фильтрацию на частоте настройки в установившихся (статических) режимах СЭ, регулятор негативно влияет на переходной процесс в СЭ. Это связано с противоречивостью требований к регулятору в статических и динамических режимах работы СЭ.
Таким образом, необходима коррекция параметров системы управления активного элемента в динамических режимах, при этом полностью устраняя недостатки пассивного фильтра в статических режимах работы СЭ.
Данная задача и определила тему диссертационной работы.
Цель работы Улучшение характеристик силового регулируемого фильтра в статических и динамических режимах для обеспечения высокого качества фильтрации на частоте настройки и демпфирования резонансных явлений в СЭ. Достижение цели исследования потребовало решения следующих научно-исследовательских и практических задач:
1. Проведение аналитического обзора современных научно-технических решений для снижения несинусоидальности в СЭ и выявление наиболее перспективных разработок с применением силовых электронных приборов
2. Разработка нового способа управления, позволяющего улучшить характеристики силового регулируемого фильтра в переходных режимах, при сохранении высокого качества фильтрации на частоте настройки фильтра и демпфировании резонансных явлений в установившихся режимах СЭ
3. Разработка корректора параметров системы управления силового регулируемого фильтра СЭ на основе нечеткой логики;
4. Разработка математических моделей силового регулируемого фильтра в составе СЭ.
Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы методы математического анализа (дифференциальное исчисление, матричная и векторная алгебра), методы теории электрических цепей, численные методы решения уравнений на ЭВМ, методы теории автоматического управления (частотные характеристики и частотный анализ качества), методы цифрового моделирования и численного анализа.
Обоснованность и достоверность результатов. Справедливость теоретических положений подтверждается результатами компьютерного и физического моделирования, использованием апробированных методов анализа электромагнитных процессов в силовых электронных устройствах и корректностью принятых допущений.
Научная новизна. На защиту выносятся следующие результаты:
- Впервые предложен способ управления активным элементом силового регулируемого фильтра, основанный на создании управляемого импеданса в широком частотном диапазоне, улучшающий качество фильтрации в статических и динамических режимах СЭ.
- Впервые предложена коррекция параметров системы управления регулятора с использованием аппарата нечеткой логики, позволяющая улучшить динамические характеристики при различных возмущениях.
- Разработаны математические модели, позволяющие оценить технические характеристики силового регулируемого фильтра в различных режимах работы СЭ.
Практическая ценность. Результатом выполненной работы стала разработка схемотехнических решений и методов управления для создания силовых регулируемых фильтров с улучшенными характеристиками. Результаты работы могут быть использованы при разработке различных типов активных и регулируемых фильтров, а также для модернизации пассивных фильтров, находящихся на эксплуатации в составе СЭ.
Реализация работы. Полученные результаты использованы в работах проводимых кафедрой ЭиЭА МЭИ(ТУ) совместно с ОЭМИП ФГУП НИИЭМ по разработке макетных образцов серии устройств для повышения качества электроэнергии.
Апробация. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях: МКЭЭ 2000 (Россия), РЭЭ 2001-2003 (Россия), СЭЭ 2002-2003 (Украина), а также на заседаниях кафедры Электрических и Электронных Аппаратов в 2000-2005 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, работа над диссертацией отмечена стипендией Ученого Совета МЭИ 2001-2002.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем работы составляет 154 стр. и содержит 67 рисунков, 12 таблиц, 80 наименований списка литературы и приложение.
Влияние высших гармоник тока и напряжения на работу электрических и электронных аппаратов и других электротехнических устройств
Негативный эффект от наличия высших гармоник тока и напряжения в СЭ состоит в следующем: - нагрев и дополнительные потери в кабелях и проводах СЭ; - нагрев и дополнительные потери в обмотках и магнитных частях трансформаторов, электрических машин, электрических аппаратов; - нагрев и дополнительные потери в конденсаторах; - повышенный акустический шум и вибрация в электромагнитном оборудовании; - искажение формы питающего напряжения; - падение напряжения в СЭ; - наличие гармоник, кратных трем, в нейтральном проводе трехфазной сети; - резонансные явления на частотах высших гармоник; - влияние высших гармоник на работу электрических и электронных аппаратов автоматики, управления и защиты. 1) Нагрев и дополнительные потери в кабелях и проводах СЭ, трансформаторах, электрических машинах и аппаратах; При наличии высших гармоник происходит увеличение активного сопротивления проводника, поскольку оно является функции частоты протекающего тока (скин-эффект). В кабелях также имеют место дополнительные потери, связанные с увеличением потерь в диэлектрике изоляции кабеля [7,10,11]. При несинусоидальном напряжении сети происходит ускоренное старение изоляции силовых кабелей. Опыт эксплуатации свидетельствует о том, что в сетях с большим удельным весом нелинейных нагрузок часто возникают однофазные замыкания в кабелях. Так, в сетях непрерывного толстолистового стана горячего проката с Кц =8% количество однофазных замыканий на землю за год оказалось на 30—40% больше, чем в сетях других цехов, где преобразователей нет и Кц 2% [10]. Потери в обмотках трансформаторов, электрических машин и аппаратов обусловлены теми же причинами. Подробные многолетние исследования форм кривых напряжения в сетях промышленных предприятий показывают, что во многих случаях за счет высших гармоник кривые напряжения принимают более заостренную форму по сравнению с синусоидальной, поэтому наличие высших гармоник в этих сетях приводит к ускоренному старению изоляции электрических машин и трансформаторов [10,11].
Нужно отметить, что в сетях с высоким содержанием высших гармоник часто используют специальные трансформаторы. Такие трансформаторы имеют дополнительную теплоемкость, что позволяет им выдерживать избыточный нагрев, вызванный потерями от высших гармоник. Кроме того, специальная конструкция трансформатора позволяет свести к минимуму потери на вихревые токи [10,11]. 2) Нагрев и дополнительные потери в конденсаторах;
В конденсаторах дополнительные потери обусловлены в первую очередь увеличением действующего значения тока конденсатора по сравнению с номинальным, а также ростом тангенса «угла потерь» tgd в диэлектрике на высоких частотах [8,10,11]. Возникающий перегрев в конденсаторе может приводить к пробою диэлектрика. При наличии высших гармоник в кривой напряжения процесс старения диэлектрика конденсаторов протекает также более интенсивно, чем в случае, когда конденсаторы работают при синусоидальном напряжении. Например, при /Г/ =5%, через 2 года эксплуатации tgd конденсаторов увеличится в 2 раза [10]. Наличие высших гармоник в кривой напряжения, даже в допустимых пределах, приводит к интенсификации процесса старения диэлектрика конденсаторов и, как следствие, к сокращению их срока службы. Например, при длительной работе батарей конденсаторов при перегрузке их токами высших гармоник не более, чем на 30% и 10%-м превышении напряжения, что вполне допустимо, срок их службы сокращается [10]. В условиях промышленных предприятий, как правило, конденсаторы периодически оказываются в режиме, близком к резонансу токов на частоте какой-либо из гармоник, а это влечет за собой систематические перегрузки и конденсаторы быстро выходят из строя. В связи с этим конденсаторы, предназначенные для установки вкомпенсаторах реактивной мощности и фильтрах высших гармоник тока, имеют малые значения tgS и повышенную надежность. Как правило,максимальный допустимый ток у серийно выпускаемых образцов составляет 1,3-Іном, а у некоторых и 1,43-1Н0М (конденсаторы Н-типа, производитель«Schneider Electric») [12]. Кроме того, в таких конденсаторах используютсамовосстанавливающийся диэлектрик для защиты от пробоев исамовосстанавливающийся предохранитель-прерыватель, защищающий от избыточного внутреннего давления.3) Искажение формы питающего напряжения; Искажение формы питающего напряжения оказывает существенное влияние на работу систем управления преобразователями [13,14]. Так, в тиристорных преобразователях, подача управляющих импульсов на тиристоры синхронизирована с сигналом питающего напряжения. Искажения формы питающего напряжения приводят к наличию нескольких переходов через нуль в окрестности нуля питающего напряжения. Поскольку управляющий импульс тиристора по ряду причин имеет ограниченную длительность, то может возникнуть ситуация отсутствия включения тиристора. Аналогично можно рассмотреть процесс выключения тиристора. В результате в тиристорных преобразователях возникает короткое замыкание, приводящее к выходу тиристоров из строя.В частности, на магистральных электровозах типа ВЛ-85-023 при работе тиристорных выпрямительно-инверторных преобразователей в режиме рекуперативного торможения имели место срывы коммутации тиристоров [13 15]. Последующий анализ показал, что причиной является несинусоидальный ток потребляемый преобразователем, вызывающий искажения кривой питающего напряжения [13]. Поэтому, пришлось временно отказаться от работы в режиме рекуперации, и начать работы по разработке фильтров высших гармоник и компенсаторов реактивной мощности [14]. В настоящее время, подобными фильтрами оборудованы электровозы ЭП200 с вентильными двигателями, выпускаемые Коломенским и Новочеркасским заводами, электровозы GF6C (Канада), скоростные электропоезда TGV французских железных дорог [15].Другой стороной данной проблемы является питание нелинейных нагрузок от источников ограниченной мощности, что характерно для автономных систем электроснабжения. Как было сказано ранее, амплитудное значение потребляемого несинусоидального может значительно превышать его действующее значение. Очевидно, что источник должен обеспечивать нагрузке пиковые значения тока без искажения напряжения. Ряд источников электропитания могут выполнить эту задачу только за счет завышения номинальных параметров источника. В частности, в современных генераторных установках переменного тока, сверхпереходное реактивное сопротивление составляет приблизительно 15%, что производит достаточно неблагоприятное воздействие на форму напряжения, если не используются специальные обмотки или мощность генератора не будет выбрана заведомо завышенной [16].4) Падение напряжения в питающей сети;
Сопротивление питающей сети, как правило, имеет индуктивный характер и может достигать больших значений, например, в сети питания электровозов с ростом удаленности от подстанции или в типичных распределительных системах с кабельными трассами длиной более 100 метров. Кроме того, сказывается зависимость индуктивного сопротивления от частоты. Поэтому при высоком содержании высших гармоник тока соответствующее падение
Активные фильтры
Активные фильтры высших гармоник являются сравнительно новым классом устройств, улучшающих качество электроэнергии сразу по нескольким показателям. Они не только осуществляют фильтрацию высших гармоник, но и улучшают коэффициент мощности на основной частоте; устраняют провалы, фликер и несимметрию напряжения; регулируют активную мощность в СЭ.
Основные принципы активной фильтрации высших гармоник были сформулированы в 70-х годах [39], однако широкие исследования в этой области стали возможными лишь благодаря развитию элементной базы силовой электроники и новых методов высокочастотной модуляции. Активный фильтр представляет собой преобразователь переменного/постоянного тока с индуктивным или емкостным накопителем энергии на стороне постоянного тока (рис.2.3,а) [23,39]. Преобразователь может работать как в режимах выпрямления (квадранты I и IV), так и в режимах инвертирования (квадранты II и III) (рис.2.3,б). Благодаря этому свойству такие преобразователи называют четырехквадрантными. Использование полностью управляемых СПП позволяет обеспечить работу в квадрантах III и IV, где требуется принудительная коммутация ключей в отличие от естественной коммутации в квадрантах I и IV.
Активный фильтр представляет собой как бы генератор "антигармоник" и при подключении исключает или ограничивает поступление высших гармоник вСЭ.
Анализ работ в области активной фильтрации [4,5,41,42,43] показал, что в настоящее время существуют две основных варианта активных фильтров:последовательный и параллельный (рис.2.4, а). Они отличаются по типу выходного сигнала и способу подключения активного фильтра к СЭ. Активный фильтр параллельного типа является источником тока высших гармоник в противофазе с током высших гармоник нелинейной нагрузки и подключается параллельно нелинейной нагрузке (рис.2.4, а). Активный фильтр последовательного типа является источником напряжения и подключается последовательно с нелинейной нагрузкой (рис.2.4, б).Рис.2.4. Однофазная эквивалентная схема СЭ с активным фильтром параллельного (а) и последовательного (б) типа. Lc -эквивалентная индуктивность сети.
Напряжение на активном фильтре последовательного типа находится в противофазе с напряжением высших гармоник на элементах СЭ между активным фильтром и нелинейной нагрузкой, тем самым обеспечивая синусоидальность тока и напряжения выше точки подключения активного фильтра.
Первой значительной работой, достаточно подробно излагающей основные принципы активной фильтрации, способы построения силовой части и системы управления фильтра, а также результаты лабораторных исследований, является работа [39], опубликованная в 1976 г. В данной работе рассматривается полная компенсация высших гармоник активным фильтром. В работе приведены и проанализированы различные варианты включения активного фильтра в СЭ, рассмотрены варианты схемотехнической реализации фильтра. Также достаточно подробно рассмотрены вопросы управления активным фильтром, в частности, приведена схема управления на основе релейного регулирования. Необходимо отметить также рассмотрение авторами такого важного вопроса, как уменьшение установленной мощности активного фильтра. Результаты лабораторного исследования, представленные в [39], подтверждают высокую эффективность использования активной фильтрации.
За последние 20 лет наблюдается тенденция к бурному росту публикаций, посвященных развитию схем и способов управления активными фильтрами. В них рассматриваются различные схемотехнические варианты активных фильтров, оптимизируются различные показатели этих устройств [41-43, 50-57].
Очевидно, что особый интерес представляет управление активными фильтрами. Основной задачей управления активным фильтром является определение сигнала задания, который модулируется преобразователем. Очевидно, что сигнал задания определяется как компенсируемой реактивной мощностью потребителя, так и высшими гармоническими составляющими тока потребителя. Кроме того, необходимо компенсировать потери мощности в преобразователе активного фильтра.
Блок-схема одного из вариантов получения тока задания для параллельного активного фильтра представлена на рис.2.5 [4]. Согласно схеме рис.2.5 с помощью полосового фильтра из тока нагрузки /„ выделяется основная составляющая i(f{). Далее детектируется амплитуда 1т1 основной гармонической составляющей тока нагрузки. Полученная амплитуда суммируется с сигналом K-8Ud П-регулятора, обрабатывающего разницу напряжения Uj на емкостномнакопителе и его опорного (номинального) значения Udo- Полученное скорректированное значение амплитуды основной гармоники 1т1 , меньшее чем Jmii умножается на сигнал генератора синусоидального напряжения единичной амплитуды, синхронизированного с напряжением сети. Далее полученный синусоидальный сигнал вычитается из /„. Таким образом, на выходе сумматора получается сигнал тока задания, который затем отрабатывается модулятором. В схеме рис.2.8 активная мощность, компенсирующая потери в активном фильтре и изменение напряжения на емкостном накопителе, регулируется за счет наличия обратной связи по рассогласованию напряжения Ua- При всей своей простоте данный вариант обладает рядом недостатков. При наличии искажений в напряжении сети, в частности многократных переходов напряжения через нуль), точность синхронизации значительно снижается, и как следствие ухудшается эффективность работы активного фильтра. Также, отсутствует возможность регулирования компенсируемой реактивной мощности по основной частоте.
Другим вариантом получения сигнала задания является использование теории мгновенной мощности Акаги-Набае, известная также как p-q теория [50]. Эта теория оперирует мгновенными значениями токов и напряжений в трехфазной системе с нейтральным проводом и без и справедлива, как для установившихся, так и для переходных процессов [55]. Основу p-q теории составляет переход от трехфазной в двухфазную систему координат и обратно
Анализ и определение эффективных методов управления, обеспечивающих требуемые функции в статическом режиме работы СЭ
На рис.2.9 представлены варианты подключения силового электронного регулятора РЕГ относительно пассивного фильтра. В общем случае, место подключения регулятора РЕГ позволяет судить об установленной мощности регулятора, но не определяет его функциональные возможности. Характер и местоположение фиктивного сопротивления регулятора, а значит, и функциональные возможности последнего, зависят как от места подключения регулятора РЕГ, так и от используемого входного сигнала и закона регулирования К(р).
Особенностью данного анализа является учет не только высших гармонических составляющих тока нагрузки, но и несинусоидальности напряжения СЭ, возможной в реальных СЭ. Несинусоидальность напряжения СЭ также приводит к возникновению резонансов в системе и дополнительно нагружает пассивный фильтр токами высших гармоник. При анализе используются следующие допущения, корректность которых подтверждена в известных работах [21,39,40,50]: - нелинейная нагрузка представляется источником высших гармонических составляющих тока нагрузки; - несинусоидальное напряжение питающей сети представляется источником высших гармонических составляющих напряжения сети.
Очевидно, что для полной реализации функций регулируемого фильтра регулятор РЕГ должен получать информацию как о степени фильтрации гармонической составляющей на частоте настройки пассивного фильтра, так и о наличии резонансных явлений в системе СЭ-фильтр. Для этого возможно использование как одного, так и нескольких входных сигналов регулятора РЕГ. В качестве входных сигналов потенциально могут быть рассмотрены следующие напряжения и токи высших гармоник в системе рис.2.9: ток нагрузки ///, токи сети IQ И пассивного фильтра 1 р, напряжение в точке подключения пассивного фильтра и т.д. В работе [21] показано, что в целом использование тока в качестве отслеживаемого сигнала более предпочтительно. В первую очередь это связано с существенной разницей в амплитудах высших гармоник и основной гармоники напряжения, что значительно затрудняет выделение необходимой гармонической составляющей [21]. Таким образом, в качестве входных сигналов возможно использование тока нагрузки /#, токов сети и фильтра /с и 1ф. Необходимо отметить, что использование тока нагрузки имеет существенный недостаток, поскольку не позволяет судить о наличии резонансов в системе СЭ-фильтр. Таким образом, использование тока нагрузки 1и возможно только для повышения качества фильтрации на частоте настройки пассивного фильтра. Однако, при этом, преимуществом тока нагрузки перед другими сигналами является практически полная независимость от напряжения высших гармоник сети, повышающая устойчивость регулирования. В то же время, использование тока сети или тока фильтра в качестве входного сигнала регулятора теоретически позволяет осуществить как повышение фильтрации на частоте настройки фильтра, так и демпфирование резонансных явлений в СЭ. Поэтому схема управления с током сети или током фильтра в качестве входного сигнала является перспективной и будет рассмотрена далее при анализе.
Для оценки эффективности регулятора РЕГ, используя метод эквивалентных источников [48], будем рассматривать отдельно компоненты тока сети, создаваемые источником напряжения высших гармоник сети и источником тока высших гармоник нагрузки.
Параллельное подключение регулятора РЕГ к СЭ более предпочтительно, чем последовательное, как с точки зрения надежности, так и установленной мощности регулятора. В связи с этим вариант с последовательным включением регулятора рис.2.9, г в дальнейшем не рассматривается.
Для анализа был использован программный комплекс OrCad 9.2 [65]. Комплекс OrCad 9.2 основан на языке моделирования PSpice. Для анализа использовались возможности OrCad 9.2 по расчету схем в частотной области с вариацией параметров компонентов. Мощный аппарат графической обработки результатов комплекса OrCad 9.2 позволил построить необходимые для анализа частотные характеристики. При анализе использовались следующие исходные данные: эквивалентная индуктивность фазы сети Lc ЗООмкГн; Пассивный фильтр 5-ой гармоники - емкость конденсатора фильтра Сф= 249мкФ; - индуктивность реактора фильтра Хф= 1 .бмГн; - сопротивление фильтра Яф= 0.25Ом (типовое значение добротности 2=10); Диапазон исследуемых частот- 100Гц-1кГц. Примеры схем, построенных для анализа в OrCad 9.2, представлены в приложении на рис. П. 1. а) Подключение регулятора РЕГ параллельно нагрузке (рис.2.9,а) На рис.3.3 представлены однофазные эквивалентные схемы замещения СЭ с регулируемым фильтром для варианта подключения регулятора (рис.2.9,а) при несинусоидальном токе нагрузки (а) и напряжении сети (б). Пусть входным сигналом регулятора является ток фильтра. Тогда: где р — оператор Лапласа; К(р) - передаточная функция регулятора. (3.5) Выражение (3.5) соответствует наличию фиктивного сопротивления регулятораZm.(p) последовательно с сопротивлением сети. В этом случае схема замещения СЭ выглядит так, как показано на рис.3.4. Это подтверждает несоответствие фактического места подключения регулятора и эквивалентного фиктивного сопротивления ZPir(p). Из рис.3.4 видно, что при активном характере ZPFr (/?) происходит демпфирование резонанса СЭ-фильтр в системе. В тоже время индуктивный характер Zpa(p) позволяет сместить резонанс СЭ-фильтр влево по оси частот, тем самым уменьшая вероятность его возникновения в системе.
Разработка нечеткого корректора параметров системы управления силового регулируемого фильтра
Первым этапом создания нечеткой системы является определение необходимых входных переменных. Результатом прямого преобразования abc-dq являются проекции вектора Idq на оси d и q. В статическом режиме сигналы d и q являются периодическими и содержат постоянные составляющие, определяющиеся амплитудой тока основной частоты сети. Спектр периодической составляющей представлен сигналами с частотой /, определяемой как:где і- номер гармонической составляющей, соответствующей ;-й гармоники тока сети (; 1);/, - основная частота сети. В динамическом режиме спектр сигналов Id (Iq) пополняется составляющими с частотами, близкими к /,. Таким образом, входная переменная нечеткого корректора должна нести информацию о составляющих сигналов d и q на этих частотах. Для этого целесообразно использовать мгновенный модуль вектора Ijq, выражаемый как:
Для уменьшения количества вычислений в микроконтроллере предлагается использовать i]q, тем самым исключая операцию извлечения квадратного корня.
При этом, целесообразно нормировать i2dqi используя значение дляноминального тока сети основной частоты %Чиом- Для учета динамикиизменения динамики изменения i]q предлагается ввести вторую входнуюпеременную — производную i) . Выходной переменной является частота среза ФНЧ.
На рис.4.5 показана структурная схема нечеткого корректора. Для выделения низкочастотных составляющих, возникающих при динамических режимах, используется полосовой фильтр (ПФ) Баттерворта, имеющий максимально плоскую полосу пропускания. При этом полоса пропускания есть /„ /, /„, где /н и /в - нижняя и верхняя границы полосы пропускания, соответственно. Параметры ПФ Баттерворта были рассчитаны с помощью программы MatLab и составляют: порядок-1,/н=25 Гц,/в= 120 Гц. На рис.4.6 представлена переходная характеристика рассчитанного ПФ. Из рис.4.6 видно, что переходная характеристика имеет апериодический характер, при этом длительность переходного процесса составляет один период основной частоты. При скачкообразном уменьшении входного сигнала, например, при отключении нагрузки, выходной сигнал ПФ может быть отрицательным. Поэтому, на рис.4.5 выходной сигнал ПФ берется по модулю. В результате, на выходе блока модуль получаем первый входной сигнал AIdq для блока нечеткойлогики. Для получения второго входного сигнала - производной —(AIdq) используется ПД-регулятор со следующими параметрами: Кп =4,КМ =1е-3. На выходе блока нечеткой логики получаем значение частоты среза f0.
Путем анализа математической модели СЭ при различных частотах среза ФНЧ были сформированы функции принадлежности входных и выходной переменных, а также система правил. На рис.4.7 представлено главное окно программы Fuzzy Logic ToolBox. На рис.4.8 представлены полученные функции принадлежности для входной переменной Miq нечеткой системы.
Входная переменная имеет пять функций принадлежности. Так, для ошибки Выходная переменная имеет четыре функции принадлежности: РЦочень малая), FS (малая), FM (средняя) и FH (большая). Функция принадлежности FL выбрана с учетом обеспечения частоты среза не менее 5Гц в статическом режиме, принимая во внимание возможные отклонения основной частоты сети. Диапазон значений входных переменных 0...2, выходной - 0...1. На входе блока нечеткой логики входные переменные масштабируются со следующими коэффициентами: АГ - 2; й(ЫЛ(Ш- 0.3. Выходная переменная масштабируется с коэффициентом 200. Таким образом, максимальная частота среза ФНЧ в результате нечеткого вывода составляет 200Гц.
Похожие диссертации на Разработка регулятора пассивных фильтров для систем электроснабжения
