Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Актуальность регулирования качества электроэнергии для ключевых источников вторичного электропитания (КИВЭП) как составной части систем электроснабжения (СЭС) 16
1.1. Критерии для оценки искажений, вносимых КИВЭП 16
1.2. Оденка влияния КИВЭП на работу СЭС и электроприёмников 20
1.2.1. Схема замещения электрической сети 20
1.2.2. Примеры снижения ПКЭ в СЭС под влиянием КИВЭП 22
1.2.3. Причины и следствия снижения экономической эффективности КИВЭП и пути её улучшения 29
1.3. Методы и средства регулирования качества электроэнергии в СЭС 33
1.3.1. Последовательное включение РКЭ и искажающего потребителя 34
1.3.2. Параллельное включение РКЭ и искажающего потребителя 35
1.4. Силовая часть полупроводниковых регуляторов качества электроэнергии (РКЭ) 41
1.4.1. Топологии двухкаскадных активных РКЭ 42
1.4.2. Тогюлогии однокаскадных РКЭ 47
1.4.3. Элементная база силовой части РКЭ 49
1.5. Выводы по главе 1 50
Глава 2. Магематическое моделирование силовой части регулятора качества электроэнергии 52
2.1. Исходные положения для моделирования силовой части РКЭ 53
2.2. Формирование системы уравнений, описывающей процессы в силовой части РКЭ 55
2.3. Выражения для входного тока РКЭ и коэффициента заполнения ШИМ 62
2.4. Передаточная функция силовой части РКЭ 67
2.5. Исследование установившегося режима работы РКЭ 71
2.6. Энергетические соотношения и параметры элементов силовой части РКЭ 77
2.7. Методика математического моделирования электромагнитных процессов 83
2.7.1. Общая методика математического моделирования электромагнитных процессов в КИВЭП 83
2.7.2. Реализация методики математического моделирования электромагнитных процессов на примере силовой части РКЭ 84
2.8. Выводы по главе 2 88
Глава 3. Разработка системы управления РКЭ 90
3.1. Анализ силовой части РКЭ как объекта управления 90
3.1.1. Структурная схема, отражающая в операторной форме взаимосвязи элементов силовой части РКЭ 90
3.1.2. Линеаризованная модель силовой части РКЭ как объекта уі гравления. 96
3.2. Разработка схемы системы управления РКЭ 106
3.2.1. Ввібор контролируемых параметров. 106
3.2.2. Замкнутая структурная схема РКЭ с системой управления и ее математическая модель 108
3.3. Определение параметров системы управления 112
3,3.1. Определение параметров регулятора (звена замкнутого цикла) 112
3.3,2 Определение параметров корректора (звена разомкнутого цикла) 112
3.3.3. Определение рабочих точек и диапазонов изменения параметров 117
3.3.4. Функциональная схема следящей системы управления РКЭ вместе с его силовой частью и системой контроля 119
3.4. Обеспечение требуемой внешней характеристики РКЭ и инвариантности РКЭ к возмущениям 123
3.5. Разработка адаптивной системы управления РКЭ 126
3.5.1. Моделирование процессов в СЭС при адаптивной компенсации мощности искажений и коррекции коэффициента мощности 126
3.5.2. Алгоритм адаптивной параметрической настройки 131
3.5.3. Адаптивная система управления РКЭ 136
3.5.4. Характеристики адаптивной системы управления РКЭ 141
3.6. Выводы по главе 3 145
Глава 4. Численное и физическое моделирование регулятора качества электроэнергии 147
4.1. Численное моделирование регулятора качества электроэнергии 147
4.1.1. Методика и алгоритм численного моделирования РКЭ 147
4.12. Результаты численного моделирования РКЭ 152
4.2. Физическое моделирование регулятора качества электроэнергии 167
4.2.1. Предпосылки и принципы разработки физических моделей РКЭ 167
4.2.2. Описание экспериментальной установки по исследованию РКЭ 168
4.2.3. Цели экспериментальных исследований 182
4.2.4. Результаты экспериментального исследования РКЭ 183
4.3. Методика разработки регулятора качества электроэнергии 192
4.4. Выводы по главе 4 194
Заключение 197
Библиографический СЕЕИСОК использованной литературы 204
ПриложеЕЕия 219
- Оденка влияния КИВЭП на работу СЭС и электроприёмников
- Формирование системы уравнений, описывающей процессы в силовой части РКЭ
- Определение параметров системы управления
- Физическое моделирование регулятора качества электроэнергии
Введение к работе
Современное развитие мирового сообщества в целом и России в частности характеризуется всё большим влиянием на него энергоснабжения. По этому поводу Президент России В.В. Путин отметил: «Глобальная энергетика сегодня - важнейшая движущая сила социально - экономического прогресса» [Г. Это касается как основных отраслей хозяйства, так и отдельных потребителей - от предприятий до персональных пользователей. При этом в условиях сложившейся цивилизации важнейшая роль отводится электроэнергетике как нанболсс распространённой и удобной для преобразования форме энергоснабжения.
Обоснование актуальности темы диссертации.
Системы электроснабжения (СЭС) обеспечивают потребителей электроэнергией регламентированного качества. Для России требования к качеству электроэнергии отражены в межгосударственном стандарте ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» [2]. Однако, как показывают исследования, в реальности данные нормы далеко не всегда соблюдаются. Это приводит к неоптимальпым режимам работы и даже к повреждениям элементов СЭС и приёмников электроэнергии, а также к увеличению потерь энергии. Поэтому в настоящее время в условиях глобального дефицита энергии и необходимости её экономии является весьма актуальной проблема контроля и поддержания (регулирования) качества электроэнергии.
Эта проблема обостряется ещё и тем, что в настоящее время на повестке дня стоит вопрос ответственности за ухудшение качества электроэнергии.
Как известно, источником такого ухудшения являются не только источники электроэнергии, но и её приёмники, особенно нелинейные. Поэтому Гії-ропейским Комитетом по стандартизации в электротехнике Европейского Союза принят стандарт BN61000-3-2 «Предельные значения гармонических излучений», вступивший в действие в странах ЕС с 01.01.2001г. Согласно требовапиям этого стандарта для всех электроприёмников мощностью более 50 ВА устанавливаются ограничения на уровни гармонических составляющих входного тока от второй до сороковой гармоники. Отсюда вытекает, что для бестрансформаторных (ключевых) источников вторичного электроснабжения (нелинейных электроприёмников) мощностью более 50 ВА обязательна постановка регуляторов качества электроэнергии (корректоров коэффициента мощности). Аналогичные проекты прорабатываются и в России. При таком подходе улучшается качество электроэнергии в СЭС - снижаются фазовые перекосы и уменьшается уровень импульсных помех.
В связи с этим необходимо массовое производство ключевых источников вторичного электроснабжения, оснащенных регуляторами качества электроэнергии (РКЭ), для всех сфер применения. Поэтому разработка и исследования РКЭ является актуальной проблемой современной электротехники.
Краткий обзор состояния разработки выбранной темы
Традиционно для решения задач регулирования качества электроэнергии применялись тиристорные стабилизаторы напряжения, компенсаторы реактивной мощности и пассивные фильтры. Возможность использования силовых электронных устройств в качестве активных РКЭ начала привлекать внимание специалистов (в т.ч. и российских), начиная с середины 70-х годов XX-го века. При этом рассматривались статические преобразователи с широтпо-импульсной модуляцией (ШИМ), работающие на базе инвертора напряжения или инвертора тока.
Активные разработки РКЭ начали проводиться учёными в 80-е годы. В России данной проблемой начали интенсивно заниматься с начала 90-х годов.
Значительный вклад в разработку таких многофункциональных регуляторов качества электроэнергии внесли отечественные учёные из Московского энергетического института (Розанов Ю.К., Рябчицкий М.В., Кваснюк А.А., Иванов И.В. и др.), из Всероссийского электротехнического института (Муста-фа Г.М., Иванова Е.В., Кутейникова А.В. и др.); из других учреждений и фирм (Лабунцов В.А., Зиновьев Г.С, Железко Ю.С., Ковалёв Ф.И., Флоренцев СИ., Агунов А.В., Магазинник Л.Т., Мелешин В,И., Лукин А.В. и др.).
Анализ развития этого направления позволяет утверждать, что в ближайшем будущем технико - экономическая эффективность систем электроснабжения будет в значительной мере определяться насыщенностью СЭС устройствами силовой электроники [3].
В настоящее время широко используются два основных подхода к регулированию (улучшению) качества напряжения в сетях переменного тока:
• последовательное включение РКЭ между источником переменного напряжения и искажающим потребителем с целью формирования посредством РКЭ только синусоидального входного тока с нулевым фазовым сдвигом относительно входного напряжения (коррекция коэффициента мощности);
• параллельное включение РКЭ с искажающим потребителем с целью замыкания токов высших гармоник на РКЭ и циркуляцию их в некотором локальном контуре (так называемая фильтрация высших гармоник).
В качестве РКЭ последовательного включения традиционно может применяться стабилизатор напряжения для нагрузок, питающихся переменным напряжением. Находят применение аппараты на базе встречно-параллельного включения тиристоров. Регулирование осуществляется изменением угла включения вентилей. Такой РКЭ скорее осуществляет регулирование напряжения па нагрузке и не препятствует протеканию гармоник тока в питающую есть и к другим потребителям; более того, сам способ регулирования предполагает искажение формы питающего напряжения, следовательно, ухудшение ЛКЭ [4[.
Если искажающим потребителем является ключевой источник вторичного электр о питания (ИВЭП) с бестрансформаторным входом, то на РКЭ возлаї а-ется функция компенсации искажений тока. Эта задача решается преднамеренным формированием в ИВЭП синфазного входного тока, повторяющего форму питающего напряжения [5]. Такой подход известен как активная коррекция коэффициента мощности в ИВЭП и широко используется в ключевых ИВЭП [6...9]. Схема имеет два каскада преобразования электроэнергии (выпрямление Ш- и подъем напряжения) и обеспечивает питание нагрузки постоянным напряже нием. Дальнейшее снижение потерь достигается как применением однокаскад-ной схемы ШИМ-выпрямления [10], так и использованием режимов «мягкой» коммутации и переключения вентиля в нуле тока или напряжения [11].
В качестве РКЭ параллельного включения применяются фильтры.
Традиционными техническими средствами фильтрации высших гармоник в СЭС являются пассивные фильтры, выполняемые на основе конденсаторов и реакторов. Эффективность таких фильтров ограничена следующими основными факторами:
Во-первых, они обладают детерминированными частотными характеристиками, в то время как реальный частотный спектр высших гармоник тока или напряжения в СЭС имеет стохастический и изменяющийся характер.
Во-вторых, высокая точность настройки и высокая добротность пассивных фильтров, как правило, оказывают негативное влияние на переходные процессы в динамических режимах работы СЭС, вызывая, например, перенапряжения в сети.
Применение электронных РКЭ параллельного типа предполагает использование полупроводниковых ключевых компенсаторов с накопителями энергии на стороне постоянного тока [12]. Такие РКЭ (обычно их называют активными фильтрами) основаны па использовании мостовой вентильной схемы, подключенной выводами переменного тока к питающей сети параллельно потребителям, отрицательное влияние которых нужно скомпенсировать. Наиболее интенсивное развитие и отражение в публикациях посвященных вопросам РКЭ, получили работы именно по активным фильтрам [3,13... 15].
Значительным ограничением в использовании активных фильтров является то, что их мощность должна быть соизмеримой с мощностью нелинейной нагрузки, следовательно, они будет иметь высокую стоимость.
Более экономичным путем решения проблемы является использование пассивных фильтров в сочетании с активными, но меньшей мощности, - так называемых гибридных фильтров [16]. Гибридные фильтры сочетают достой иства традиционных пассивных фильтров из реактивных элементов и активных фильтров сравнительно малой мощности.
Основным недостатком рассмотренных технических решений является невозможность полного подавления всех гармонических составляющих искаженного тока нагрузки. Другим их недостатком является работа устройства только в сети переменного тока. В случае соизмеримости мощностей исгочника и группы потребителей зачастую постановка автономного активного или гибридного фильтра с функцией стабилизации напряжения по выходной шине переменного напряжения [17] является перспективной с технической точки зрения, но не выгодной с экономической, т.к. затраты на дополнительное устройство оказываются существенными по сравнению с искажающим потребителем.
Между тем, достижение частичной компенсации искажающих составляющих тока нагрузки может быть обеспечено, если осуществить генерацию в питающую сеть дополнительного компенсационного тока, приблизительно равного, но находящегося в противофазе. Такая задача может быть решена посредством использования в качестве РКЭ силовой схемы активного корректора коэффициента мощности [18], когда из питающей сети потребляется ток основной гармоники и группа высших гармоник, компенсирующих искажения работающих рядом нелинейных электроприемников.
Современное состояние элементной базы силовой электроники даст большие возможности построения регуляторов с расширенными свойствами, которые позволяют компенсировать реактивную мощность и мощность искажений в локальной системе электроснабжения.
Однако в настоящее время недостаточно проработан ряд вопросов, связанных с разработкой, созданием и исследованием многофункциональных регуляторов качества электроэнергии, предназначенных для компенсации мощности искажений (высших гармоник потребляемого тока), реактивной мощности первой гармоники и стабилизации напряжения на значительно изменяющейся нелинейной нагрузке. Целью диссертационной работы является разработка и исследование регулятора качества электроэнергии (РКЭ), позволяющего (наряду с обеспечением электропитания стабилизированным напряжением значительно изменяющейся нелинейной нагрузки мощностью около 10 кВт) поддерясявать заданную форму тока, потребляемого нагрузкой, и (при необходимости) компенсировать высшие гармоники тока, имеющиеся в СЭС.
В ходе диссертационной работы необходимо решить следующие задачи:
1. Проанализировать современное состояние источников вторичного электропитания и устройств регулирования качества электроэнергии. На основе этого анализа выбрать базовую схему силовой части РКЭ мощностью около і 0 кВт и наметить пути достижения поставленной цели.
2. Разработать математическую модель силовой части РКЭ в составе однофазной локальной СЭС. На основе анализа полученной модели оценить протекающие процессы, получить основные характеристики ершовой части РКЭ и дать рекомендации по параметрам её основных элементов.
3. Используя математическую модель силовой части РКЭ, разработать систему управления РКЭ, позволяющую стабилизировать напряжение па значительно изменяющейся нелинейной нагрузке, поддерживать заданную форму тока, потребляемого нагрузкой, и (при необходимости) компенси-ровать высшие гармоники тока, имеющиеся в СЭС.
4. Рассмотреть вопросы схемотехнической реализации основных узлов РКЭ.
5. Провести численное исследование и физическое моделирование РКЭ.
Методы исследований, применяемые в диссертационной работе:
• методы теории электрических цепей, использование эквивалентных схем СЭС и схем замещения электротехнических устройств;
• математическое моделирование работы силовой части РКЭ с помощью метода усреднённого пространства состояний;
• применение математического аппарата дифференциальных уравнений и операторного исчисления;
• методы теории автоматического управления; Щ • численное моделирование работы РКЭ с применением пакетов приклад ных программ; • физическое моделирование РКЭ.
Содержание диссертационной работы изложено в четырёх главах, заключении и приложениях.
В первой главе проанализировано современное состояние источников вторичного электропитания (ИВЭП) и регуляторов качества электроэнергии (РКЭ) и намечены пути их совершенствования.
Наиболее широко применяемые ключевые ИВЭП (КИВЭП) имеют несинусоидальный характер потребляемого тока, что является причиной ухудшающей режим работы систем электроснабжения. Перспективным является разработка «прозрачного» устройства, выполняющего функции КИВЭП и РКЭ, (для краткости далее это устройство будет называться РКЭ), потребляющего из сети ток, повторяющий по форме напряжение питания, и при необходимости компенсирующего высшие гармоники тока имеющиеся в СЭС.
На основе сравнительного анализа схем силовой части РКЭ мощностью около 10 кВт выбрана однокаскадная схема полумостового импульсно модулированного выпрямителя. В качестве элементной базы для силовой части разрабатываемого РКЭ рекомендуются быстродействующие силовые диоды се рии EMCONTM и диоды Шоттки, полевые транзисторы с изолированным за твором - Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET), биполяр ные транзисторы с изолированным затвором Insulated Gate Bipolar Transistor (ГСВТ) и высоковольтные MOSFET ( COOL MOS™ ). Во второй главе разработана математическая модель силовой части РКЭ в составе однофазной локальной СЭС.
На основе метода усредненного пространства состояний разработана и исследована математическая модель силовой схемы РКЭ. Получены основные характеристики силовой схемы РКЭ, позволяющие оценить энергетические . процессы в РКЭ, определить диапазоны рабочих режимов. Проведена количе ственная оценка загрузки активных и пассивных элементов силовой схемы
РКЭ. Получены зависимости, характеризующие рабочие режимы элементов. Проведен анализ составляющих потерь мощности и их долевой вклад в снижение КПД. Даны рекомендации по выбору основных элементов силовой части РКЭ и значениям их параметров.
В третьей главе разработана система управления РКЭ, позволяющая стабилизировать напряжение на значительно изменяющейся нелинейной нагрузке, поддерживать заданную форму тока, потребляемого нагрузкой, и (при необходимости) компенсировать высшие гармоники тока, имеющиеся в СЭС. Для этого:
• проанализированы задачи, которые должна решать система управления (СУ) разрабатываемого РКЭ, проведен анализ известных методов и устройств управления РКЭ;
• разработана линеаризованная математическая модель силовой части РКЭ как объекта управления;
• синтезирована замкнутая структурная схема РКЭ;
• проведен выбор контролируемых параметров;
• определены варианты построения системы контроля и звенья системы управления, обеспечивающие достижение требуемых характеристик РКЭ:
• определены параметры регулятора {звена замкнутого цикла) и корректора (звена разомкнутого цикла);
• определены рабочие точки и диапазоны изменения параметров;
• рассмотрены условия обеспечения требуемой внешней характеристики ККМ и его инвариантности к возмущениям;
• рассмотрено применение адаптивного принципа управления к РКЭ, разработана идеология построения адаптивной системы управления (АдСУ), описан процесс адаптивной настройки;
• синтезирована структурная схема системы компенсации мощности искажений и коррекции коэффициента мощности, использующей АдСУ;
• проведено численное моделирование работы АдСУ для случая соизмеримых мощностей источника и потребителей. В четвёртой главе приведены результаты численного и физического моделирования работы РКЭ.
Рассмотрены вопросы схемотехнической реализации некоторых основных узлов РКЭ. Разработан алгоритм численного моделирования РКЭ с использованием известных программных продуктов. Проведено численное исследование РКЭ (реализация на ЭВМ математических моделей, полученных ранее) и приведены его результаты. Описана физическая модель РКЭ и приведены результаты её экспериментального исследования. В приложениях приведены: Приложение 1, Современная элементная база силовой электроники. Приложение 2. Моделирование силовой части РКЭ Приложение 3. Синтез системы управления Приложение 4. Численное и физическое моделирование Приложение 5. Сокращения терминов и обозначения величин В заключении сформулированы наиболее важные результаты исследований и основные выводы по работе.
На защиту выносятся;
1. Результаты анализа современного состояния источников вторичного электропитания и устройств регулирования качества электроэнергии.
2. Математическая модель силовой части РКЭ в составе однофазной локальной СЭС, полученная на основе применения метода усреднённого пространства состояний.
3. Рекомендации по определению основных параметров РКЭ и по выбору его элементов.
4. Линеаризованная математическая модель силовой части РКЭ, применяемая для синтеза системы управления РКЭ,
5. Принцип построения и структурная схема системы управления РКЭ.
6. Методики моделирования и разработки РКЭ.
7. Результаты численного исследования и физического моделирования РКЭ. Ц Научная новизна работы:
1. Разработана математическая модель силовой части РКЭ в составе однофазной локальной СЭС.
2. Разработана линеаризованная математическая модель силовой части РКЭ, применяемая для синтеза системы управления РКЭ.
3. Разработан принцип построения и алгоритм функционирования системы управления РКЭ, позволяющий достичь новых свойств РКЭ.
. Практическая значимость работы:
1. Разработана структурная схема системы управления РКЭ.
2. Выработаны рекомендации по определению основных параметров РКЭ и по выбору его элементов.
3. Сформулированы методики моделирования и разработки РКЭ.
4. Проведены теоретические и экспериментальные оценки характеристик РКЭ.
ш Научная новизна и практическая значимость подтверждаются:
- использованием традиционных методических принципов современной науки и известных методов анализа и синтеза;
- непротиворечивостью математических выкладок и преобразований;
- отсутствием отрицательных отзывов на доклады и публикации по работе;
- выдачей патента на разработанное устройство;
- актами о реализации основных результатов работы.
Результаты работы докладывались на;
А) научно - технических семинарах:
« кафедры «Электрические, электронные и микропроцессорные аппараты» Южно - Российского государственного технического университета (ЮРГТУ)вапреле2006г.;
А - Армавирского машиностроительного техникума в 2003-2006 гг.; - кафедры физики Армавирского государственного педагогического университета в апреле 2006 года;
- кафедры теоретических основ радиотехники Таганрогского государственного радиотехнического университета (ТРТУ) в 2003-2006 гг.;
Б) научно-технической конференциях:
- ТРТУ в октябре 2005г.;
- Армавирского филиала Кубанского государственного технологического университета в марте 2006 г.
Основные результаты работы опубликованы в:
- 2 статьях в журнале «Промышленная энергетика» (г. Москва) [28, 124].
- 7 статьях в научно-технических сборниках ТРТУ (г. Таганрог) и ЮРГТУ (г. Новочеркасск) [103, 134, 135, 136, 137, 138, 139];
- 1 тезисах доклада в ТРТУ (г. Таганрог) [133].
По материалам работы в июне 2005 г. подана заявка на патент «Источник вторичного электропитания с компенсацией искажений в питающей сети», по которой принято положительное решение ФГУ ФИПС [18].
Основные результаты работы реализованы в:
1. учебном процессе кафедры теоретических основ радиотехники ТРТУ (г. Таганрог);
2. практических и лабораторных работах по дисциплиие «Электротехника» в Армавирском машиностроительном техникуме (г. Армавир);
3. научно-исследовательской работе Научно-исследовательской лаборатории автоматизации приборостроения (г. Таганрог);
4. опытно - конструкторской работе Специального конструкторского бюро испытательных машин (г. Армавир).
Автор выражает благодарность кафедре теоретических основ радиотехники ТРТУ за постоянное внимание к данной работе. Особую благодарность за неоценимую помощь автор выражает к.т.н. Аванесову В.М.
Оденка влияния КИВЭП на работу СЭС и электроприёмников
Режим работы электрической сети характеризуется напряжениями в узлах U:, токами в ветвях / , потерями активной мощности АР. Напряжения в узлах и токи в ветвях не должны выходить из допустимых значений, иначе система электроснабжения не выполняет своих функций. Работа сети с большими потерями мощности если и допустима, то экономически нецелесообразна.
Элементы систем электроснабжения рассчитываются из условий их нагрева номинальным током. При работе КИВЭП с номинальной активной мощностью Рг в однофазной сети, потребляется ток Ja= pjjlJc. Поэтому для
КИВЭП активной мощностью ри при условии неизменного напряжения питания отношение активной мощности к коэффициенту мощности есть величина % постоянная; Уменьшение коэффициента мощности ведет к ухудшению исполь зования питающей сети, а также блоков, узлов и устройств, ее составляющих и изменению режима работы линии электропередачи.
Режимы работы системы электроснабжения определяются мощностями нагрузок электроприёмников и параметрами элементов: продольными сопротивлениями Z = R + jX - rj + j xj и поперечными емкостными проводимо стями Yr bJ (гДе 1 " Длиыа линии, j it, j0, о - удельные параметры). Па рис.1.5 приведена П-образная схема замещения фрагмента системы электроснабжения .[20]. Схема замещения характеризуется сопротивлениями J{ и J{ связи, источника с распределительным устройством (РУ), сопротивлениями / и X„, связи РУ с вводным распределительным устройством (ВРУ) здания (на пример, воздушной линии типа "торсада") и сопротивлениями J(i и X, линий питания электроприёмников, отходящих от ВРУ. Емкостная проводимость яв Первую оценку влияния работы КИВЭП на основные показатели качества электроэнергии (ПКЭ) проведём на примере системы электроснабжения реального офисного здания, оснащенного оргтехникой (компьютерным оборудованием, множительной техникой), светильниками дневного света и дополнительными устройствами (системами охраны, пожарной безопасности, связи, вентиляции и кондиционирования и т.д.) общей мощностью не более 20 кВт на фазу (при питании от трехфазной сети).
На рис.1.6 показана схема замещения системы электроснабжения рассматриваемого офисного здания, представляющая собой частный случай схемы, показанной на рис 1.5.
Рассмотрим влияние электроприёмников здания на основные ПКЭ в СЭС для случаев, когда внутренняя проводка от вводного распределительного устройства (ВРУ) выполнена алюминиевым и медным проводом.
Подавляющее большинство бытовых потребителей имеют невысокий коэффициент мощности (примеры по информации [21] приведены на рис.1.7). На долю устройств, содержащих КИВЭП, приходится 70...80 % потребляемой мощности.
В табл. 1.1 отражены результаты расчетов, полученные по методикам [22, 23] для помещения, подключенного к системе электроснабжения общего назначения медным кабелем «торсада». Значения коэффициентов несинусоидальности тока и напряжения, значения гармонических составляющих, определенные согласно ГОСТ 13109-97 [2], измерялись прибором ЭРИС-КЭ [24, 136 в точках общего присоединения.
Исследования показали ненорму ПКЭ в части коэффициента искажения синусоидальности кривой и коэффициента 3-й гармонической составляющей независимо от материала внутренней проводки здания. На рис. 1.8 отражен спектр напряжения JJ в точке общего подключения - ВРУ, в табл. 1.2 проводится сравнение измеренных значений ПКЭ с требованиями ГОСТ 13109-97.
Отмечается существенное увеличение значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения (12,9% при требовании 8%) и значения третьей гармоники (12,6% при требовании 5%) на вводных зажимах здания; значения ПКЭ на зажимах ЭП внутри здания еще хуже.
Отсюда можно сделать вывод, что во многих реальных ситуациях ПКЭ выходят за установленные нормальные пределы, и для исправления положения необходимы КИВЭП, которые не только корректируют собственный коэффициент мощности, но и улучшают картину по искажениям в целом в системе.
Искажения формы напряжения [/,на отходящих шинах РУ и напряжения U2 на вводных шинах здания (рис.1.9) обусловлены потерями в кабеле «торса-да» и импульсным характером нагрузки. Виновниками в этом случае являются потребители с нелинейной переменной нагрузкой [2, 25] - компьютеры и т.н. Рис.1.9 Кривые напряжений на выходе источника и на вводных шинах офисного здания Аналогичные результаты показал ещё один эксперимент по измерению ПКЭ, проведённый в 2004 году в одном из учреждений г. Краснодара. Для измерений использовался прибор «Ресурс - UF2M», который в ряду основных показателей определял: отклонение питающего напряжения; величину активной и реактивной мощности; коэффициенты несину сои дальности фазных на
Формирование системы уравнений, описывающей процессы в силовой части РКЭ
Для формирования системы уравнений для силовой схемы РКЭ в течение
периода ТШ[Ш широтно - импульсной модуляции (ШИМ) введём два рабочих квазистационарных интервала времени: интервал «замкнуто» длительностью , когда происходит накопление электроэнергии в дросселе др и расХод энергии из конденсатора С в нагрузку; интервал «разомкнуто» длительностью i_«7, когда происходит рекуперация электроэнергии из индуктивного накопителя в емкостной элемент и её расход в нагрузку; при этом и +t\-a шим Эти интервалы времени определяются полярностью входного фазного напряжения и состояниями полностью управляемых вентилей.
Для составления схем замещения введём также величину о" относительной длительности открытого состояния силового транзистора и закрытого состояния силового диода (коэффициент заполнения импульсов ЯШМ) и величину 1-а относительной длительности закрытого состояния силового транзистора и открытого состояния силового диода (эти величины имеют смысл как для по ложительной, так и для отрицательной полярности входного фазного напряжения иф).
В зависимости от полярности входного напряжения возможны различные состояния силовой схемы РКЭ. На рис.2.3 показаны цепи протекания тока на интервале накопления электроэнергии в накопителях и на этапе рекуперации электроэнергии в нагрузку для положительной и отрицательной полярности фазного напряжения. Схема замещения силовой схемы РКЭ для режима непрерывного тока дросселя на интервале времени f приведена на рис.2.4. Аналогичная схема приведена для интервала времени м-о- на рис.2.5.
В приложении 2.3 для схем замещения силовой части РКЭ в составе СЭС на интервалах времени и f сформированы две системы уравнений, описывающих их работу. В матричной форме они имеют вид:
Таким образом, для каждой из линеаризованных схем замещения составлены системы линейных дифференциальных уравнений состояния и уравнений измерения в матричной форме. В этих системах уравнений для. интервалов времени fts и 1 _а содержатся переменные величины \г и цп, которые необходимы
для получения в дальнейшем конечной модели РКЭ [54]. Каждая из систем уравнений описывает систему преобразования электроэнергии с учетом особенностей питающей сети и влияющих факторов на временных интервалах, соответствующих состояниям (открыто или закрыто) вентильных элементов.
Для получения одной системы уравнений состояния, эквивалентной для одного рабочего цикла двум исходным системам, методом усреднения переменных состояния использованы относительные длительности О" и 1 - СУ обоих интервалов времени (относительные коэффициенты заполнения ШИМ).
Приведение уравнений к единому виду состоит в том, что однотипным уравнениям исходных систем ставится в соответствие одно уравнение повой системы, которое записывается с использованием коэффициентов заполнения а и l-o" в следующем обобщенном виде:
После применения данного принципа ко всем уравнениям двух систем получена осреднеиная система уравнений состояния:
В этой системе уравнений нестационарной при переключениях силовой схемы является только матрица А(с) как функция коэффициента заполнения. Полученная система уравнений не является линейной, поскольку в выражения входят произведения переменных вектора возмущении и относительной длительности вр менных интервалов состояний системы. Рассматриваемая система записана относительно мгновенных значений всех входящих в нее переменных, хотя для практических целей целесообразно иметь две системы уравнений - по основе x(f) и по пульсации х(7), причем \x(t)[ x(t) « 1. Поскольку малосигнальные составляющие (пульсации) незначительны, любым произведением этих переменных можно пренебречь в силу порядка малости.
С учетом вектора переменных состояния X получена модель измерений, т.е. выражения для определения напряжений в точках общего присоединения, на распределительном устройстве и в точке подключения РКЭ, а также для непосредственно контролируемых параметров при управлении РКЭ - входного тока РКЭ \г и напряжения на его нагрузке цн.
В матричной форме модель измерений имеет вид: Объединяя уравнения состояния (2.6) и уравнения модели измерения (2.11) в одну систему, по методу усредненного пространства состояний получаем математическую модель локальной системы электроснабжения с РКЭ:
На основе полученной системы (2,13) рассмотрим основные энергетические соотношения в силовой части РКЭ и системе электроснабжения для определения области нормального функционирования и обеспечения коррекции коэффициента мощности и компенсации искажений.
Определение основных энергетических соотношений в силовой части РКЭ проводится далее с учетом принятого допущения Т1!1т!«Т0«Т!1С [59], т.е. за период ШИМ входное напряжение РКЭ (/) не изменяется (является квазистационарным) и его мгновенное (неизменное на квазистационарном интервале) значение равно W(j (/) = JJim $m{it).
Найдём зависимость для управляемой величины - для коэффициента заполнения с С целью упрощения вывода этой зависимости и снижения объема вычислений примем допущение, что все остальные потребители отключены от системы электроснабжения (рнс.2.6а,б), т.е.
На интервале времени ta накопления электроэнергии в дросселе jjiu при любой полярности входного напряжения РКЭ цп{1) к индуктивному элементу входной цепи РКЭ (состоящему из дросселя фильтра и индуктивной составляющей полного сопротивления петли «фаза-нуль») приложено напряжение:
Определение параметров системы управления
Корректор реализует управление по возмущению. В статическом режиме (когда возмущения со стороны нагрузки отсутствуют) РКЭ по отношению к ведущему сигналу представляет собой пропорциональное звено. Его коэффициент передачи в статическом режиме найдем при предельном переходе в матричной форме (3.30) записи состояния системы к её установившемуся состоянию:
Полученное матричное выражение является важным условием для выбора режимов работы (рабочих диапазонов изменения переменных) РКЭ но управлению (по ведущему сигналу) и по отклику (по входному току РКЭ или по выходному напряжению РКЭ). Равенство ранга матрицы Qb. — LA.„tJ A„0B,J порядку характеристического уравнения системы позволяет обеспечить главное нужное свойство РКЭ: отслеживание произвольной (в общем случае) формы тока при неизменном выходном напряжении РКЭ, т.е. обеспечить режимы слежения и стабилизации.
Коэффициенты передачи корректора щи, т 2 и щи приняты равными I (т.е. предполагается, что корректор без изменений передает в силовую схему значения питающего напряжения, тока нагрузки и ведущего сигнала). Остальные коэффициенты, за исключением щ3 и jfii2, приняты равными нулю (иными словами, входное напряжение и ток нагрузки лишены воздействия со стороны друг друга и ведущего сигнала). С учетом принятых значений коэффициентов корректора получена следующая запись матрицы М:
Определим диапазоны слежения за входным током РКЭ /Д/ ) и выходным напряжением (напряжением на нагрузке} ц (р), исходя из минимальных и максимальных значений заданных значений входного тока и выходного напряжения, определяемых малосигнальными отклонениями Д/.(;?) и Д (р). Определим коэффициенты передачи РКЭ по току и напряжению fcrU через их амплитудные значения: $ uii -амплитудное значение напряжения задающего сигнала (5 В).
Корректор по аналогии с регулятором представляє-]- собой линейную комбинацию усилительных звеньев (передаточных коэффициентов), связывающих выход и вход. Анализируя структурную схему корректора, заметам следующее. Отклонения входного напряжения Де и тока нагрузки Д без изменений и без взаимного перекрестного влияния передаются в силовую схему преобразователя. Но при формировании сигнала задания $ХР) целесообразно учитывать такое влияние, чтобы достичь инвариантности к внешним возмущениям, Такой подход существеино упрощает структуру корректора, т.к. часть его коэффициентов передачи обнуляется, а некоторые коэффициенты принимаются равными единице.
Рассматривая вариашы отслеживания одной из выходных координат РКЭ (входного тока /Д/) или выходного напряжения uji) РКЭ), определим условия отслеживания для каждой из выходных координат с учетом коэффициентов передачи РКЭ. Эти условия выполняются при равенстве третьего элемента правого столбца матрицы \Уп(/0М и коэффициента передачи РКЭ по входному току fcnl, или выходному напряжению у„(0- Отсюда может быть найдено значение
Система управления преобразователя упрощается при переходе от комбинированной к эквивалентной замкнутой системе. Коэффициенты передачи, связывающие ведущий сигнал, отклонение входного напряжения, ток нагрузки и переменные состояния, с учетом значений элементов обратной матрицы корректора преобразуются в вектор Q:
Этот вектор определяет коэффициенты передачи по отклонению и по возмущению. Отметим, что структурные преобразования от комбинированной к эквивалентной замкнутой системе несколько изменяют коэффициент передачи прямой ветви, и, как следствие, величину порогового напряжения. Это приводит к существенному увеличению частоты переключения вентильных элементов и увеличению динамических потерь. Преодоление названного противоречия лежит в выборе такого значения коэффициента пропорциональности полинома стандартной формы , который обеспечит равенство щу= - Объединим выражения для характеристического уравнения (3.33) и установившегося состояния (3.34) в одну систему уравнений соответственно дли тока входной цепи РКЭ и выходного напряжения РКЭ:
Полученная система уравнений является базовой для определения параметров регулятора. Решением системы является матрица коэффициентов передачи регулятора R и значение коэффициента пропорциональности полинома стандартной формы fc .
Для обеспечения требуемого положения рабочей точки для коэффициента заполнения Q-a определим значение SeQ ведущего сигнала в рабочей точке.
Его отыскание проведем исходя из следующих соображений. В рассматриваемом РКЭ реализуется режим релейного следящего переключения в окрестности рабочей точки; РКЭ является системой с глубокой обратной связью, поэтому сигнал обратной связи для рабочей точки gt0 должен скомпенсировать ведущий сигнал $ (сигнал задания _0). Отсюда:
Последнее уравнение является уравнением для определения рабочей точки РКЭ и характеризует установившийся номинальный режим. Физически это можно пояснить следующим образом. В РКЭ обеспечивается установившийся номинальный режим в случае, если отсутствуют возмущения со стороны питающей сети (на вход РКЭ поступает постоянное напряжение, значение которого равно среднеквадратичному значению сетевого напряжения), а сопротивление нагрузки учтено при расчете регулятора. В этом режиме выходные координаты для входного тока и выходного напряжения соответствуют рабочей точке.
Анализируя системы уравнений для отслеживания во времени выходного постоянного напряжения МД/) и входного тока /ДО, определим требования к ведущему сигналу дД/).
В следящих преобразователях электроэнергии формы ведущего сигнала и выходной координаты обычно совпадают [66, 67]. Рассмотрим формат ведущего сигнала дД/) и сигналов возмущения со стороны питающей сети Д ДО и нагрузки Д/ДО
Физическое моделирование регулятора качества электроэнергии
Строго говоря, вопросы схемотехнического проектирования и разработки физических моделей не относятся к научным задачам.. Однако без их решения невозможно провести экспериментальные исследования физических моделей, т.е. выполнить важнейший этап верификации полученных ранее результатов. Поэтому коротко рассмотрим основные предпосылки и принципы, положенные в основу разработанных физических моделей РКЭ. 1. Элементная база (особенно - силовой части) макета РКЭ должна быть доступна, широко распространена и перспективна. 2. Конструкция модуля силовой части РКЭ должна быть достаточно проста и должна позволять легко заменять её основные элементы, а также изменять в достаточно широких диапазонах такие параметры, как частоту ШИМ, мощность подключаемой нагрузки, параметры локальной СЭС и др. 3. Система управления РКЭ в связи со сложностью алгоритма её работы должна быть реализована в виде программы на ЭВМ. 4. Значительное внимание должно быть уделено вопросам сопряжения модуля силовой части с ЭВМ (датчикам тока и напряжения, аналого - цифровым и цифро - аналоговым преобразователям, драйверам). Рассмотрим состав экспериментальной установки, требования к её элементам и технические решения основных блоков и узлов физических макетов. Разработанная экспериментальная установка состоит из макетов силовой части, системы контроля, системы управления и устройств аппаратного и алгоритмического сопряжения ЭВМ с преобразовательным модулем. Внешний вид экспериментальной установки приведен на рис.4.14: А) Система контроля Измерение и контроль показателей качества электроэнергии (ПКЭ) на входе и выходе РКЭ производится для целей: обеспечения заданных значений ПКЭ на выходе преобразователя; оценки реальных значений ПКЭ в точке подключения преобразователя (точке общего присоединения); установления оптимальных режимов работы основных элементов РКЭ. Основной сложностью построения системы контроля за мгновенными значениями токов и напряжений является отсутствие общих точек подключения неизолированных измерительных датчиков. В цепи постоянного тока могут использоваться либо шунты, либо датчики Холла. В рассматриваемом случае используются шунты. В цепях переменного тока указанная задача традиционно решается с использованием прецизионных измерительных трансформаторов. В настоящее время измерительные трансформаторы имеют погрешность преобразования в пределах 0,1...0,3 % в диапазоне частот до 2,0 кГц [96, 97] и широко используются в приборах учета электроэнергии класса 2,0 [98... 100]. Рассматриваемые трансформаторы тока (ТТ) конструктивно достаточно просты, представляют собой тороидальный сердечник с намотанной вторичной обмоткой. В качестве первичной обмотки используется шина токопровода, через которую протекает измеряемый ток.
На рис.4.15 приведен фрагмент принципиальной электрической схемы датчика тока, рекомендуемый фирмой «Analog Devices» для приборов учета электроэнергии, Экспериментальные исследования такого устройства показали, что в полосе частот до 6 кГц датчик тока имеет практически линейную АЧХ при относительной ошибке преобразования тока в напряжение (0,]...0,5) % в диапазоне токов до 50 А.
Аналогично выполнен датчик входного переменного напряжения (рис.4.16). Для улучшения помехоустойчивости может применяться трансформатор напряжения (Ш) со средней точкой (рис.4.166).
Во всех схемах использования измерительных трансформаторов необходимо добиться согласования режима работы по мощности нагрузки вторичной обмотки ]{и. В противном случае возникает существенная угловая погрешность, приводящая в конечном итоге к фазовому рассогласованию между кривыми ведущего сигнала и тока в дросселе РКЭ. Б) Макет силовой части (преобразовательного модуля) Для исследования процессов функционирования следящей системы управления был разработан и изготовлен макет преобразовательного модуля, функциональная схема которого приведена на рис.4.17 Макет силовой части имеет следующие параметры: установленная выходная мощность - 250...3200 Вт; напряжение на входе () - 190...240 В, 50 Гц; напряжение на выходе (ин) - 360...420 В; диапазон измеряемых токов датчиков тока ДТ1 и ДТ2 системы контроля (амплитудное значение) - 0...50 А; коэффициент преобразования датчиков - 40 мВ/А;
