Содержание к диссертации
Введение
1 Современные аспекты обеспечения качества электрической энергии в распределительных сетях 10
1.1 Проблема качества в системах электроснабжения 10
1.2 Средства повышения качества электрической энергии 21
1.3 Методы определения справочного сигнала в системах управления устройств обеспечения качества электроэнергии 29
1.4 Основные методы управления силовыми ключами устройств обеспечения качества электроэнергии 36
Выводы по первой главе 45
2 Разработка компенсирующего устройства для обеспечения качества электрической энергии 46
2.1 Выбор конструктивной схемы силовой части устройства обеспечения качества электрической в распределительных сетях 46
2.2 Построение математической модели компенсирующего устройства ...50
2.3 Алгоритм определения управляющего воздействия для силовой части компенсирующего устройства 57
Выводы по второй главе 65
3 Моделирование компенсирующего устройства для обеспечения качества электрической энергии 66
3.1 Методика расчета силовой части устройства обеспечения качества электроэнергии 66
3.2 Выбор среды моделирования компенсирующего устройства обеспечения качества электроэнергии 72
3.3 Построение модели системы электроснабжения и многофункционального устройства обеспечения качества электроэнергии в среде MATLAB 74
3.4 Исследование качества электроэнергии в различных режимах работы модели компенсирующего устройства 82
Выводы по третьей главе 90
4 Исследование качества электрической энергии в распределительных сетях 92
4.1 Разработка и расчет основных конструктивных элементов физической модели устройства обеспечения качества электрической энергии 92
4.2 Проведение испытаний компенсирующего устройства для обеспечения качества электроэнергии в различных режимах нагрузки 97
4.3 Оценка полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем 98
Выводы по четвертой главе 100
Заключение 101
Список использованных источников
- Методы определения справочного сигнала в системах управления устройств обеспечения качества электроэнергии
- Построение математической модели компенсирующего устройства
- Выбор среды моделирования компенсирующего устройства обеспечения качества электроэнергии
- Проведение испытаний компенсирующего устройства для обеспечения качества электроэнергии в различных режимах нагрузки
Методы определения справочного сигнала в системах управления устройств обеспечения качества электроэнергии
В современных условиях одним из показателей развития электроэнергетики является качество электрической энергии, которое обуславливает нормальное функционирование электрооборудования, приборов и аппаратов. К тому же в последнее время появляется все больше электриприемников и потребителей, которые предъявляют повышенные требования к качеству электрической энергии [1-4].
Снижение качества электроэнергии приводит к различным отрицательным последствиям. Среди которых следует выделить: снижение эффективности процессов производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии вследствие дополнительных потерь; создание дополнительных потерь электроэнергии в основных элементах систем электроснабжения; ускоренное старение изоляции электрооборудования; ложная работа устройств релейной защиты и автоматики; функциональные нарушения, связанные с отказами, сокращением срока службы, выходом из строя оборудования, браком продукции и авариями; увеличение погрешности электроизмерительных приборов; повреждения средств защиты и безопасности обслуживающего персонала. Далее рассмотрим основные элементы системы электроснабжения с точки зрения их чувствительности к качеству электрической энергии.
Влияние качества электрической энергии на вращающиеся машины, трансформаторы и линии электропередачи. Наиболее значимым эффектом, обусловленным низким качеством электроэнергии, в электрических машинах и трансформаторах являются дополнительные потери в их обмотках, которые приводят к повышению общей температуры, а также к местным перегревам, что, в свою очередь, сокращается срок службы изоляции и может привести к поражению обслуживающего персонала электрическим током [5-8].
Дополнительные потери электроэнергии в линиях электропередачи также приводят к дополнительному нагреву. В случае кабельных линий эти потери и, как следствие, дополнительный нагрев, воздействуют на диэлектрик. Что, в свою очередь, увеличивает число повреждений кабельной линии. В воздушных линиях по той же причине возможно увеличение потерь на корону [5].
Кроме потерь вследствие нагрева, высшие гармонические составляющие тока и напряжения в электрических двигателях создают вращающие моменты, направленные противоположно основному моменту, но т.к. значение скольжения для токов всех гармоник практически одинаково, относительные вращающие моменты весьма малы, к тому же они частично компенсируются вследствие различного направления. Поэтому влияние их на основной момент мало. Вместе с тем они могут привести к значительной вибрации вала электрической машины.
Влияние качества электроэнергии на ее учёт. Класс точности счётчиков электроэнергии, гарантируемый предприятием-изготовителем, определяется при номинальных условиях: синусоидальном токе и напряжении, а также других параметрах. Но на практике счётчики эксплуатируются в условиях, отличных от номинальных, поэтому наряду основной, появляется дополнительная погрешность, в том числе и от факторов, обусловленным низким качеством электрической энергии. Исследования, представленные в работах [5,7,9] показывают, что индукционные счетчики под влиянием высших гармоник имеют погрешность со смещением в минус, то есть недоучитывают электроэнергию в пользу потребителей. Исследованию погрешности электронных счётчиков посвящены работы [10,11]. В данных работах показано, что суммарная предельная погрешность электронных счётчиков от низкого качества электроэнергии может достигать трех или четырех кратного увеличения, по сравнению с основной погрешностью счётчика.
Влияние низкого качества электроэнергии на устройства релейной защиты, автоматики и телемеханики. Ложное срабатывание предохранителей и автоматических выключателей происходит из-за дополнительного нагрева внутренних элементов защитных устройств вследствие низкого качества электроэнергии в узлах нагрузок, обусловленного несинусоидальностью кривой тока. Исследования, проведённые испытательной лабораторией по качеству электроэнергии кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Омского государственного технического университета, показывают, что на практике низкое качество электроэнергии является одним из наиболее значимых факторов, приводящих к ложным срабатываниям автоматических выключателей, выбранных в соответствии с требованиями ПУЭ [12]. Кроме того, если не снижать уровень гармоник, то вероятность ложной работы релейной защиты значительно увеличивается [2,13].
Низкое качество электрической энергии в системах электроснабжения может также являться причиной возникновения помех в сетях телекоммуникаций [2,7,13]. Из вышесказанного вытекает необходимость обеспечения качества электрической энергии в распределительных сетях электроэнергетических систем. Рассмотрим методы оценки дополнительных потерь в элементах ЭЭС от несимметрии и несинусоидальности тока и напряжения в различных элементах систем электроснабжения.
Построение математической модели компенсирующего устройства
В настоящее время все способы снижения несимметрии и несинусоидальности кривой тока и напряжения в распределительных сетях можно разделить на две группы: схемные решения и применение специальных технических средств. К схемным решениям можно отнести рациональное построение сети, которое включает в себя: увеличение установленной мощности силовых трансформаторов систем электроснабжения; применение разделительных трансформаторов с обмотками «треугольник-звезда» позволяет эффективно бороться с гармониками, кратными третьей, при сбалансированной нагрузке. Для ослабления влияния несимметрии нагрузки по фазам и уменьшения тока, протекающего в нейтральном проводе, применяют зигзагообразную систему обмоток, где вторичная обмотка каждой фазы разбита на две части и размещена на разных стержнях магнитопровода трансформатора. выделение крупной нелинейной нагрузки на отдельные секции шин; равномерное распределение однофазных электроприемников по фазам, а для трехфазных четырехпроводных систем — уменьшение сопротивления токам нулевой последовательности; У подключение нелинейной нагрузки к системе с большей мощностью короткого замыкания SK3 Выше перечисленные способы должны использоваться как на этапе проектирования, так и на этапе эксплуатации электроэнергетических систем.
В качестве специальных технических средств, применяются специальные симметрирующие устройства и комплексные, например, фильтросимметрирующие устройства. Существующие способы снижения несимметрии напряжения в трехфазных системах заключаются в создании пульсирующей мощности, вектор которой, равен по величине и противоположен по фазе вектору пульсирующей мощности сети. Тогда сумма этих векторов будет равна нулю, что и соответствует работе сети в симметричном режиме.
Все существующие симметрирующие устройства можно разделить на две группы: с электрическими и электромагнитными связями. В [23] проведен анализ достоинств и недостатков данных схем, а также областей их применения. Одноэлементные симметрирующие устройства могут обеспечить высокий КПД и высокий coscp, но только один из этих параметров одновременно. Двухэлементные симметрирующие устройства, известные как схема Штейнмеца, имеют следующие недостатки: невозможность бесконтактного управления емкостью без увеличения (до 1,73 мощности нагрузки) установленной мощности элементов симметрирующего устройства; недоиспользование мощности симметрирующих элементов;
У наличие двух регулируемых элементов и сложность управления ими, если нагрузка не чисто активная и изменяется в некотором диапазоне. Наиболее гибкими и универсальными являются трехэлементные симметрирующие устройства, которые позволяют симметрировать напряжение с заданным coscp нагрузки. Недостатки этих схем: низкий коэффициент использования оборудования; увеличение числа регулируемых элементов до трех усложняет и снижает надежность.
В симметрирующих устройствах с электромагнитными связями установленная мощность симметрирующих элементов выбирается минимальной и равной установленной мощности нагрузки, а соответствующим переключением гайки автотрансформатора можно осуществить симметрирование нагрузки с изменяющимся cosip.
Во многих случаях, исходя из условия обеспечения допустимого стандартом коэффициента несимметричности напряжения, производят частичное симметрирование. Неполное симметрирование режима электрической сети особенно эффективно в сетях со случайным образом изменяющейся по фазам несимметрией (дуговые печи, сварочные установки и др.).
Наиболее широкое применение среди технических средств, снижающих уровень высших гармоник в системах электроснабжения, получили СТАТКОМ, пассивные, гибридные и активные фильтры. Пассивные фильтры используются для обеспечения синусоидальности тока и напряжения в системах электроснабжения, они выполнены на основе индуктивных и ёмкостных элементов. Принцип фильтрации пассивных фильтров основан на зависимости сопротивлений их элементов от частоты протекаемых в них токов и, на использовании явлений резонанса в последовательных и параллельных цепях, содержащих такие конденсаторы и реакторы. Пассивные фильтры различаются по схемотехническому исполнению и частотным характеристикам.
Имея минимальное сопротивление на частоте настройки, такие пассивные фильтры шунтируют токи высших гармоник, генерируемые нелинейной нагрузкой. В результате токи высших гармоник, не попадают в питающую сеть.
В зависимости от схемы, пассивные фильтры, параллельного типа, могут быть, настроены па одну или несколько отдельных частот высших гармоник, а также осуществлять фильтрацию в полосе частот (широкополосные фильтры). Наиболее распространенными являются простые одночастотные фильтры, при этом часто их объединяют в группы, фильтрующие несколько гармоник, например, 5, 7, 11, 13 гармоники [5].
Пассивные фильтры обладают рядом недостатков: возможность перекомпенсации при мощности потребителя ниже установленной и недокомпенсации при увеличении потребляемой мощности выше номинального значения, т.е. эффективность пассивных фильтров ограничена за счёт постоянной установленной мощности и невозможности слежения изменений процессов сети. Также к недостаткам можно отнести большую потребляемую мощность и высокие массогабаритные показатели. Указанные недостатки не позволяют применять пассивные фильтры более широко [24].
Развитие теории и практического использования методов активной фильтрации позволило управлять параметрами пассивных фильтров. Целесообразность практического применения методов активной фильтрации для этих целей становится очевидной, если принять во внимание те обстоятельства, что чисто активные силовые фильтры имеют большую установленную мощность элементов, т.к. рассчитаны на работу при напряжениях и токах, максимальные значения которых определяются полной мощностью нелинейной нагрузки, генерирующей высшие гармонические составляющие тока и напряжения. Поэтому высокая стоимость активных фильтров ограничивает их применение. Кроме того, пассивные фильтры не требуют создания новых технологий для их изготовления и входят в состав практически всех эксплуатируемых энергосистем. Фильтр, выполненный на основе пассивного фильтра с активной частью, подобной активному фильтру, в отечественной технической литературе принято называть гибридным [25— 30].
Выбор среды моделирования компенсирующего устройства обеспечения качества электроэнергии
Перед началом моделирования, необходимо определить основные параметры силовой части устройства обеспечения качества электроэнергии. Для правильного выбора параметров элементов силовой части целесообразно учитывать взаимосвязь этих параметров между собой. Так, например, для выбора силовых полупроводниковых элементов следует знать фазные амплитудные значения тока и напряжения компенсирующего устройства, а так же учитывать частоту коммутации и температуру кристалла, которая зависит от используемого охладителя. В свою очередь частота коммутации, напряжение на dc-шине компенсирующего устройства и величина индуктивности фильтрующего дросселя определяют качество фильтрации кривой тока нагрузки. Значения индуктивности дросселя, напряжение сети, максимальная величина тока компенсирующего устройства, а так же использующийся метод модуляции определяют напряжение на стороне постоянного тока. Величина напряжения на стороне постоянного тока, ток компенсирующего устройства и частота коммутации определяют величину тепловых потерь в силовой части, параметры и тип использующейся системы охлаждения. Таким образом, рабочее значение тока силовых полупроводниковых элементов, частота коммутации, напряжение на dc-шине и другие параметры устройства обеспечения качества электроэнергии являются взаимосвязанными, что приводит к необходимости использования итерационных методов расчёта и выбора этих параметров.
Блок-схема методики расчета параметров силовой части компенсирующего устройства компенсирующего устройства, при следующих допущениях: падение напряжения в силовой части незначительно; активное сопротивление фильтрующего дросселя и накопительного конденсатора незначительно. Сформированная методика включает в себя девять этапов. Реализация отдельных этапов базируются на известных соотношениях: 2 этап -уравнение (3.1) [24]; 3 этап - уравнения (3.2 - 3.4) [25]; 4 этап - уравнение (3.5) [43]; 6 этап -уравнения (3.5 - 3.16) [39]. 1 этап. Необходимо произвести расчет энергетических характеристик компенсирующего устройства, с учетом рекомендаций изложенных в [91]. 2 этап. На данном этапе выбирается напряжения dc-шины компенсирующего устройства. Напряжения на стороне постоянного тока зависит от максимального фазного напряжения компенсирующего устройства. При использовании векторной модуляции соотношение между максимально возможной амплитудой фазного напряжения компенсирующего устройства и напряжением на стороне постоянного тока в линейном диапазоне модуляции равно 0,578. Максимальное фазное напряжение максимально в режиме генерации реактивной мощности, и равно сумме напряжений сети и падения напряжения на дросселе (при условии, что падение напряжение на дросселе 20%), что составляет 120% от напряжения сети. Так же необходимо учесть запас 10% из-за пульсации напряжения на конденсаторах и возможной разрядке конденсаторов в переходных режимах работы. Перечисленные обстоятельства дали возможность в работе [24] для нахождения напряжения на dc-шинах компенсирующего устройства использовать соотношение
Необходимо произвести расчет и выбор полупроводниковых ключевых элементов силовой части компенсирующего устройства. В компенсаторах небольшой мощности (до 10 MB-А) и напряжением (до 10 кВ), обычно используются в качестве ключевых элементов биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT-транзистор). Достоинством IGBT-транзисторов является низкие потери при коммутации и возможность использования без цепей формирования траектории переключения, что уменьшает сложность конструкции преобразователя и относительно небольшая мощность драйвера управления.
Тепловые потери, выделяющиеся в силовой части компенсирующего устройства, приводят к повышению температуры кристаллов полупроводников, поэтому отвод этого тепла должен обеспечить радиатор. Для дальнейшего выбора системы охлаждения необходимо рассчитать максимально допустимую выделяемую температуру. Для обратного диода IGBT-транзистора расчёт осуществляется независимо от транзистора, так как считается, что обратный диод имеет своё тепловое сопротивление «кристалл-корпус», отличное от теплового сопротивления транзистора.
В описании к транзистору приводятся значения теплового сопротивления «кристалл-корпус» и «корпус-радиатор», характеризующие способность ключа рассеивать тепловую мощность. Используя эти данные можно рассчитать максимально допустимую температуру кристалла и корпуса транзистора.
Выбираем критичную температуру - это наименьшая допустимая температура корпуса модуля. Тогда максимальная допустимая температура радиатора где Tm(igbt_vd) критичная температура корпуса модуля; Rmod(c-s) - тепловое сопротивление «корпус модуля - радиатор». 7 этап. Определяется коэффициент искажения тока компенсирующего устройства. При этом используются значения: напряжения на dc-шине, индуктивность дросселя, частота коммутации силовых ключей. Расчет качества генерации тока компенсатора осуществляется при помощи математической модели компенсирующего устройства. Для оценки коэффициента гармонических искажений тока используется преобразование Фурье для определения содержания высших гармоник тока на частоте коммутации.
8 этап. По результатам шестого этапа производиться выбор системы охлаждения силовых ключей компенсирующего устройства. Охладитель можно выбрать из каталога по указанной максимально допустимой выделяемой температуре.
9 этап. Выбираются конденсаторы на стороне постоянного тока. В соответствии с Главой 2 емкость конденсаторов на dc-шине должна удовлетворять условию (2.29).
Максимальное рабочее напряжение конденсатора должно превышать номинальное напряжение dc-шины в 1,3-4,5. Исходя из этих условий, выбираем соответствующий электролитический конденсатор.
Проведение испытаний компенсирующего устройства для обеспечения качества электроэнергии в различных режимах нагрузки
В целом проведённый анализ работы виртуальной модели трёхфазного четырехпроводного компенсирующего устройства демонстрирует корректность и эффективность работы данного устройства во всех смоделированных режимах. Коэффициент искажения синусоидальности кривой тока после включения компенсирующего устройства снижается в среднем до уровня 1%, а несимметрия тока нагрузки компенсируется полностью, что говорит об эффективности разработанной системы управления.
Далее ставится задача проверки эффективности работы системы управления компенсирующего устройства на реальной физической модели и при реальной нагрузке.
Предложена методика, основанная на итерационных методах расчета, позволяет выбрать основные параметры силовой части устройства обеспечения качества электроэнергии с учетом взаимосвязей между ними. 2 Построена виртуальная модель компенсирующего устройства и его системы управления в приложении Simulink программного комплекса MATLAB.
Построена виртуальная модель системы электроснабжения, позволяющая моделировать различные режимы нагрузки: не изменяющаяся во времени нелинейная нагрузка, изменяющаяся во времени нелинейная нагрузка, изменяющаяся во времени нелинейная несимметричная нагрузка. Данная виртуальная модель позволяет проверить основные теоретические положения, выдвинутые при разработке системы управления компенсирующим устройством, а также оценить качество фильтрации кривой тока при различных возмущающих факторах со стороны нагрузки.
Исследованы параметры качества электрической энергии в различных смоделированных режимах нагрузки. В рассмотренных режимах коэффициенты искажения синусоидальности кривой тока, несимметрии тока по обратной последовательности и по нулевой последовательности после включения компенсирующего устройства снижается до допустимых значений, что указывает на эффективность работы предложенной системы управления силовой частью устройства обеспечения качества электроэнергии в узлах нагрузок
Для уточнения принципов работы и экспериментальной проверки эффективности повышения качества электроэнергии и компенсации реактивной мощности был создан лабораторный макет на напряжение 100 В, мощностью 500 Вт, исходя из имеющихся на момент сборки IGBT транзисторов. Макет состоит из силовой части и платы управления.
Компенсирующее устройство представляет собой преобразователь с четырьмя плачами на полностью управляемых силовых полупроводниковых ключах с импульсной модуляцией на частоте 20кГц, включенный параллельно с источником напряжения питающей сети. Ток подавляемых гармоник инжектируется устройством в питающую сеть в противофазе, в результате чего суммарный ток нагрузки и компенсирующего устройства становится строго синусоидальным. Для управления силовыми ключами используются методы цифровой обработки сигналов (ЦОС), реализованные на специализированном микроконтроллере семейства Piccolo Texas Instruments. Компенсирующее устройство подключено к питающей сети через выходной фильтр (дроссель). Структурная схема компенсирующего устройства обеспечения качества электроэнергии представлена на рисунке 4.1. Рисунок 4.1 - Структурная схема компенсирующего устройства В состав макета компенсирующего устройства входят следующие основные узлы:
На силовой плате установлены: - микросхемы интегральных датчиков тока на эффекте Холла ACS712 для измерения сетевого тока; - датчик напряжения для контроля напряжения сети и синхронизации алгоритмов управления с частотой сети.
На этой плате установлены: - силовые IGBT транзисторы International Rectifier с низким сопротивлением в открытом состоянии оптимизированы на высокую скорость переключений; - микросхема драйвера IR2130 (International Rectifier) для схем управления силовыми транзисторами 3-фазного мостового инвертора; - микросхемы интегральных датчиков тока на эффекте Холла ACS712 для измерения тока; - датчик напряжения в звене постоянного тока; - вторичный источник питания формирующий стабилизированные постоянное напряжения +15В для питания драйвера и платы управления.
На плате управления выполнены: - вторичный источник питания формирующий стабилизированные постоянное напряжения +5В для питания аналоговых узлов и +З.ЗВ для питания микропроцессора; - дифференциальные усилители для нормирования и фильтрации сигналов с датчиков обратных связей; - однокристальный микроконтроллер TMS320F28069 со встроенным программным обеспечением для выполнения задач управления.
Данный микроконтроллер обладает необходимой вычислительной способностью и быстродействием, оснащен необходимым набором аппаратных ресурсов. Архитектура семейства Piccolo специально оптимизирована под задачи цифрового управления и для этих целей оснащена специальными модулями, предназначенными для высоко быстродействующей обработки сигналов. Основой МК является ЦПУ С28х со встроенной поддержкой DSP-инструкций, в частности - операций умножения с накоплением (МАС) 32х32бит. Встроенные ШИМ-контроллеры способны обеспечить управление несколькими силовыми преобразователями, а модуль 12-битного АЦП обеспечивает высокую точность и быстродействие оцифровки аналоговых сигналов.
Преимущества МК Piccolo, направленные на повышение качества конечного решения, в особой степени проявляются при реализации алгоритмов векторного управления, использующихся для реализации активного фильтра.
