Содержание к диссертации
Введение
1. Определение характеристик и параметров ээс с тяговыми нагрузками как объекта контроля качества электроэнергии и составляющих мощности21
1.1 Классификация методов контроля параметров электроэнергии 21
1.2 Анализ ЭЭС с тяговыми нагрузками как объекта контроля качества электроэнергии и составляющих мощности 23
1.3 Экспериментальные исследования составляющих мощности в тяговой сети 31
1.4 Экспериментальные исследования и анализ состояния качества электроэнергии в тяговых сетях переменного тока37
1.4.1 Экспериментальные исследования отклонений частоты в сети тягового электроснабжения 38
1.4.2 Исследование спектральных составляющих напряжений и токов в тяговой сети 41
1.4.3 Интергармоники в сетях электроснабжения железнодорожного транспорта 44
1.5 Выводы 50
2. Обоснование метода учета составляющих мощности в ээс при условиях нелинейности и несимметрии нагрузок52
2.1 Составляющие мощности в ЭЭС с нелинейными нагрузками 52
2.1.1 Классическое определение реактивной мощности при синусоидальных токах и напряжениях 52
2.1.2 Анализ существующих теоретических подходов и определений составляющих мощности в условиях несимметрии и нелинейности нагрузки 55
2.2 Сравнение существующих методов определения составляющих мощности 61
2.2.1 Спектральные методы определения составляющих мощности 62
2.2.2 Интегральные методы определения составляющих мощности 69
2.2.3 Энергопотоковые методы расчета составляющих мощности . 72
2.2.4 Исследование количественных характеристик и анализ методов определения составляющих мощности . 78
2.3 Мощность в трехфазных сетях при несимметричных нелинейных потребителях ЭЭС 81
2.4 Анализ методов и характеристик средств контроля мощности при их работе в цепях с нелинейными нагрузками86
2.4.1 Принципы работы устройств контроля мощности в ЭЭС 87
2.4.2 Существующие способы реализации алгоритмов измерения реактивной мощности в условиях несимметрии и нелинейности приемников ЭЭС 90
2.4.3 Моделирование и оценка методов и средств определения реактивной мощности в условиях нелинейности нагрузки ЭЭС 95
2.5 Лабораторные исследования метода определения составляющих мощности при нелинейных нагрузках 98
2.5 Выводы 103
3. Разработка принципов и устройств контроля составляющих мощности в условиях нелинейности нагрузок106
3.1 Теоретическое обоснование метода адаптивной синхронизации 106
3.2 Реализация системы адаптивной синхронизации на преобразователе координат 111
3.3 Исследование системы адаптивной синхронизации на основе теории автоматического управления 120
3.4 Экспериментальные исследования статических и динамических характеристик системы адаптивной синхронизации129
3.5 Анализ и оптимизация быстродействия системы адаптивной синхронизации . 135
3.6 Принципы построения устройства контроля составляющих мощности 141
3.7 Адаптация системы адаптивной синхронизации к однофазной сети... 147
3.8 Реализация устройства определения составляющих мощности 149
3.9 Выводы 161
4. Разработка методов и средств контроля составляющих мощности в условиях несимметрии нагрузок163
4.1 Показатели несимметрии в ЭЭС при наличии гармонических составляющих сигналов 163
4.2 Метод определения прямой и обратной последовательностей 171
4.3 Реализация метода определения прямой и обратной последовательностей основной частоты 176
4.4 Реализация метода определения прямой и обратной последовательностей высших гармоник179
4.5 Экспериментальные исследования метода контроля последовательностей основной и высших гармоник 181
4.6 Выводы 187
5. Определение частоты питающего напряжения в ээс при наличии помех189
5.1 Обзор и анализ методов измерения частоты . 189
5.2 Определение фазы и частоты сигнала при наличии помех 191
5.3 Разработка метода контроля частоты зашумленного сигнала 197
5.4 Выводы 202
6. Разработка метода спектрального анализа гармонических и интергармонических составляющих сигналов при наличии шумов 204
6.1 Теоретическое обоснование метода спектрального анализа гармонических и интергармонических составляющих 204
6.2 Выбор оконной функции при анализе параметров гармоник и интергармоник 209
6.3 Разработка метода спектрального анализа сигналов в электроэнергетических системах с нелинейными нагрузками 228
6.4. Оценка точности метода спектрального анализа сигналов 239
6.5 Характеристики и методы группирования интергармоник в электроэнергетических системах с нелинейными нагрузками 245
6.6 Анализ разработанного алгоритма спектрального анализа при контроле интергармоник 251
6.7 Выводы 264
7. Принципы построения многофункциональных измерительных комплексов для электроподвижного состава и тяговых подстанций266
7.1 Обоснование технических характеристик приборов контроля ПКЭ в электроэнергетических системах с тяговыми нагрузками 266
7.2 Обоснование структуры многофункционального измерительного комплекса 272
7.3 Разработка структуры многофункционального измерительного комплекса для тяговых подстанций и электроподвижного состава 278
7.4 Разработка программного обеспечения многофункционального измерительного комплекса 283
7.5 Разработка системы оперативного контроля режимов работы и параметров ЭЭС с тяговыми нагрузками 287
7.6 Расчт экономического эффекта от внедрения автоматизированной 289 системы учта электрической энергии на фидерах контактной сети и электроподвижном составе .
7.7 Выводы 298
Основные результаты и выводы 300
Список использованной литературы 303
Приложения 331
- Экспериментальные исследования и анализ состояния качества электроэнергии в тяговых сетях переменного тока
- Анализ методов и характеристик средств контроля мощности при их работе в цепях с нелинейными нагрузками
- Экспериментальные исследования статических и динамических характеристик системы адаптивной синхронизации
- Реализация метода определения прямой и обратной последовательностей высших гармоник
Введение к работе
Актуальность темы. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года на первое место выдвигает вопросы внедрения комплекса энергосберегающих мероприятий. Важнейшей составляющей этого комплекса являются мероприятия по снижению потерь электроэнергии и повышению ее качества.
В последнее время в передовых странах мира, в том числе в России развиваются технологии Smart Grid (интеллектуальные сети), которые рассматриваются как основа модернизации и инновационного развития электроэнергетики.
Новейшие технологии, применяемые в сетях, основанные на адаптации
характеристик оборудования к режимам работы электроэнергетических систем,
активное взаимодействие с генерацией и потребителями позволяют создавать
эффективно функционирующую систему, в которую встраиваются
современные информационно-диагностические системы, системы
автоматизации управления всеми элементами, включенными в процессы производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии. Важнейшей частью интеллектуальных сетей являются измерительные приборы и устройства, включающие, в первую очередь, smart-счетчики и smart-датчики, предназначенные для контроля параметров электроэнергии и диагностики состояния оборудования, основанных на измерениях, производимых в режиме реального времени.
Диссертационная работа посвящена исследованию и разработке методов и средств контроля качества электроэнергии и составляющих мощности, работающих в режиме реального времени, являющихся частью систем управления интеллектуальных сетей. Предложенные научные решения и практические разработки позволяют создавать на их основе современные информационные комплексы, осуществляющие высокоточное определение и синхронизированный сбор режимных параметров в узлах сети в реальном времени и интеграцию полученных данных в единое информационное пространство на базе общих информационных моделей.
Для разработки и внедрения мероприятий по снижению потерь требуется анализ структуры и причин появления составляющих потерь. Появление современных средств контроля параметров электроэнергии позволяет глубже исследовать причины низкого качества электроэнергии, в первую очередь несинусоидальности и несимметрии напряжений и токов, которые обусловлены наличием искажающих нагрузок на электрифицированном транспорте, металлургических и химических производствах.
Автоматизированные системы коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ), внедренные в последнее время на ряде предприятий, позволяют решить вопрос учета электроэнергии. Тем не менее, важным вопросом остается расширение функций анализа состояния электрических сетей, решаемых с помощью анализаторов качества электроэнергии и регистраторов событий в электрических сетях.
Современные счетчики электрической энергии решают вопросы определения реактивной энергии только для синусоидальных сигналов, однако в реальных условиях имеют место искажения формы сигналов напряжения и тока. При этом возникают потери электроэнергии, обусловленные наличием высших гармоник и несимметрией. Вопросы анализа составляющих мощности в таких режимах до сих пор не до конца изучены, в научном сообществе нет единого мнения об оценке процессов в электроэнергетических системах при наличии искажений. Одной из задач диссертационного исследования является обзор и анализ существующих теорий реактивной мощности и разработка метода ее контроля, на основе которого можно определять потери электроэнергии, обусловленные как обменными процессами, так и наличием высших гармоник напряжений и токов.
Значительный вклад в разработку и изучение методов контроля составляющих мощности и снижения потерь электроэнергии внесли Агунов А. В., Баков Ю. В., Бородулин Б. М., Герман Л. А., Демирчян К. С., Дрехслер Р., Жарков Ф. П., Жежеленко И. В., Железко Ю. С., Зиновьев Г. С., Карякин Р. Н., Крогерис А. Ф., Кучумов Л. А., Лурье Е. С., Манусов В. З., Мельников Н. А., Маевский О. А., Пантелеев В. И., Тимофеев Д. В., Хрущев Ю. В., Шидловский А. К., Akagi H., Budenau C., Czarnecki L., Fryze C., Barbaro P., Kusters N., Moore W., Page C., Sharon D.
В настоящее время в дополнение к техническим средствам АСКУЭ
начинают внедряться приборы контроля качества электроэнергии,
устанавливаемые в узлах коммерческого учета. На отечественном рынке предлагается ряд приборов, осуществляющих контроль параметров качества электроэнергии, однако они лишь частично решают этот вопрос.
Современная тенденция развития измерительной техники в
электроэнергетических системах (ЭЭС) состоит в интеграции в одном устройстве большинства измерительных задач. Отсюда следует, что дальнейшим развитием систем контроля электроэнергии является создание многофункциональных измерительных комплексов для контроля параметров сигналов в электросетях (МИК). Указанные устройства должны иметь развитые подсистемы коммуникаций и должны быть включены в сеть передачи и обработки данных. Набор функций МИКа конкретного типа определяется теми задачами, для выполнения которых он предназначен. Использование известных
приборов контроля качества электроэнергии и регистраторов событий в электрических сетях затрудняется специфическими особенностями электроэнергетических систем с тяговой нагрузкой, которые накладывают на приборы контроля качества электроэнергии свои требования.
В этой связи важным вопросом остается расширение функций анализа
состояния электрических сетей, решаемых с помощью анализаторов качества
электроэнергии и регистраторов событий в электрических сетях. В
диссертационной работе в качестве потребителя электроэнергии
рассматривается система тягового электроснабжения.
Целью диссертационной работы является теоретическое обоснование и разработка новых методов, алгоритмов, аппаратных и программных средств контроля и управления качеством электрической энергии, основанных на измерениях её информативных параметров в сетях с нелинейной несимметричной нагрузкой в режиме реального времени.
Задачи исследования.
-
Исследовать и проанализировать электроэнергетические характеристики электропотребления тяговых систем с целью определения основных требований к средствам их контроля и мониторинга.
-
Разработать классификацию, обосновать метод определения составляющих мощности и разработать структуру устройства для его реализации.
-
Разработать метод и алгоритм синхронизации устройства контроля параметров электроэнергии, адаптивный к изменениям частоты в сети, резким скачкам уровня сигналов и искажениям.
-
Разработать метод и алгоритм работы устройства для контроля показателей несимметрии трехфазных сетей, в том числе составляющих, обусловленных наличием высших гармоник.
-
Выполнить анализ и разработать алгоритм определения частоты в электроэнергетических системах с нелинейными нагрузками.
-
Разработать метод и алгоритм определения гармонического состава сигналов напряжения и тока, включая канонические гармоники и интергармоники при значительном уровне шума и наличии искажения сигналов и отклонении частоты.
-
Предложить структуру технических средств, дающих возможность реализовать разработанные алгоритмы контроля показателей качества электроэнергии и составляющих мощности в режиме реального времени, работающих в составе интегрированной информационной системы и позволяющих определять режимы работы электроэнергетической системы с тяговой нагрузкой.
Методы исследования. Теоретические исследования проведены на основе положений математической статистики, теоретической электротехники, теории функций комплексного переменного, методов цифровой обработки сигналов, теории автоматического управления, моделирования на ЭВМ.
Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы
подтверждается результатами теоретических, лабораторных и
производственных исследований, их проверкой в системах тягового электроснабжения и на физических и математических моделях, а также сходимостью выводов и результатов с экспериментальными данными.
Научная новизна работы:
-
Составлена классификация, выполнен синтез и анализ метода, разработана структура устройства для определения составляющих мощности, независимого от различных отклонений параметров сигналов – частоты, несимметрии, искажений, шумов, позволяющий устанавливать факторы, влияющие на потери мощности в электроэнергетических системах с нелинейными нагрузками и формировать управляющие воздействия для активных устройств с целью сокращения потерь.
-
Разработан метод и структура системы синхронизации, адаптивной к изменениям частоты в сети, резким скачкам уровня сигналов и искажениям при контроле параметров электроэнергии в режиме реального времени.
-
Разработан метод контроля величин прямой и обратной последовательностей основной и высших гармоник, позволяющий проводить измерения в несимметричных сетях при значительных уровнях искажений, шумов и отклонениях частоты, дающий возможность определять влияние высших гармоник на показатели несимметрии трехфазных электрических сетей с нелинейной нагрузкой.
-
Предложена модификация счетного метода определения частоты для сигналов с многократным пересечением сигналом нуля, позволяющая повысить помехоустойчивость и сократить объем вычислительных операций.
-
Разработан метод анализа гармонического состава сигналов, позволяющий дополнительно к параметрам канонических гармоник определять уровень интергармоник в условиях отклонения частоты, наличия значительных шумов и искажений сигнала, дающий возможность определять возникновение явлений резонанса в электроэнергетических системах с нелинейной нагрузкой.
-
На основании предложенных методов контроля параметров сигналов разработана структура измерительного комплекса для работы в составе интегрированной информационной системы, позволяющего определять режимы работы электроэнергетической системы с тяговой нагрузкой и дающая
возможность создавать многофункциональные приборы контроля сигналов на единой аппаратной платформе, включая контроль качества электроэнергии, учёт электроэнергии, регистрацию электрических событий.
Практическая ценность диссертации заключается в том, что предложенные принципы, методы и модели позволили создать многофункциональные измерительные комплексы для контроля параметров электроэнергетических систем, позволяющие
осуществлять контроль составляющих мощности, обусловленных обменными процессами, высшими гармониками и несимметрией;
выполнять операции контроля параметров сигналов и формирования управляющих воздействий в режиме реального времени для систем регулирования режимов электроэнергетических систем с нелинейными нагрузками;
определять параметры несимметрии трехфазных цепей, обусловленной как основной, так и высшими гармониками;
измерять частоту основной гармоники питающего напряжения в условиях значительных искажений сигналов и при наличии шумов;
определять амплитуду и фазу канонических гармоник и амплитуду суб- и интергармоник;
анализировать электрические режимы электроэнергетических систем с тяговыми нагрузками в оперативном режиме.
На защиту выносятся следующие основные положения.
1. Метод и структура устройства для определения составляющих
мощности и коэффициентов, представляющих структуру потерь в трехфазных
трехпроводных сетях.
-
Метод адаптивной синхронизации при контроле параметров электроэнергии в режиме реального времени при изменении частоты в сети и резких скачках уровня сигналов и искажений.
-
Адаптивный метод контроля величин прямой и обратной последовательностей основной и высших гармоник.
-
Модифицированный счетный метод определения частоты искаженных периодических сигналов, имеющих высокий уровень шумов.
-
Метод спектрального анализа для определения уровня канонических гармоник и интергармоник.
-
Аппаратная структура и программное обеспечение многофункционального измерительного комплекса.
-
Структура системы оперативного контроля режимов работы и параметров ЭЭС с тяговыми нагрузками.
Апробация работы. Основные положения и научные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:
III Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта» (Самара, 2006);
Всероссийская научная конференция «Теоретические знания – в практические дела» (Омск, 2008);
Научно-практическая конференция «Инновационные проекты и новые технологии на железнодорожном транспорте» (Омск, 2008);
V Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса» (Самара, 2009);
Научно-практическая конференция «Инновационные технологии на железнодорожном транспорте» (Омск, 2009);
Научно-практическая конференция «Ресурсосберегающие технологии на Западно-Сибирской железной дороге» (Омск, 2010);
Научно-практическая конференция «Инновационные проекты и новые технологии в образовании, промышленности и на транспорте» (Омск, 2010);
Научно-практическая конференция «Инновационные проекты и новые технологии в образовании, промышленности и на транспорте» (Омск, 2011);
III Международная научно-практическая конференция «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах» (Пенза, 2012);
Научно-практическая конференция «Инновационные проекты и новые технологии в образовании, промышленности и на транспорте» (Омск, 2012);
VIII Международная научно-техническая конференция «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2012).
Публикации и личный вклад автора. Основные научные положения и материалы по теме диссертации изложены в 46 печатных работах, включая 3 официально зарегистрированные программы для ЭВМ, 10 патентов на изобретения и полезные модели, 16 научных статей в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Личный вклад автора диссертации в публикациях в соавторстве, по материалам которых написаны разделы 1.3, 1.4, 7.3, составляет около 50 %, в остальных – более 80 %.
LINK1Экспериментальные исследования и анализ состояния качества электроэнергии в тяговых сетях переменного токаLINK1
Материалы раздела получены в результате обработки и анализа экспериментальных данных, полученных лабораторией качества электроэнергии Омского государственного университета путей сообщения на ряде участков сети железных дорог. Исследования отклонений частоты проводились на двухпутном участке переменного тока Абакан-Междуреченск Восточно-Сибирской железной дороги [78]. Центром питания была выбрана подстанция Бискамжа. Измерения проводились на тяговой подстанции, фидерах контактной сети и на токоприемнике электровоза; исследовались как тяговый, так и рекуперативный режимы
В системах тягового электроснабжения железнодорожного транспорта имеются источники высших гармоник [83, 84]. Основной причиной их эмиссии является использование мощных вентильных преобразователей на электроподвижном составе для преобразования переменного тока питающей сети в постоянных ток тяговых электродвигателей. Сигналы питающих напряжений и токов являются сильно искаженными, что приводит к появлению ошибок при определении частоты питающего напряжения. Приборы, используемые для оценки частоты питающего напряжения, зачастую не приспособлены для использования в условиях наличия значительных искажений [85]. По этой причине необходимо определить возможность использования таких приборов в условиях железной дороги.
В настоящее время объединенные электросети России в режиме реального времени представляют в интернете текущие данные о частоте энергосети. Пример графика изменения частоты ОЭС Сибири приведен на рисунке 1.17 [86]. Эти данные можно использовать в качестве исходных при экспериментальных исследованиях.
Измерения осуществлялись тремя информационно-вычислительными комплексами ИВК «Омск-М», позволяющими определять основные параметры сигналов, в том числе и частоту. Указанные комплексы были подключены к выводам тягового трансформатора, фидерам контактной сети и на электровозе, осуществляющем проход по перегону в тяговом режиме и режиме рекуперативного торможения. Данные регистрировались каждые 36 секунд во всех трех точках подключения измерительных комплексов, синхронизация между ними отсутствовала. Методика исследования заключалась в статистической обработке результатов оценки частоты питающего напряжения в каждой точке измерения, получения их статистических параметров.
Колебание частоты питающего напряжения. Проведем анализ оценок частоты питающего напряжения. Гистограммы распределения оценок, составленных по измерениям на электровозе, фидерах контактной сети и тяговом трансформаторе подстанции представлены на рисунках 1.18, 1.19, 1.20 соответственно. Как видно из представленных гистограмм, распределение оценок частоты питающего напряжения носит случайный характер. При этом их значения расположены в пределах допустимого стандартом диапазона и имеют ярко выраженный нормальный закон распределения. Несовпадение оценок в разных точках измерения может быть объяснено отсутствием синхронизации между измерениями и колебаниями каждой оценки в пределах инструментальной и методической погрешностей прибора ИВК «Омск-М».
Однако за время проведения измерений прибором ИВК «Омск-М» были зафиксированы три случая выхода значения частоты питающего напряжения за допустимые пределы, что видно на временной диаграмме изменения частоты, представленной на рисунке 1.21.
Для построения модели электрических сигналов тока и напряжения в системе тягового электроснабжения проведен статистический анализ экспериментальных данных. Для этого по имеющимся выборкам построены гистограммы распределения амплитуд гармоник, рассчитаны их средние значения и среднеквадратические отклонения; для оценки линейной зависимости амплитуд гармоник друг от друга рассчитаны коэффициенты корреляции и построены диаграммы рассеяния. В качестве примера рассмотрим гистограммы первых тринадцати гармоник напряжения (рисунки П.1.1 – П.1.2). Представленные гистограммы показывают, что характер распределения значений нечетных гармоник является случайным и соответствует нормальному закону распределения. Четные гармоники имеют малый уровень, практически неотличимы от шумов и слабо выражены в спектре сигнала напряжения. В то же время, форма гистограмм распределения амплитуд гармоник напряжения на электровозе и на питающем фидере 1, по которому движется электровоз, не совпадает, что свидетельствует о наличии множества существенных влияющих факторов и сложных волновых процессах в контактной сети, нелинейности распространения гармоник напряжения в системе тягового электроснабжения. Для анализа возможной линейной зависимости между амплитудами гармоник построим диаграммы рассеяния для некоторых нечетных гармоник (рисунки П.1.3 – П.1.4). Представленные диаграммы позволяют говорить о слабой (либо отсутствующей вовсе) линейной зависимости между некоторыми нечетными гармониками напряжения. С увеличением порядка гармоник их уровень значительно падает, что влечет к еще более значительному «размыванию» диаграммы рассеяния. Это может свидетельствовать также о различных источниках и различной природе возникновения высших гармоник напряжения.
Статистические характеристики (такие как максимальное значение, среднее значение и среднеквадратическое отклонение (СКО)) по всем 39 высшим гармоникам напряжения сведены в таблице П.1.1.
По аналогии со спектрами напряжения проведен анализ спектров тока на электровозе и на фидерах контактной сети, построены гистограммы распределения амплитуд гармоник тока (рисунки П.1.5 – П.1.6). Распределение амплитуд гармоник тока в различных точках измерения также носит случайный характер, однако выдвигать гипотезу о характере закона распределения в большинстве случаев не представляется возможным. В то же время форма гистограмм распределения амплитуд гармоник тока на электровозе и первой линии фидера 1, по которому движется электровоз, совпадает, что говорит о линейном распространении гармоник тока по контактной сети системы тягового электроснабжения.
Для оценки степени независимости амплитуд гармоник тока друг от друга построим диаграммы рассеяния (рисунки П.1.7 – П.1.8).
Как видно, диаграммы рассеяния для гармоник тока существенно отличаются от аналогичных для гармоник напряжения, иллюстрируя наличие явной линейной зависимости некоторых гармоник между собой и, в конечном счете, от основной гармоники тока. Однако, по аналогии со спектром напряжения, с ростом порядков гармоник это зависимость размывается.
Статистические характеристики (максимальное значение, среднее значение и среднеквадратическое отклонение (СКО)) по всем 40 гармоникам тока сведены в таблицу П.1.2.
Проведенный анализ показывает, что значения амплитуд гармоник, как напряжения, так и тока носят случайный характер, что свидетельствует о большом количестве влияющих факторов, анализ и расчет которых выходит за рамки представляемой работы.
Для сигналов напряжения некоторые (нечетные) гармоники имеют ярко выраженный нормальный закон распределения принимаемых значений амплитуды, что может пригодиться для выработки организационных и технических мер по их ослаблению. Различие между гистограммами питающего напряжения на питающем фидере и напряжения на электровозе говорит о сложном процессе распространения гармоник напряжения в системе тягового электроснабжения железных дорог, в то время как отсутствие явной линейной зависимости между гармониками напряжения свидетельствует о сложной природе их возникновения и множестве влияющих факторов.
Анализ методов и характеристик средств контроля мощности при их работе в цепях с нелинейными нагрузками
Мощность в электрических сетях определяется как счетчиками электроэнергии различных типов, так и приборами контроля качества электроэнергии. Проведем анализ алгоритмов работы этих устройств, и определим их характеристик при работе в сетях с искажениями.
Известно несколько типов электронных счтчиков активной и реактивной энергии, основанных на различных принципах работы. Необходимо заметить, что при синусоидальных напряжениях и токах эти принципы эквивалентны, и при измерении в пределах заданных классов точности при одних и тех же рабочих условиях они дают сравнимые результаты. Однако при наличии нелинейных нагрузок разные типы электронных счетчиков, особенно реактивной энергии при одних и тех же рабочих условиях могут давать различные показания.
В настоящее время существует большое количество устройств, предназначенных для контроля различных видов мощности в ЭЭС. К ним относятся счетчики электрической энергии, а также приборы контроля качества электроэнергии, в наборе функций которых, как правило, присутствует контроль активной, реактивной и полной мощности. Определение активной и полной мощности не вызывает вопросов, с реактивной мощностью вопрос не определен.
Существует большое количество электронных счтчиков, основанных на разных принципах действия. В однофазных системах измерение реактивной энергии (или реактивной мощности) может осуществляться путем аналогового или цифрового перемножения напряжения и тока, при этом напряжение (или ток) путм использования интегрирующей цепи или смещения времени на четверть периода предварительно сдвигается на 90, далее используется фильтр или иная цифровая обработка сигнала (рисунок 2.11).
Рисунок 2.11 – Функциональная схема измерения реактивной энергии Имеющиеся разнообразные решения по сдвигу фазы напряжения или тока разработаны для синусоидальных напряжений и токов, поэтому они работают правильно для частоты основной гармоники, а при наличии других гармонических составляющих они приводят совсем к другим результатам.
Например, при наличии гармоник, если производится сдвиг времени на четверть периода для тока (метод сдвига), математическое выражение реактивной мощности имеет вид [134]: (2.75) где Щ и Ih - среднеквадратичные значения гармонического напряжения и тока порядка h, (ph - смещения их фаз, Д и Qh - соответствующая активная и реактивная мощность.
С другой стороны, если с помощью интегрирующей схемы выполняется сдвиг напряжения на 90, математическое выражение реактивной мощности будет иметь другой вид [134]:
Использование выражения (2.76) для несинусоидального сигнала даст результат в виде неактивной мощности N [82], обусловленной реактивной мощностью и мощностью высокочастотных составляющих сигнала. Ясно, что численные значения реактивной мощности (или энергии), получаемые из уравнений (2.75) и (2.76) для одних и тех же рабочих условий, различны. Реактивная мощность Q может быть получена только в случае синусоидального напряжения и тока из выражения
Известно, что в случае синусоидального напряжения и тока реактивная мощность Q может быть вычислена из выражений [94]:
Q = [//sin(р; (метод перекрестного включения) (2.77)
Q = Js2-P2, (геометрический метод) (2.78)
где U и / - среднеквадратичные значения напряжения и тока, ср - их смещение (сдвиг фазы), Р - активная мощность, S - полная мощность.
Таким образом, измерение реактивной энергии можно осуществлять с использованием любого из четырех выражений. На практике система с использованием первого из двух выражений реализуется введением задержки тока на 900 с помощью преобразования Гильберта [135], а при использовании второго реактивная мощность измеряется на основе измерения активной и полной мощности по выражению (2.78). Для синусоидального напряжения и тока эти два выражения приводят к одному и тому же результату. Можно заметить, что построение счетчика реактивной мощности на основе выражения (2.78) было бы технически и экономически разумным решением, так как это выражение легко реализуется.
При наличии в напряжениях и токах гармоник решения, основанные на (2.75) и (2.78), не будут эквивалентными. Если взять первое решение, технологии, существующие для смещения тока, хорошо работающие в условиях синусоидального напряжения, при наличии гармоник приводят к другим результатам. С другой стороны, для несинусоидальных напряжений активная мощность в выражении (2.78) дается как сумма активных мощностей гармоник (включая основную гармонику и постоянную составляющую, если она есть); полная мощность дается как сумма СКЗ напряжения и тока, а реактивная мощность включает все термы мгновенной мощности, не участвующие в передаче энергии. Таким образом, при наличии гармонических искажений применение выражения (2.78) для измерения реактивной мощности (или энергии) приводит к измерению величины, которая может превышать величину, получаемую при измерении с помощью других систем, например, с использованием (2.75) или (2.78), особенно при наличии высокого уровня гармонических искажений.
Экспериментальные исследования статических и динамических характеристик системы адаптивной синхронизации
Проведем анализ устойчивости, статических и динамических характеристик ФАПЧ при воздействии различных возмущающих факторов. Так как назначением МИК является не только контроль электрических параметров ЭЭС с тяговыми нагрузками, но формирование управляющих воздействий для систем управления электрическими параметрами, то важнейшим требованиям к ФАПЧ является быстродействие. Проведем анализ системы с точки зрения получения наибольшего быстродействия.
Для моделирования системы будем использовать программный пакет Matlab. Структурная схема блока PLL (ФАПЧ) [166], входящего в состав библиотеки модуля SimPowerSystems, представлена на рисунке 3.22.
Пропорционально-интегральный регулятор обеспечивает непрерывное формирование значения угловой частоты. Сигналы (cos в и sin в) формируются внутри блока PLL и могут использоваться для синхронизации преобразования Парка. В процессе моделирования была создана схема, на вход которой подавался трхфазный сигнал с частотой 50 Гц, а выходными характеристиками являлись частота (со), фаза (cot) и сигналы cos(arf) и sin(cot).
Кроме того, для оценки параметров переходного процесса в модель был введн дополнительный трхфазный генератор с частотой 51 Гц, переключение на который производилось мгновенно в соответствующий момент времени.
Для согласования перехода была произведена дополнительная корректировка начальной фазы колебаний второго трехфазного генератора. На рисунке 3.23 изображена схема, собранная в программном пакете Simulink. В реальной системе электроснабжения может изменяться не только частота и фаза сигнала, но гармонический состав и показатели несимметрии, поэтому моделирование будет производиться при всех перечисленных возмущениях. Модель САС Результаты моделирования ФАПЧ при небалансе с уровнем отклонения напряжения одной фазы до 30% показаны на рисунке 3.24, а. На графиках переходный режим начинается с момент времени t=0. Левые три графика – работа схемы в стационарном режиме до входного скачка, средний – переходный процесс системы, правый – установившийся режим работы системы. Рисунок 3.24, б показывает переходный режим системы при появлении 7-й гармоники с уровнем 30%. Рисунок 3.25 показывает переходные процессы системы. Результаты моделирования показывают низкие динамические характеристики, что объясняется неоптимальными настройками ФАПЧ. Рассмотрим вопрос улучшения качества ФАПЧ за счет выбора типа регулятора и фильтра и подбора их параметров. Для начала проанализируем возможность применения пропорционально-интегрирующего фильтра первого порядка (ПИФ) (3.22), пропорционально-интегрирующего (ПИ) или пропорционально-интегродифференцирующего (ПИД) регулятора [164]. ПИ-регулятор является одним из наиболее универсальных регуляторов. Фактически ПИ-регулятор – это пропорциональный регулятор с дополнительной интегральной составляющей. Интегральная составляющая, дополняющая алгоритм, в первую очередь нужна для устранения статической ошибки, которая характерна для пропорционального регулятора. По сути, интегральная часть является накопительной, и таким образом позволяет осуществить то, что ПИ-регулятор учитывает в данный момент времени предыдущую историю изменения входной величины. ПИ-регулятор имеет два существенных достоинства: во-первых, его усиление на всех частотах не может стать меньше k, следовательно, увеличивается динамическая точность регулирования, во-вторых, по сравнению с И-регулятором, он вносит дополнительный сдвиг фаз только в области низких частот, что увеличивает запас устойчивости замкнутой системы. Оба фактора дают дополнительные степени свободы для оптимизации качества регулирования. В то же время, как и в И-регуляторе, модуль коэффициента передачи регулятора с уменьшением частоты стремится к бесконечности, обеспечивая тем самым нулевую ошибку в установившемся режиме. Отсутствие сдвига фаз на высоких частотах позволяет увеличить скорость нарастания управляемой переменной (по сравнению с И-регулятором) без снижения запаса устойчивости. Регулятор ПИ описывается следующим выражением:
ПИД-регулятор можно получить добавлением дифференциального члена к
ПИ-регулятору. Поэтому на ПИД-регулятор переносятся все свойства ПИ регулятора и добавляются новые. Дифференциальный член положительный
фазовый сдвиг до 90 на частотах выше —. Это позволяет обеспечить
устойчивость или улучшить качество регулирования системы в случаях, когда это невозможно сделать с помощью ПИ-регулятора. Регулятор ПИД описывается следующим выражением:
Предварительный сравнительный анализ показал наихудшие характеристики у пропорционального-интегрального фильтра, поэтому будем проводить исследования только для ПИ- и ПИД-регуляторов.
Логарифмические амплитудно- и фазо-частотные характеристики системы с разомкнутой обратной связью показаны для двух регуляторов на рисунке 3.26.
На вход системы ФАПЧ был подан сигнал с входным углом , изменяющимся в соответствии с изменением угловой частоты со =2$. Если входное напряжение является синусоидальным и сбалансировано, вектор напряжения будет вращаться с постоянной частотой и фазой.
Рисунок 3.27 показывает переходный процесс системы при изменении частоты входного сигнала с 50 до 51 Гц. Как можно видеть из рисунка 3.27, САС с ПИД-регулятором имеет наибольшее быстродействие. ПИ и ПИД имеют нулевую ошибку в установившемся режиме.
Наличие дисбаланса вызывает появление пульсаций обеих последовательностей с частотой 100 Гц, которые сглаживаются ФНЧ [152, 163]. Применение такого фильтра повышает точность преобразования, однако ухудшает быстродействие системы в целом.
Проблемы из-за дисбаланса также можно избежать, используя режекторный фильтр, частота подавления которого находится в районе 100 Гц. Такой фильтр обеспечивает высокую степень подавления на упомянутой частоте и единичное усиление на других частотах.
Если вместо режекторного фильтра использовать фильтр скользящего среднего (ФСС) [167, 168] и настроить его для подавления канонических гармоник, то возможно решение двух задач одновременно – выделение последовательностей основной частоты и обеспечение достаточно высокого быстродействия. Рисунок 3.28 показывает АЧХ двух фильтров в районе 100 Гц (а) и переходные процессы этих фильтров (б).
Реализация метода определения прямой и обратной последовательностей высших гармоник
Выделение гармоник. Для контроля потерь мощности в электрических сетях необходимо определять составляющие прямой и обратной последовательности не только основной частоты, но и высших гармоник.
В схеме ППФ используется звенья (рисунок 4.9), настроенные на частоту основной гармоники. Используя звенья, настроенные на частоту высших гармоник, можно строить ППФ высших гармоник и определять составляющие прямых и обратных последовательностей, которые вносят эти гармоники. В этом случае требуется многокаскадная схема, использующая несколько ППФ, настроенных на разные частоты.
Для выделения п-х гармоник из входных хар сигналов в стационарной системе, могут использоваться два фильтра, описываемых функциями которые будут применяться для определения прямой и обратной последовательностей. Работа фильтра выражается как:
Эти алгоритмы реализуются с помощью схемы, аналогичной представленной на рисунке 4.9, но настроенной на соответствующие частоты. Для выделения прямых и обратных последовательностей, формируемых высшими гармониками, используется каскадная схема [201] (рисунок 4.10). Входной сигнал обычно имеет большую величину прямой последовательности сигнала, которая влияет на точность определения составляющих высших гармоник. Как следствие, фильтры прямой и обратной последовательности требуют предварительного устранения прямой последовательности входного сигнала. Это достигается вычитанием из і и xR величин соответственно х+ и х+я. Рисунок 4.10 - Структурная схема устройства для выделения прямых и обратных последовательностей основной и и-й гармоники Для трехфазных сетей каждая гармоника может принадлежать к прямой или обратной последовательности. Другими словами, гармоника хпар создает прямую
последовательность, когда п=6т+\ =1,2,3…), или обратную последовательность, когда п=6т-1. Это упрощает реализацию фильтров, так как возможно выделять каждую гармонику фильтром прямой или обратной последовательности. В противном случае количество фильтров и время вычислений будет больше необходимого в два раза.
На практике уровень гармоник выше седьмой достаточно мал и оказывает небольшое влияние на режимы электрических сетей. Для практических целей в трехфазных трехпроводных сетях достаточно выделять прямые последовательности основной и 7-й гармоник, обратные последовательности основной и 5-й гармоник. Схема такого устройства представлена на рисунке 4.11.
Рисунок 4.11 – Структурная схема устройства для выделения прямых последовательностей основной и 7-й гармоник, обратных последовательностей основной и 5-й гармоник
Для определения параметров устройства контроля симметричных составляющих было проведено моделирование при сбалансированных и несимметричных условиях энергосистемы и девиации частоты. Главной целью исследования является определение функциональности и быстродействия системы.
Реализованные в программном комплексе Multisim модели устройства для выделения прямых последовательностей основной и 7-й гармоник, обратных последовательностей основной и 5-й гармоник и фильтра прямой и обратной последовательностей представлены на рисунке 4.12, а его логарифмические амплитудно-частотная характеристики показаны на рисунке 4.13.
Как можно видеть из графиков, в сумме характеристика представляет собой гребенчатый фильтр, настроенный на заданные частоты. Отрицательная частота на графике означает вращение системы векторов, эквивалентной обратной последовательности, в направлении, противоположном направлению вращения системы векторов прямой последовательности. Фактически, аналогично представленной методике, может быть построено большее количество разнообразных фильтров в зависимости от практических потребностей. Проведем анализ схемы при искажениях параметров сигналов в трехфазной системе. Как показано на рисунке 4.12, значительное отклонение частоты сети может привести к серьезному изменению фазы и амплитуды на выходе схемы, поэтому к фильтру должна быть добавлена схема подстройки частоты. Для определения значения (х)\ сети используется ФАПЧ. Структурная схема такой системы показана на рисунке 4.11, где входная переменная сравнивается с начальным значением центральной частоты со\, и фильтр нижних частот используются устранения отклонения частоты, которое осуществляет регулятором ФАПЧ. С другой стороны, можно заметить, что ФАПЧ дополнительно очищает сигнал от шумов или высших гармоник.
Работа системы при симметричном режиме. Рисунок 4.13 показывает процесс изменения амплитуды трехфазного сигнала, прямой и обратной последовательности при симметричной режиме работы. При этом моделируется сбалансированное искажение, при котором сигнал увеличивается до 140 % от номинального значения. Особенность сбалансированных искажений - отсутствие обратной последовательности напряжений энергосистемы в стационарном режиме, обратная последовательность появляется только во время искажения [175]. Следовательно, прямая последовательность напряжения энергосистемы, оцененная с использованием ФАПЧ, совпадает с амплитудой сигнала, как изображено на рисунке 4.13, в то время как обратная последовательность равна нулю. Быстродействие предложенного ФАПЧ находится в пределах трех периодов, что вполне достаточно для правильной оценки сигналов в реальной энергосистеме.
