Содержание к диссертации
Введение
1. Нелинейные искажения напряжения в автономных электроэнергетических системах, способы их оценки и снижения 11
1.1. Причины возникновения нелинейных искажений напряжения и их негативное влияние на работу элементов автономных ЭЭС. 11
1.2. Способы оценки величины коэффициента нелинейных искажений 20
1.3. Анализ существующих способов и устройств снижения КНИ 23
1.4. Выводы 32
2. Математическое описание сээс с устройством компенсации нелинейных искажений напряжения на базе вольтодобавочных устройств (ВДУ) 33
2.1. Математическое описание принципа вольтодобавки при компенсации нелинейных искажений напряжения 33
2.2 Математическое описание дизеля 39
2.3 Математическое описание генератора 48
2.4 Математическое описание вольтодобавочного устройства 53
2.6. Выводы 57
3. Исследование режимов работы сээс с вольтодобавочным компенсатором нелинейных искажений напряжения .. 58
3.1. Разработка устройства выделения сигнала суммы высших гармоник напряжения сети. 58
3.1.1 Анализ вариантов реализации устройства выделения сигнала суммы высших гармоник напряжения сети.. 59
3.1.2 Устройство выделения сигнала суммы высших гармоник напряжения на базе полосового фильтра сетевой частоты 61
3.1.3 Моделирование устройства выделения сигнала суммы высших гармоник на базе полосового фильтра сетевой частоты 64
3.2. Моделирование СЭЭС с вольтодобавочным компенсатором нелинейных искажений напряжения 68
3.2 Выводы 82
4. Вопросы практической реализации и экономической целесообразности 83
4.1 Разработка схемных решений и вариантов реализации вольтодобавочного компенсатора мощностью 3х5 кВт.. 83
4.2 Варианты практической реализации устройства выделения сигнала суммы высших гармоник напряжения 88
4.3 Варианты построения систем компенсации нелинейных искажений напряжения в СЭЭС... 93
4.3 Оценка экономической эффективности 97
4.5 Выводы 101
Заключение 102
Литература
- Способы оценки величины коэффициента нелинейных искажений
- Математическое описание вольтодобавочного устройства
- Устройство выделения сигнала суммы высших гармоник напряжения на базе полосового фильтра сетевой частоты
- Варианты практической реализации устройства выделения сигнала суммы высших гармоник напряжения
Способы оценки величины коэффициента нелинейных искажений
В сетях переменного тока одним из важных показателей качества электроэнергии является коэффициент нелинейных искажений напряжения, показывающий, насколько фактическая форма кривой напряжения отличается от синусоидальной [20-22]. Это обусловлено тем, что в кривой напряжения сети кроме синусоиды основной частоты присутствуют гармонические составляющие, частота которых выше и кратна частоте сети. Коэффициент искажения показывает отношение действующего (амплитудного) значения всех высших гармоник к действующему (амплитудному) значению первой гармоники и определяется выражением: U\ где п - порядок высшей гармоники (отношение частоты высшей гармоники к частоте основной гармоники сети); Un - действующее значение гармоники напряжения n-го порядка; U\ - действующее значение первой (основной) гармоники напряжения. Величина нелинейных искажений напряжения в автономных электроэнергетических системах определяется различными факторами. Например, сами источники напряжения переменного тока - синхронные генераторы, даже на холостом ходу генерируют напряжение, форма которого отлична от синусоиды [4, 5, 39]. Такие искажения напряжения относятся к собственным искажениям источников напряжения. Собственные искажения формы кривой напряжения синхронных генераторов зависят от геометрии активной зоны (подполюсного пространства и зубцовой зоны) и от обмоточных данных машин. Для собственных искажений генератора характерными являются гармоники, находящиеся в двух областях спектра: низкочастотные от 250 до 600 Гц обусловленные формой и обмоточными данными, и более высокочастотные в диапазоне от 1000 до 2000 Гц, обусловленные зубчатостью статора, так называемые гармоники зубцового порядка. Для большинства современных синхронных генераторов, в том числе и судовых, эта величина практически не превышает 2…3%.
С начала 70-хх гг. в автономных электроэнергетических системах, в том числе и судовых, начинают широко использовать статические преобразователи: для питания электроприводов, электродвижения, различных потребителей постоянного тока, светового технического оборудования. Работа таких преобразователей основана на переключениях групп полупроводниковых элементов (диодов или тиристоров) таким образом, чтобы в каждый момент времени ток на выходе преобразователя имел требуемую величину. Т.к. силовые вентили преобразователей являются по своей природе нелинейными элементами, процесс их переключения вызывает потребление преобразователем несинусоидального тока, т. е. потребление тока по трем фазам за период частоты сети имеет перерывы, связанные с закрытием отдельных тиристоров или диодов [5, 28, 32, 34, 61, 63].
Анализ физических процессов в неуправляемом выпрямителе, упрощенная схема которого и диаграммы напряжений и токов представлены на рис. 1.1, показывает, что при мгновенной коммутации длительность протекания тока через диоды в каждый полупериод первичного тока составляет одну треть периода сети. Таким образом, нагрузка подключается на какую-то часть периода к двум фазам питающего напряжения, а затем переключается на две другие фазы. Таких переключений в трехфазной мостовой схеме – шесть, при этом выпрямитель потребляет несинусоидальный ток.
В управляемых выпрямителях при регулировании выходного напряжения изменяют угол управления – . На рис. 1.2 приведены схема и диаграммы напряжений и токов выпрямителя при работе на активную нагрузку при мгновенной коммутации. Из сопоставления форм кривых фазных токов трехфазных управляемого и неуправляемого выпрямителей видно, что введение угла управления влияет на форму кривой потребляемого преобразователем тока, которая становится пилообразной. Кроме того, ток отстает от напряжения пропорционально увеличению угла управления, что приводит к увеличению потребления реактивной мощности и снижению cos. Схема управляемого выпрямителя и диаграммы его токов и напряжений
Существенное влияние на форму первичного тока выпрямителя оказывает и индуктивность в цепи нагрузки. На практике в цепи нагрузки судовых выпрямителей имеются достаточно большие индуктивности: обмоток машин постоянного тока и сглаживающих дросселей, включаемых в цепь нагрузки для сглаживания тока нагрузки. При этом форма полуволны первичного тока приближается к трапецеидальной.
Процесс возникновения коммутационных искажений в питающей сети (в предположении, что ток нагрузки идеально сглажен, а активные сопротивления генератора, трансформаторов или реакторов и соединяющих кабелей равны нулю) для схемы на рис.1.2а объясняется тем, что при переключении тиристоров VS1 и VS3 фазы А и В оказываются замкнутыми накоротко, а линейное напряжение UАВ на зажимах выпрямителя на коммутационном промежутке равно 0. Таким образом, на каждом коммутационном промежутке возникают искажения формы кривой во всех трех фазах питающего напряжения.
Математическое описание вольтодобавочного устройства
Для оценки качества электроэнергии в электроэнергетических системах, в том числе и судовых, используются как аппаратные, так и аналитические методы. В настоящее время выпускается большое количество приборов и систем контроля качества электроэнергии. Такие приборы позволяют оценить различные параметры электроэнергии, такие как действующее значение напряжения и тока (RMS и TrueRMS), отклонение напряжения и частоты от номинальных значений, время и длительность провала напряжения, доза фликера, коэффициент несимметрии, суммарный коэффициент несинусоидальности кривой напряжения и тока, коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения и тока (до 60-й гармоники) и др. Оценка показателей качества может производиться в режиме реального времени, либо в режиме записи на съемный носитель с длительностью до нескольких месяцев. Полученные данные могут быть представлены в текстовом или в графическом виде непосредственно на дисплее прибора, либо переданы на ПК для обработки с помощью специализированного программного обеспечения, что делает процесс оценки простым и высокоинформативным [86, 87, 91, 93-95].
Современная промышленность предлагает большой ассортимент анализаторов качества электроэнергии в широком ценовом и функциональном диапазоне. Наиболее известные из них представлены марками Janitza (Германия), Metrel (Словения), Fluke (США), Megger (Великобритания), Circutor S.A. (Испания), Chauvin Arnoux (Франция), Sonel (Польша), SATEC (Израиль), Ресурс и ЭРИС (Россия).
Например, анализатор качества электроэнергии Janitza UMG 511 позволяет производить анализ Фурье с 1ой по 63ю гармоники, измерение обычных и промежуточных гармоник (U-LN, U-LL, I), измерение активной мощности P (потребление / генерация) и реактивной мощности Q (инд./емк.). Измерение качества электроэнергии в соответствии с DIN EN 61000-4-30, метод измерения класса A. Прибор оснащен цветным ЖК-дисплеем с активной матрицей (5,7”) и подсветкой, который позволяет отображать измеренные значения в числовой форме, в виде гистограммы или линейного графика.
Однако, не смотря на простоту и информативность аппаратного метода, его использование для оценки величины нелинейных искажений напряжения (тока) невозможно на этапе проектирования ЭЭС, что на сегодняшний день является одной из основных задач, которые приходится решать [65]. Поэтому при разработке ЭЭС для оценки коэффициента несинусоидальности напряжения (тока) используются аналитические методы. Один из методов основывается на расчете коэффициента нелинейных искажений по предварительно определенным значениям гармонических составляющих напряжения [39]. Данный метод подходит для расчета только установившихся процессов и очень трудоемок, т.к. изменение параметров ЭЭС приводит к необходимости пересчета коэффициента нелинейных искажений, причем отдельно для каждой точки ее схемы замещения. Кроме того, данный метод не обладает высокой точностью, поскольку сложно определить наибольший порядок гармоники для проведения расчетов, поскольку с его увеличением трудоемкость возрастает.
Альтернативным способом являются методы непосредственной оценки, наиболее простым из которых является графический метод [39]. Он позволяет рассчитать коэффициент нелинейных искажений напряжения в ЭЭС с различным количеством генераторов (как однотипных, так и разнотипных), различной по составу и типу нагрузкой и при наличии или отсутствии фильтрокомпенсирующих устройств. Метод основан на поиске коэффициента нелинейных искажений по единым графическим расчетным зависимостям между параметрами схемы ЭЭС, режимами работы статических преобразователей и коэффициентом нелинейных искажений, который рассматривается как отклик системы на значение или изменение каждого из определяющих его параметров.
Развитие компьютерной техники позволяет значительно снизить трудозатраты на разработку и исследование электроэнергетических систем и в частности на оценку коэффициента нелинейных искажений. Современное программное обеспечение позволяет достаточно просто и с высокой степенью точности смоделировать различные объекты и системы и исследовать их работу в различных режимах. Для моделирования электроэнергетических систем в настоящее время широко используется пакет прикладных программ Matlab со встроенной средой визуального моделирования Simulink [7, 27, 47, 83]. Модель системы создается перетаскиванием в рабочую область блоков из библиотеки элементов и задания связей между ними. Каждый блок обладает набором параметров, настройка которых позволяет максимально приблизить модель к реальной установке. Кроме того, пользователь имеет возможность создания собственных элементов и блоков. Моделирование позволяет исследовать как установившиеся, так и переходные процессы в электроэнергетических системах, контролировать параметры системы в нескольких точках одновременно. Библиотека элементов программы Simulink обладает широким спектром различных измерительных устройств, которые позволяют измерить как общий коэффициент нелинейных искажений напряжения и тока, так и гармонический состав сигнала по каждой гармонике, включая промежуточные. Таким образом, на этапе проектирования электроэнергетических систем наиболее перспективным методом оценки нелинейных искажений напряжения является метод компьютерного имитационного моделирования
Как известно высшие гармонические составляющие тока, потребляемого нелинейной нагрузкой из первичной сети, приводят к дополнительным падениям напряжения на импедансах ЭЭС, которые проявляются в виде искажения формы кривой питающего напряжения. Следовательно, основными факторами, влияющими на величину этого искажения, являются амплитуда высших гармоник потребляемого преобразователями тока и импеданс системы для этих гармоник. Поэтому, для снижения величины нелинейных искажений напряжения сети необходимо уменьшать оба этих фактора. [39]
Мероприятия по снижению величины нелинейных искажений напряжения можно разделить на структурные методы, предусматривающие воздействие непосредственно на преобразователь, и системные решения, подразумевающие коррекцию структуры СЭС [5]. Суть структурных методов заключается в выборе построения и оптимизации схемы преобразования и системы управления в целях снижения влияния на СЭС. К таким мероприятиям можно отнести повышение числа фаз преобразователя. Так, при использовании 12-фазной схемы выпрямления можно практически полностью компенсировать 5-ю и 7-ю гармоники включением первичных или вторичных обмоток питающего трансформатора в различные схемы соединения – звездой и треугольником. Альтернативным методом является создания условного режима повышенной фазности, при котором преобразователи, выполненные по одинаковой схеме, делятся на две равные по мощности группы, а первичные или вторичные обмотки питающих групповых трансформаторов включаются в различные схемы соединения аналогично 12-фазному преобразователю. Также к структурным методам снижения нелинейных искажений относятся выбор способа преобразования и применение специальных законов управления, включение в цепь постоянного тока сглаживающих LC-фильтров, введение демпфирующих RC-цепочек параллельно силовым ключам преобразователя. Кроме того, для воздействия преобразователя на систему управления с целью стабилизации выходного напряжения и минимизации генерируемых им неканонических гармоник могут быть введены обратные связи.
Устройство выделения сигнала суммы высших гармоник напряжения на базе полосового фильтра сетевой частоты
Приведенному выше описанию соответствует модель синхронной машины «Synchronous Machine pu Stan dart», представленная в пакете MATLAB Simulink. Для задания ее параметров требуется определить: 1. Номинальную полную мощность Рn (ВА), действующее линейное напряжение Vn (В), частота fn (Гц); 2. Реактивные сопротивления Xd, Xq, переходные реактивные сопротивления Xd , Xq и сверхпереходные реактивные сопротивления Xd", Xq" обмоток статора в проекциях на оси d и q и реактивное сопротивление утечки XI в о.е; 3. Постоянные времени переходных процессов по осям d и q: постоянная времени переходного процесса оси d open-circuit (разомкнутая цепь) (Tdo ) или short-circuit (замкнутая цепь) (Td ), сверхпереходная постоянная времени оси d open-circuit (разомкнутая цепь) (Tdo") или short-circuit (замкнутая цепь) (Td"), постоянная времени оси q open-circuit (разомкнутая цепь) (Tqo ) или short-circuit (замкнутая цепь) (Tq ). Расчет постоянной времени генератора может быть выполнен в соответствии с методикой, изложенной в [26, 75]; 4. Сопротивление статора Rs (о.е); 5. Число пар полюсов р(); 6. Начальные условия, которые задаются в виде вектора, каждый элемент которого имеет следующие значения: напряжение обмотки возбуждения (В). Для учета насыщения генератора необходимо задать матрицу, первая строка которой содержит значения тока возбуждения, а вторая – значения выходного напряжения в относительных единицах.
Блок синхронного генератора Synchronous Generator имеет два задающих входа. На вход «w» в о.е. поступает сигнал частоты вращения приводного двигателя. В качестве последнего выступает блок Diesel, структура которого описана выше. Задающим сигналом для этого блока является требуемая частота вращения «wref», выраженная в о.е. Блок Diesel связан с генератором через параметр его активной мощности отдаваемой в нагрузку. На второй вход генератора «Vf» в о.е. подается напряжение возбуждения. Оно формируется на выходе регулятора напряжения, представленного блоком Excitation System. На вход блока «vref» поступает сигнал требуемого напряжения на выходе генератора, а на входы «vd» и «vq» сигналы фактического напряжения в проекциях на оси d и q. Вход «vstab» может быть использован для дополнительной компенсации колебаний энергосистемы.
Выходы «А», «В» и «С» являются выводами статорных обмоток синхронного генератора, а на выходе «m» формируется векторный сигнал параметров машины, содержащий 16 переменных. Блок Measurement Demux служит для извлечения из векторного сигнала конкретных переменных.
В качестве нагрузки генератора используется блок Load, задающий ее величину и характер. Так как генератор моделируется как источник тока, его работа на индуктивную нагрузку невозможна напрямую. Поэтому в состав модели включен блок R, представляющий собой группу высокоомных сопротивлений, включенных параллельно генератору.
Математическое описание вольтодобавочного устройства
Блок-схема вольтодобавочного устройства компенсатора нелинейных искажений представлено на рис 2.15. Блок-схема вольтодобавочного устройства Оно включает в себя широтно-импульсный преобразователь - ШИП, к выходу которого через высокочастотный фильтр - ВФЧ подключен вольтодобавочный трансформатор - Т. Питание преобразователя постоянным напряжением обеспечивает трехфазный мостовой выпрямитель - В, на выходе которого установлен сглаживающий низкочастотный фильтр - НЧФ.
В общем случае ШИП представляется звеном с чистым запаздыванием или апериодическим звеном первого порядка с передаточной функцией:
Фильтр на выходе ШИП предназначен для сглаживания пульсаций напряжения при широтно-импульсной модуляции. Основными требованиями, которые предъявляются к этому фильтру это значительное ослабление пульсаций входного напряжения при сохранении достаточно широкой полосы пропускания (до 1 кГц). Так как амплитуда пульсаций напряжения составляет 530 В, то для ее снижения до уровня менее 2 % необходимо иметь коэффициент сглаживания более 50, что можно обеспечить только двухкаскадным фильтром
Двухкаскадный LC-фильтр Используя двойной Г-образный LC-фильтр можно иметь меньшие значения постоянной времени фильтра, обеспечив высокое быстродействие. Выпрямитель и фильтр низких частот на его выходе описываются известными уравнениями и могут быть рассчитаны по существующим методикам [68, 73].
Варианты практической реализации устройства выделения сигнала суммы высших гармоник напряжения
Силовая схема вольтодобавочного компенсатора выполнена на силовых модулях: М1 – трехфазный мостовой выпрямитель типа «QL-3-100/6» с параметрами Id = 100 A, Uвх = 600 В, и два транзисторных модуля М2 и М3 типа «MBM75GS12AW», каждый из которых состоит из двух силовых IGBT-транзисторов со встроенными обратными диодами с мягким восстановлением. Параметры транзисторов: IН = 75 А, UОБР = 1200 В, tВКЛ = 0,2 с, Ron = 0,01 Ом.
Фильтр в цепи выпрямленного тока имеет параметры С1 = 1000 мкФ, L1 = 0,1 мГн. На выходе инвертора установлен двухкаскадный LC-фильтр L2C2 и L3C3, параметры которого определялись при моделировании. Вольтодобавочный трансформатор Т типа «ОСЗ 5/0,5» с параметрами U1Н = 380 В, U2Н = 42 В, fН = 50 Гц, = 0,96, SН = 5 кВА. Управление инвертором обеспечивается от PWM-модулятора типа «HA16141P/FP» через драйверы Д1-Д4.
Инверторы и вольтодобавочные трансформаторы двух других фаз полностью аналогичны и подключены к выходу фильтра параллельно конденсатору С1.
Для корректировки параметров фильтра на выходе инвертора и оценки частотных свойств вольтодобавочного трансформатора была разработана имитационная модель в пакете Matlab, блок схема которой представлена на рис.4.2.
Широтно-импульсный преобразователь PWT, реализованный на базе стандартного блока Universal Bridge, представляет из себя мостовой каскад на IGBT-транзисторах. Питание осуществляется от источника постоянного напряжения 530 В, поданного на клеммы «+» и «-» блока PWT. Выходное напряжение ШИП с клемм А и В поступает на двухкаскадный сглаживающий LC-фильтр Out Filter, к выходу которого подключена первичная обмотка вольтодобавочного трансформатора Т. Управление преобразователем осуществляется от модулятора, преобразующего сигнал управления UZ в четыре последовательности импульсов, поступающих на вход q. Сигнал UZ поступает на входы сумматоров S1 и S2, на вторые входы которых подано опорное треугольное напряжение Ubase, задающее несущую частоту модуляции. На третьи входы сумматоров подано напряжение смещения величиной 1,02, чем задаются нулевые начальные условия и зона нечувствительности величиной в 2% от амплитуды треугольного напряжения. Выходные сигналы сумматоров поданы на входы ноль-органов NO1 и NO2, формирующих основные последовательности импульсов каждый для своего знака напряжения UZ. Инверторы NOT обеспечивают получение противофазных последовательностей импульсов, которые вместе с основными последовательностями поступают на блоки задержки включения On Delay1On Delay4. Задержка включения вводит «мертвое время» в каждую последовательность импульсов, исключая возможность одновременного открытия двух ключей одного плеча ШИП.
В качестве вольтодобавочного трансформатора Т использовалась модель двухобмоточного трансформатора с насыщением. Вторичная обмотка трансформатора подключена к активно-индуктивной нагрузке Z с cos = 0,9 и IН = 140 А.
В процессе моделирования изменялась частота задающего синусоидального напряжения от 50 до 1000 Гц.
Несущая частота модулятора РМ составляла 10 кГц. Использовался закон несимметричной импульсной модуляции с задержками времени на включение силовых транзисторов инвертора (PWT) 1 с.
В результате моделирования было установлено, что хорошую фильтрацию несущей частоты модуляции обеспечивает фильтр с параметрами L2 = 0,15мГн, C2 = 30 мкФ, L3 = 0,15 мГн, C3 = 30 мкФ. Коэффициент сглаживания уменьшается с ростом частоты задающего сигнала, однако при частоте 1 кГц амплитуда пульсаций не превышает 2%. Задающее воздействие (кривая 1) и напряжение на вторичной обмотке ВДТ (кривая 2) практически не имеют фазового сдвига в диапазоне частот 50–350 Гц (см. рис.4.3, 4.4). Затем он появляется и возрастает до величины 100 при f = 650 Гц (рис. 4.5). Этот факт подтверждает сравнительно высокое быстродействие фильтра.
Задачу практической реализации устройства выделения сигнала суммы высших гармоник напряжения сети можно решить различными способами. Например, устройство может быть построено на аналоговой элементной базе в частности операционных усилителях. Структурная схема такого устройства выделения сигнала суммы высших гармоник представлена на рис. 4.9. Структурная схема устройства выделения сигнала суммы высших гармоник напряжения сети 1 - полосовой фильтр 2-го порядка; 2 - полосовой фильтр 6-го порядка; 3 - блок формирования косинусоидальной составляющей сигнала компенсации при отклонении частоты сетевого напряжения; 4 - блок формирования сигнала суммы высших гармоник напряжения; 5 - блок вычисления коэффициентов.
На вход устройства с измерительного трансформатора поступают фазные напряжения сети UA, UВ, UС, из которых выделяется основная гармоника сетевого напряжения (UФА, UФВ, UФС) с помощью полосового фильтра 6-го порядка (блок 2). Последний состоит из включенных последовательно трех полосовых фильтров 2-го порядка (блок 1), структура которых представлена на рис. 4.10.
Как отмечалось ранее, при отклонении частоты сетевого напряжения от номинального значения на выходе полосового фильтра возникает дополнительный фазовый сдвиг, который необходимо компенсировать. Сигнал компенсации определяется согласно выражению (3.4). Блок 3 служит для формирования косинусоидальной составляющей компенсирующего сигнала, в качестве которой для каждой фазы используется линейное напряжение между двух других фаз, взятое с выхода фильтра (UФАВ, UФВС, UФСА). В качестве синусоидальной составляющей используется выходное напряжение фильтра 6-го порядка соответствующей фазы. Величина каждой составляющей сигнала компенсации пропорционально изменяется в зависимости от величины отклонения частоты напряжения сети за счет дозирующих коэффициентов Кsin и Кcos. Последние формируются на выходе блока вычисления коэффициентов (блок 5), на вход которого с датчика частоты вращения (ДЧВ) поступает сигнал отклонения частоты вращения дизель-генераторного агрегата. Структура блока вычисления коэффициентов, которая определяется выражением (3.4), представлена на рис. 4.11.
