Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ современных устройств регулирования напряжения и мощности в системах бесперебойного электроснабжения. Постановка цели и задач исследования 12
1.1 Исследования и анализ существующих систем и устройств бесперебойного электроснабжения 12
1.2 Средства регулирования напряжения 16
1.2.1 Регулирование медленных изменений (отклонения) напряжения 17
1.2.2 Снижение колебаний напряжения 18
1.2.3 Снижение несинусоидальности напряжения 19
1.2.4 Снижение несимметрии напряжения в трехфазной сети
1.3 Средства компенсации реактивной мощности 21
1.4 Анализ применения ветроэлектрических генераторов в системах электроснабжения потребителей. Постановка цели и задач исследования
1.4.1 Альтернативные источники электроэнергии 25
1.4.2 Анализ применения ВЭГ 27
1.4.3 Постановка цели и задач исследования 30
1.5 Выводы по главе 1 32
2 Обоснование выбора схемотехнического решения Устройства бесперебойного электроснабжения с ветроэлектрическим генератором и его системы управления 33
2.1 Анализ структурных схем бесперебойного электроснабжения потребителей 33
2.2 Бестрансформаторные инверторы напряжения
2.2.1 Требования к выходному напряжению инверторов 39
2.2.2 Методы формирования выходного напряжения 41
2.2.3 Силовая часть бестрансформаторного инвертора напряжения
2.3 Построение структурной схемы системы управления Устройством бесперебойного электроснабжения с ВЭГ 48
2.4 Выводы по главе 2 53
3 Моделирование Устройства бесперебойного электроснабжения с ВЭГ и его системы управления 54
3.1 Математическая модель устройства бесперебойного электроснабжения с ВЭГ 54
3.1.1 Теоретические основы компенсации неактивной мощности.. 54
3.1.2 Режимы работы инвертора напряжения УБЭ с ВЭГ 57
3.1.3 Векторное описание мгновенной передаваемой мощности ... 61
3.1.4 Принцип формирования компенсационной мощности 68
3.1.5 Математическая модель ИН в инверторном режиме 74
3.1.6 Математическое описание алгоритма широтно-импульсной модуляции ИН 75
3.1.7 Математическое описание блока фазовой автоподстройки частоты 78
3.1.8 Метод гистерезисного контроля тока 80
3.2 Имитационная модель устройства бесперебойного электроснабжения с ВЭГ 85
3.2.1 Базовые модели элементов 85
3.2.2 Измерительные устройства 88
3.2.3 Упрощенная модель трехфазного инвертора напряжения... 89
3.2.4 Модель инвертора напряжения 89
3.2.5 Модель ИН в автономном режиме 91
3.2.6 Модель ИН при совместной работе с электросетью 91
3.3 Имитационная модель системы управления инвертором
напряжения 92
3.4 Выводы по главе 3 100
4 Исследование режимов работы системы управления устройством бесперебойного электроснабжения (УБЭ) с ВЭГ
4.1 Моделирование узла распределенной энергосистемы с ВЭГ 101
4.2 Исследование режимов работы УБЭ с ВЭГ и анализ результатов.. 107
4.2.1 Режимы работы при управлении параметрами задания подчинённого инвертора 108
4.2.2 Исследования при управлении параметрами задания ведущего и подчиненного инверторов 112
4.3 Результаты испытаний системы регулирования на базе инверторов напряжения 114
4.4 Выводы по главе 4 116
5 Инжиниринговые решения по созданию системы управления и применению Устройства бесперебойного электроснабжения с ветроэлектрогенератором 117
5.1 Технология модельно-ориентированного проектирования системы управления 117
5.2 Разработка системы управления УБЭ с ВЭГ на базе промышленного компьютера 126
5.3 Применение Устройства бесперебойного электроснабжения с ВЭГ
в системе электроснабжения ответственных потребителей 141
5.4 Выводы по главе 5 143
Заключение 145
Список использованных источников
- Регулирование медленных изменений (отклонения) напряжения
- Методы формирования выходного напряжения
- Векторное описание мгновенной передаваемой мощности
- Исследования при управлении параметрами задания ведущего и подчиненного инверторов
Введение к работе
Актуальность темы. В соответствии с Энергетической стратегией России до 2030 года, обеспечение надежности электроснабжения и высокой энергетической эффективности использования электроэнергии относятся к одним из основных стратегических целей развития электроэнергетики. В настоящее время для находящихся в эксплуатации электрических сетей общего назначения напряжением 0,4 кВ характерно низкое качество электрической энергии (статистика свидетельствует, что 90% электроэнергии, поставляемой бытовым потребителям из распределительных электрических сетей, не соответствует требованиям ГОСТ 13109-97 в отношении нормально допустимых значений). Подключение к таким сетям высокотехнологичного оборудования (компьютеров, серверов, телекоммуникационной аппаратуры, банковских технологий и др.) связано с повышенным риском выхода его из строя и, что самое опасное, с потерей информации. Для предотвращения перебоев в работе и выхода из строя ответственных потребителей электроэнергии необходимы системы бесперебойного электроснабжения, обеспечивающие непрерывное питание электрической энергией требуемого качества подключенных к ней потребителей при любых отказах и неисправностях в основных сетях электроснабжения. Такие системы строятся на основе источников бесперебойного питания (ИБП), источников резервного питания и автономных резервных источников, например, дизель-генераторных установок.
Вместе с тем, приобретает особую актуальность проблема разработки устройств бесперебойного электроснабжения на базе возобновляемых источников энергии. Решение указанной проблемы имеет большое значение для бесперебойного и качественного энергообеспечения территорий, удаленных от крупных электростанций, не охваченных электрическими сетями, испытывающих недостаток существующих мощностей. Современные технологии позволяют отнести энергию ветра к числу возобновляемых источников, имеющих наиболее значительный экономический потенциал. Особенностью ветроэлектрических установок (ВЭУ) является нестабильность выходной мощности, связанная с непостоянством характеристик ветра как энергоносителя. Для эффективной передачи и распределения электроэнергии в системах электроснабжения с ветроэлектрическим генератором (автономным источником нестабильной мощности) необходимо решить задачу согласования (сопряжения) выходных параметров ВЭУ с параметрами промышленной электросети и входными параметрами потребителей. Также следует обеспечить оперативное управление режимами работы системы электроснабжения за счет гибкого перераспределения активной и реактивной мощности в зависимости от конкретной складывающейся ситуации, связанной с изменением нагрузки или параметров ветра и соответствующим изменением выходных мощностей ВЭУ.
Значительный вклад в развитие теории и практики применения ветроэлектрических установок в системах электроснабжения внесли отечественные ученые П.П. Безруких, В.Н. Ефанов, В.Г. Николаев, О.С. Попель, Я.И. Шефтер и др. Однако проблема синхронизации автономного источника нестабильной ограниченной мощности с общепромышленной сетью пока не решена, что сдерживает широкое применение ВЭУ в системах электроснабжения потребителей.
Таким образом, необходимость в разработке системы электроснабжения с автономным источником нестабильной мощности, позволяющей эффективно использовать энергию возобновляемых источников и обеспечивающей бесперебойное питание ответственных потребителей электрической энергией требуемого качества, обуславливает научную актуальность темы диссертационной работы.
Объект исследования. Система двойного питания «общепромышленная электрическая сеть – автономный источник нестабильной мощности».
Предмет исследования. Энергоэффективные режимы работы системы электроснабжения с автономным источником нестабильной мощности.
Цель работы. Решение вопросов сопряжения параметров и управления системы двойного питания «общепромышленная сеть – автономный источник нестабильной мощности (на примере ветроэлектрического генератора)», обеспечивающих эффективность передачи и распределения электрической энергии, ее качество и бесперебойность электроснабжения ответственных потребителей.
Для достижения поставленной цели, в работе решаются следующие научные и практические задачи.
-
Исследование и анализ существующих устройств бесперебойного питания, средств регулирования напряжения и мощности, применения ветроэлектрических генераторов в системах электроснабжения потребителей.
-
Обоснование выбора схемотехнического решения Устройства бесперебойного электроснабжения с ветроэлектрическим генератором и его системы управления.
-
Разработка имитационной модели системы управления Устройства бесперебойного электроснабжения с ветроэлектрическим генератором. Исследование энергоэффективных режимов работы Устройства.
-
Создание прототипа системы управления Устройства бесперебойного электроснабжения с ветроэлектрическим генератором на базе промышленного компьютера.
Положения, выносимые на защиту:
-
Схемотехническое решение Устройства бесперебойного электроснабжения с ветроэлектрическим генератором (УБЭ с ВЭГ) и его системы управления, обеспечивающее эффективное и бесперебойное питание электропотребителей.
-
Компьютерная модель Устройства бесперебойного электроснабжения с ветроэлектрическим генератором, работающего в автономном режиме и параллельно с общепромышленной электросетью.
-
Имитационная модель системы управления Устройства бесперебойного электроснабжения с ветроэлектрическим генератором.
-
Результаты исследований энергоэффективных режимов работы Устройства бесперебойного электроснабжения с ветроэлектрическим генератором (режимы компенсации неактивной мощности и регулирования потока мощности).
Методы исследования. Исследования проводились методами математического и программно-ориентированного (имитационного) моделирования с широким использованием основных законов теоретических основ электротехники и промышленной электроники. При разработке математической модели устройства бесперебойного электроснабжения использован математический аппарат общей теории мгновенной мощности. При разработке математической модели системы управления использован математический аппарат с применением преобразований Кларка и Парка-Горева. Имитационное моделирование УБЭ с ВЭГ осуществлялось с применением пакета Matlab/Simulink. Разработка прототипа системы управления Устройства бесперебойного электроснабжения с ВЭГ основана на использовании пакета реального времени Real Time Windows Target. Проверка и тестирование разработанной системы управления проводились по схеме “Hardware-in-the-Loop”.
Научная новизна.
Предложены алгоритмы управления и реализующее их схемотехническое решение Устройства бесперебойного электроснабжения с автономным источником ограниченной нестабильной мощности, отличающееся от существующих наличием в составе двух бестрансформаторных инверторов напряжения (ведущего и подчиненного), связанных емкостным накопителем энергии, что позволяет реализовать как автономный режим работы ВЭГ, так и параллельный с промышленной электросетью.
Разработаны методические принципы построения и реализации математических моделей УБЭ в компенсационном и инверторном режимах, отражающие физические процессы в трёхфазной четырёхпроводной системе электроснабжения при наличии двух независимых источников питания: локальной сети с ВЭГ и промышленной электрической сети.
На основе математического аппарата с применением преобразований Кларка и Парка-Горева разработана система управления УБЭ с ВЭГ, позволяющая оперировать не виртуальными мгновенными мощностями, а непосредственно активными и реактивными составляющими тока и напряжения, что значительно упрощает взаимодействие с внешними цепями задания и регулирования требуемых параметров качества электроэнергии в промышленных сетях.
Разработана виртуальная модель узла системы электроснабжения двойного питания (локальная сеть с ВЭГ - общепромышленная сеть) для исследования взаимодействия инверторов напряжения и сетей по потокам мощности активной и реактивной составляющих с заданными параметрами. Это позволило получить регулировочные характеристики зависимостей потоков активной и реактивной мощностей между двумя электрическими сетями от угла и амплитуды напряжения задания системы управления и выявить энергоэффективные режимы работы УБЭ с ВЭГ.
Практическая ценность.
Разработано новое Устройство бесперебойного электроснабжения, учитывающее нестабильность выходной мощности автономного источника энергии и обеспечивающее непрерывное питание электрической энергией требуемого качества подключенных к нему потребителей.
Предложено решение проблемы синхронизации автономных источников нестабильной ограниченной мощности с общепромышленной сетью, реализованное в разработанной схеме УБЭ с ВЭГ и законах его управления. Это будет способствовать широкому применению ВЭУ в системах электроснабжения потребителей.
Реализован интерактивный процесс разработки прототипа системы управления, включающий пакет Real Time Windows Target, осуществляющий автоматическую генерацию управляющего кода из Simulink. Данный процесс разработки позволяет создать законченную работоспособную систему управления и непосредственно перейти к управлению реальным объектом сразу же после окончания исследований, исключая дополнительные затраты на адаптацию при внедрении разработанной системы.
Реализация результатов работы. Решения по созданию системы автоматического регулирования процессом преобразования и передачи электрической энергии в системах бесперебойного электроснабжения внедрены ЗАО «ЭлектроИнтел», где на базе опытного производства проведена их промышленная апробация, показавшая положительные практические результаты. Предложенные технологии программно-аппаратной разработки прототипов систем автоматического регулирования позволяют значительно снизить материальные и временные затраты на их изготовление.
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедр «Электроэнергетика и электроснабжение» и «Промышленная электроника» Факультета автоматики и электромеханики Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева при чтении лекций, проведении лабораторных и научно-исследовательских работ по курсам «Системы электроснабжения», «Автоматизированные системы управления в электроснабжении» и «Промышленная электроника».
Апробация работы. По основным теоретическим положениям и результатам диссертации сделаны доклады: на XL Всероссийской научно-практической конференции «Федоровские чтения 2010», г. Москва, Московский энергетический институт (Технический университет), 2010г.; международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи» г. Самара, СамГТУ, 2011г.; научно-технической конференции «Актуальные проблемы электроэнергетики», г. Нижний Новгород, НГТУ, 2010г.; VII, VIII Всероссийской научной молодежной школе с международным участием «Возобновляемые источники энергии», г. Москва, МГУ, 2010г, 2012г.; XVII региональной конференции «Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки», г. Нижний Новгород, 2012 г.; X и XI Международных молодежных научно-технических конференциях «Будущее технической науки», г. Нижний Новгород, НГТУ, 2011, 2012 гг.; конференции «Использование возобновляемых источников энергии», г.Москва, ЦВК «Экспоцентр», 2011 г. Работа, в целом, докладывалась на расширенном заседании кафедры «Электроэнергетика и электроснабжение» Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева и научно-техническом совете Электротехнического факультета Самарского государственного технического университета.
Публикации. Основные научные результаты диссертации отражены в 13 публикациях, в том числе 3 публикациях в рецензируемых научных журналах «Промышленная энергетика», «Теплоэнергетика», «Инженерный вестник Дона» из Перечня, утвержденного ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и четырех приложений. Объем работы составляет 218 страниц сквозной нумерации, в том числе 147 страниц основного текста (54 рисунка и 12 таблиц), список использованных источников из 215 наименований на 20 страницах, 51 страница приложений.
Регулирование медленных изменений (отклонения) напряжения
Для электрических сетей РФ общего назначения напряжением 0,4 кВ характерны низкие надежность и качество электрической энергии (отклонения и колебания напряжения, несимметрия трехфазной сети, несинусоидальность и др.) [83, 111, 112]. Подключение к таким сетям высокотехнологичного оборудования (компьютеров, телекоммуникационной аппаратуры, автоматики, систем управления непрерывными процессами, систем безопасности, связи, охранной и пожарной сигнализации, медицинского оборудования и др.) связано с повышенным риском выхода этого оборудования из строя и, что самое опасное, с потерей информации [95, 96]. В результате этого государственные учреждения и частные компании несут значительные убытки. Для предотвращения перебоев в работе и выхода из строя ответственных потребителей электроэнергии применяются системы бесперебойного электроснабжения. Это системы, обеспечивающие требуемое количество и качество электрической энергии (ЭЭ) в течение заданного времени для электроснабжения потребителей при отказе стационарного электропитания.
В основе систем бесперебойного электроснабжения лежат источники бесперебойного питания (ИБП) или агрегаты резервного питания [2, 37, 53], которые можно разделить на три типа: устройства аварийного, резервного и бесперебойного электроснабжения (ЭС). Устройства аварийного ЭС автоматически подключаются к шинам потребителей в момент исчезновения напряжения в питающей сети. Они предназначены для обеспечения безопасности и предупреждения массовых аварий и повреждения оборудования. Устройства резервного ЭС вводятся в СЭС для обеспечения потребителей электроэнергией требуемого качества в течение определенного периода времени. Устройства бесперебойного ЭС обеспечивают непрерывное питание электрической энергией требуемого качества подключенных к ним потребителей при любых отказах и неисправностях в основных сетях ЭС. Существует большое количество разнообразных агрегатов резервного питания, различающихся по мощности, составу оборудования, способу подключения к внешней сети, допустимому времени перерыва питания потребителей, времени работы без основного источника питания, структурным схемам.
В системах бесперебойного электроснабжения (СБЭС) потребителей применяют агрегаты резервного питания как с вращающимися (АРПВ), так и со статическими (АРПС) преобразователями. Преимуществом схем СБЭС с АРПВ является отсутствие перерыва питания нагрузки за счёт инерции вращающихся масс электрических машин. В течение перерыва ЭС электродвигателей на выходных клеммах генераторов напряжение не исчезает. Недостатки АРПВ аналогичны недостаткам вращающихся машин: сложность в эксплуатации, громоздкость, шум. Данные схемы морально и физически устарели.
Появление новой силовой и микроэлектронной полупроводниковой элементной базы, новых материалов и развитие схемотехники привело к появлению СБЭС с АРПС [32]. Современные статические преобразователи существенно отличаются от электромашинных преобразователей по проектным и эксплуатационным показателям. Это обеспечивает: уменьшение массогабаритных характеристик (в десятки раз); резкое снижение уровня шума и вибрации; повышение КПД (с 50% до 85%), за счёт снижения потерь; создание сети бесперебойного питания с горячим резервированием без применения электромеханических переключателей.
Перечисленные достоинства АРПС обуславливают широкое применение статических преобразователей в СБЭС [2, 3, 115]. К недостаткам статических преобразователей относят низкое значение входного коэффициента мощности. По установленной мощности АРПС разделяются на ИБП: малой мощности (от 0,25 до 3,0 кВт); средней мощности (от 3,0 до 10,0 кВт); большой мощности (от 10,0 до 800,0 кВт и более).
В настоящее время наиболее распространены АРПС следующих типов [16]: ИБП с переключением {Off-Line UPS); ИБП, взаимодействующий с сетью {Line-Interactive UPS); ИБП с двойным преобразованием энергии {On-Line UPS).
Методы формирования выходного напряжения
Силовая схема одной фазы ИН аналогична силовой схеме реверсивного полумостового широтно-импульсного преобразователя (ШИП), питающегося разнополярным напряжением. Функциональная схема системы управления (СУ) ИН для фазы А показана на рисунке 3.4. Входными сигналами СУ являются сигналы обратной связи с датчиков, измеряющих мгновенные значения сетевого напряжения (Us), тока дросселя LjCf фильтра (/#,), тока нагрузки (//,), напряжений на накопительных конденсаторах (Uci и Uci) и напряжения на нагрузке (4а). На вход СУ также подаётся логический сигнал S, значение которого равно «1» при работе УБЭ с ВЭГ параллельно с ЕЭС и «0» при автономной работе УБЭ с ВЭГ на нагрузку (инверторный режим работы ИН). В зависимости от значения S применяются различные алгоритмы работы системы управления.
При S = 0 применяется алгоритм формирования на нагрузке напряжения, удовлетворяющего требованиям ГОСТ Р 54149-2010. В СУ реализуется алгоритм нижнего канала, состоящего из блока фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), блока ограничения тока транзисторов ИН и стабилизации напряжения на нагрузке, блока широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Алгоритм нижнего канала СУ таков. Допустим, что в некоторый момент времени to произошло отключение потребителя от ЕЭС. Запуск и выход на установившийся режим дизель-генератора займёт определённое время, в течение которого необходимо обеспечить на входных зажимах нагрузки стабилизированное синусоидальное напряжение (значения частоты со и фазы р напряжения на нагрузке должны быть равны соответствующим значениям напряжения ЕЭС до момента отключения t0). Иначе в момент перехода на инверторный режим возможны перенапряжения на нагрузке и экстратоки через транзисторные ключи ИН. С этой целью блоком ФАПЧ ведётся постоянный расчёт амплитуды сетевого напряжения /&,» его частоты и начальной фазы. Эти значения передаются в следующий блок, в котором происходит формирование модулирующего синусоидального сигнала US[na, его стабилизация и ограничение тока транзисторов за счёт сигналов обратной связи по напряжению Uia и току ifa. Модулирующий сигнал используется в блоке ШИМ для формирования управляющих импульсов транзисторов. При изменении сигнала S с «1» на «О» переключается логический ключ К и управляющий сигнал иуа поступает на драйвер ИН. При выходе на установившийся режим работы Д-Г или восстановлении работы ЕЭС необходимо переключить нагрузку на первичный источник питания.
При S = 1 (работа УБЭ параллельно с ЕЭС) в СУ реализуется алгоритм верхнего канала, применяемый для управления ИН в компенсационном режиме. На вход блока определения компенсационных токов и стабилизации напряжения на КБ поступают сигналы с датчиков, измеряющих напряжение на конденсаторах С/с/, Uc2, напряжения сети Us и тока нагрузки iL.
В блоке гистерезисного контроля тока происходит формирование управляющих импульсов транзисторов ИН, по закону, определяемому формой компенсационного тока iCa. Ток фильтра ifa является сигналом обратной отрицательной связи, обеспечивающей контроль управляющих импульсов Uya.
Компенсационный режим ИН Компенсация неактивной мощности может быть осуществлена за счёт формирования на выходе ИН компенсационных токов, уменьшающих значения передаваемой реактивной мощности и мощности искажения [28].
В случае уменьшения влияния реактивной мощности, ИН должен формировать на выходе синусоидальный ток, равный по амплитуде, но находящийся в противофазе с реактивной составляющей тока нагрузки. Для компенсации мощности искажения в состав сетевого напряжения и тока должны вноситься токи и напряжения, не содержащие основную гармонику, но находящиеся в противофазе и равные по амплитуде таким же наивысшим гармоникам, генерируемым нелинейной нагрузкой [99, 101].
Для формирования компенсационных токов ИН необходима взаимозависимая система, обеспечивающая связь между передаваемой мощностью и компенсационными токами. Такая взаимосвязь отражается в теории мгновенной мощности [194], которая может быть представлена как в стационарной комплексной а, р, у - системе координат, так и в синхронной комплексной d, q, 0 - системе координат. На основе математического аппарата общей теории мгновенной мощности [33] разработана математическая модель процесса компенсации неактивной мощности, отражающая физические процессы в трёхфазной четырёхпроводной системе электропитания. Введение понятия мгновенной активной мощности, как скалярного произведения компонентов векторов напряжения и тока, и представление мгновенной реактивной мощности в качестве трёхмерного вектора, позволило сформировать математическую модель, максимально приближенную к физическим процессам. На основе данной модели была построена СУ ИН, отличающаяся повышенной точностью формирования компенсационных токов, а особый алгоритм разложения активной и реактивной мгновенной мощности позволяет получить наилучшие показатели коэффициента мощности.
Векторное описание мгновенной передаваемой мощности
Здесь присутствуют две автономные сети: Grid_l (Сеть 1) и Grid_2 (Сеть 2), каждая из которых представлена источником напряжения El (Е_2), собственным импедансом Z_\ (Z_2) и нагрузкой Load_\ (Load_2). Обе сети имеют нагрузку со среднестатистическим cos (рн = 0,7.
Сеть 1 имитирует сеть с возобновляемым источником ВЭГ. Нагрузка сети 1 учитывает возможные собственные нужды ВИЭ ВЭГ. Сеть 2 представляет модель промышленной электросети. Устройство интеграции ВЭГ в промышленную электросеть, обеспечивающее сопряжение их параметров, выполнено на двух инверторах напряжения, объединённых по цепи постоянного тока с емкостным накопителем. Причем инвертор со стороны подключения ВЭГ является подчинённым, а инвертор со стороны промышленной сети - ведущим.
На начальном этапе исследования для поиска критериев взаимодействия по потокам мощности между упомянутыми сетями все их параметры приняты одинаковыми. Маски задания параметров приведены в Приложении Б. В качестве сетевых источников принят трехфазный программируемый источник напряжения Three-Phase Programmable Voltage Source из библиотеки SimPowerSystemslElectrical Sources. Маска задания его параметров приведена на рисунке Б. 1.
Здесь устанавливаются стационарные значения величины напряжения, частоты и начальной фазы, как в сторону опережения, так и в сторону отставания. Кроме того, в окне маски «Time variation of: » можно задать временное изменение одного из названных параметров. Это в значительной степени расширяет возможности экспериментов в дальнейшем. Импеданс сети и нагрузка заданы масками, представленными на рисунке Б.2.
Параллельно каждой сети подключен инвертор напряжения (ИН), включающий в себя формирователь напряжения управления Control_\, Control_2, силовой модуль Invertor_\, Invertor_2 и фильтр Lf_l,Lf_2, Cfl, Cf_2. Элементы фильтра инвертора представлены блоками Three-Phase Series RLC Branch из библиотеки SimPowerSystems/Elements. Маска их параметров приведена на рисунке Б.З. Инверторы имеют общее звено постоянного тока, представленное конденсаторами О и С2 (емкостной накопитель) с общей точкой для обеспечения пофазного управления инверторами. Маска параметров конденсаторов приведена на рисунке Б.4.
Измерители напряжений с VI по V_l и токов с 1_\ по 16 в схеме представлены блоками Voltage Measurement и Current Measurement соответственно из библиотеки SimPowerSystemslMeasurements с параметрами по умолчанию.
Элементы модели с Gotol по GotoYi представлены блоками Goto из библиотеки SimulinklSignal Routing и предназначены для передачи соответствующих сигналов в блок измерений Measure. Маска параметров блока Goto на примере элемента Gotol приведена на рисунке Б.5.
Далее следуют блоки, не принадлежащие библиотекам, а оформленные в виде подсистем. К их числу относятся формирователи напряжения управления Control_l, Control_2. Схема данной подсистемы приведена на рисунке 4.2.
В качестве источника напряжения управления Soursel принят программируемый источник напряжения Three-Phase Programmable Voltage Source, маска параметров которого приведена на рисунке Б.1. Это позволяет в процессе исследования легко изменять амплитуду напряжения управления, а так же его фазу относительно напряжения соответствующей сети. Изменение этих параметров можно выполнять в различных комбинациях по отношению к первому и второму инверторам, что порождает большое количество различных режимов работы узла электрической сети. Измерители напряжения V_l, V_2, совместно с мультиплексором Mux из библиотеки SimulinklSignal Routing и масштабным усилителем Gain из библиотеки SimulinklMath Operations преобразуют sps-ситал от источника в векторный -сигнал, необходимый для формирования сигналов управления силовым модулем. Маска параметров усилителя приведена на рисунке Б.6.
Следующей подсистемой представлен силовой модуль Invertorl и Invertor_2. Схема данного блока представлена на рисунке 4.3.
Для построения силового модуля ИН принята трехфазная мостовая шестипульсная схема. Её функции выполняет блок Universal Bridge из библиотеки SimPowerSystemslPower Electronics, позволяющий выбрать в качестве ключевых элементов любые полупроводниковые приборы силовой электроники. Однако, для ускорения процесса симуляции модели, в качестве ключевых элементов в данном случае выбраны идеальные управляемые ключи. Маска параметров блока приведена на рисунке Б.7.
Организацию синусоидальной ШИМ при управлении мостовой ключевой схемой выполняет блок PWM Generator из библиотеки SimPowerSystemsiExtra LibrarilControl blocks. Маска параметров приведена на рисунке Б.8. Для исследования взаимодействия инверторов и сетей по потокам мощности необходимо определить их составляющие. Такую задачу выполняет подсистема Measure
Исследования при управлении параметрами задания ведущего и подчиненного инверторов
Блок Logical Operator из библиотеки Simulink /Logic and Bit Operations предназначен для выполнения заданной логической операции. Окно установки параметров блока Logical Operator для функции NOT показано на рисунке В.20. Аналогичные параметры имеет и блок OR.
Для визуализации результатов моделирования управляющих импульсов в виде графической зависимости используется блок виртуального осциллографа Scope из библиотеки Simulink/Skinks. Параметры данного блока при работе модели в режиме реального времени должны быть адаптированы следующим образом.
Для настройки вывода данных следует в меню Tools выбрать пункт External Mode Control Panel, после чего в открывшемся окне нажать кнопку Signal & Triggering Options. В открывшемся окне в поле Duration указывается число выборок, которое Matlab должен запомнить. Данное значение можно при необходимости изменить. В области Signal selection необходимый блок Scope должен быть отмечен знаком X ( рисунок 5.16).
После этого следует в модели открыть блок Scope: выбрать вкладку History в параметрах блока; снять отметку с пункта Limit data points to last; отметить пункт Save data to Workspace; в поле Format выбрать значение Array. В результате параметры блока Scope должны соответствовать рисунку 5.17.
Для правильного подключения модели СУ в режиме реального времени необходимо выполнить установку параметров моделирования в среде Matlab/Simulink и осуществить экспорт созданной модели из Matlab/Simulink в динамическую библиотеку DLL.
Следующим этапом является компиляция модели. Для этого следует перейти в окно модели. В меню Tools нужно выбрать пункт Code Generation, после чего выбрать пункт Options: в появившемся диалоговом окне (рисунок 5.19) в дереве слева выбрать элемент Code Generation; в поле System target file задать значение rsim.tlc; в поле Language установить значение С. убедиться, что в поле Make command задано make_rtw. в поле Template makefile выбрать rtwin.tmf. для запуска процесса компиляции и сборки //-библиотеки нажать кнопку Build.
Применение Устройства бесперебойного электроснабжения с ВЭГ в системе электроснабжения ответственных потребителей
На рисунке 5.20 приведена энергоэффективная схема электроснабжения двойного питания «общепромышленная электросеть — ветрогенератор», обеспечивающая бесперебойное электроснабжение ответственных потребителей. Для резервирования питания используется дизель-генератор.
Снабжение потребителей электрической энергией осуществляется от двух параллельно работающих источников - распределительного устройства РУ 0,4 кВ трансформатора Тр2 и устройства бесперебойного электроснабжения (УБЭ) с ветрогенератором. В РУ 0,4 кВ Тр2 электрическая мощность поступает из электроэнергетической системы, проходя следующий путь: генератор -воздушная линия (ВЛ) - трансформатор ГПП (Tpl) - кабельная линия (КЛ) -трансформатор 10/0,4 кВ. Передача электроэнергии на большие расстояния характеризуется значительными потерями, поэтому приоритетным источником питания является УБЭ с ветрогенератором, находящимся в непосредственной близости от потребителей. В периоды, когда энергии ветра достаточно для полного покрытия графика нагрузки потребителей мощность от энергетической системы не используется. Излишки вырабатываемой ветрогенератором мощности могут запасаться в аккумуляторных батареях и использоваться в периоды отсутствия ветра. В случае недостаточной энергии, вырабатываемой ветрогенератором, питание потребителей осуществляется от энергетической системы. При этом защитный автомат QF1 остается включенным, и часть графика нагрузки потребителей покрывается за счет энергии от ветрогенератора.
УБЭ с ветрогенератором и выводы РУ 0,4 кВ Тр2 подключены к вводному распределительному устройству (ВРУ), расположенному на объекте снабжения. В ВРУ находится вводной автомат (QF4), при срабатывании которого отключаются все потребители. От выхода вводного автомата провода электропитания подключаются к электросчетчику (Wh). Электросчетчик выполняет функцию коммерческого учета потребления электрической энергии.
Для гарантированного бесперебойного электроснабжения потребителей предусмотрен третий источник питаний - резервный дизельный генератор, подключенный к шине бесперебойного питания. В нормальном режиме работы дизельный генератор находится в резерве, защитный автомат QF3 отключен. При нарушении электроснабжения потребителей от основных источников питания срабатывает устройство автоматического ввода резерва (АВР). Снабжение потребителей восстанавливается путем перевода на резервный дизельный генератор.
Провода, по которым осуществляется снабжение ответственных потребителей, защищены устройствами защитного отключения (QD1-5) и автоматами защиты (QF6-11).
Ответственные потребители (компьютеры, вычислительная техника, лабораторные установки, система освещения) получают питание на напряжение 220В. Для повышения электробезопасности при эксплуатации электрооборудования и повышения уровня защиты от поражения электрическим током используются заземляющий проводник (РЕ) и нулевой рабочий проводник (N).
