Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ известных устройств улучшения качества элетроэнергии и разработка новых технических решений 8
1.1 Обзор устройств улучшения качества электроэнергии 8
1.2. Пассивные, активные и гибридные фильтры 13
1.3. Стабилизаторы трехфазного напряжения 24
1.4 Разработка новых технических решений 27
ВЫВОДЫ 32
ГЛАВА 2. Разработка компенсатора реактивной мощности со стабилизацией напряжения и его математичекой модели 33
2.1 Активный фильтр тока и его математическая модель 33
2.2 Вычислитель — оценщик системы управления активным фильтром и его математическая модель 48
2.3 Стабилизатор трехфазного напряжения и его математическая модель 66
ВЫВОДЫ 71
ГЛАВА 3. Анализ процессов компенсации реактивной мощности, мощности искажений, мощности асимметрии и стабилизации напряжения на разработанной математической модели 72
3.1 Особенности нагрузок трансформаторных подстанций пуска
3.3 Процессы в компенсаторе реактивной мощности со стабилизацией напряжения и улучшенным качеством токов в установившемся режиме 79
3.4 Процессы в компенсаторе реактивной мощности со стабилизацией напряжения и улучшенным качеством токов в динамическом режиме 86
3.5 Особенности работы компенсатора реактивной мощности со стабилизацией напряжения и улучшенным качеством токов в стационарном режиме при работе на промышленной подстанции... 95
3.6 Расчет энергетических показателей трансформаторных подстанций с компенсатором реактивной мощности и без него 98
ВЫВОДЫ 100
ГЛАВА 4. Разработка макетного образца предлагаемого устройства и проверка на нем адекватности теоретических положений 102
4.1 Силовая схема макетного образца 102
4.2 Система управления макетным образцом 105
Выводы 114
Заключение 115
Список использованных источников 116
- Стабилизаторы трехфазного напряжения
- Вычислитель — оценщик системы управления активным фильтром и его математическая модель
- Процессы в компенсаторе реактивной мощности со стабилизацией напряжения и улучшенным качеством токов в установившемся режиме
- Расчет энергетических показателей трансформаторных подстанций с компенсатором реактивной мощности и без него
Введение к работе
Актуальность работы: Диссертационная работа направлена на решение проблемы повышения качества и экономии электроэнергии. Это направление относится к приоритетным направлениям в области электротехники и согласуется с Федеральной Комплексной программой и рядом отраслевых программ, в которых представлена стратегия по совершенствованию энергосистемы страны. Кроме этого, следует подчеркнуть, что в диссертационной работе одновременно решаются проблемы компенсации реактивной мощности и стабилизации напряжения, которые каждая в отдельности относятся к важнейшим тематикам.
В сетях переменного напряжения с трансформаторными подстанциями промышленных предприятий и тяговых энергосистем, вследствие особенностей нагрузок и их большой мощности создаются большие потери активной энергии. Для этих потребителей электроэнергии проблема повышения ее качества ставиться особенно остро, из-за постоянно возрастающей стоимости электроэнергии и требований к ее качеству со стороны генерирующих и распределяющих энергосистем. В связи с этим, применяемые ранее методы и средства повышения качества и экономии электроэнергии на сегодняшний день не могут обеспечить должного уровня и комплексного подхода к решению проблемы энергосбережения.
Таким образом, создание технического решения, комплексно решающего проблему повышения качества и экономии электроэнергии в сетях переменного напряжения с трансформаторными подстанциями промышленных предприятий и тяговых энергосистем, является весьма актуальным.
Целью работы яв ляется разработка и исследование компенсатора реактивной мощности со стабилизацией напряжения и улучшенным качеством токов для трансформаторных подстанций (далее по тексту именуемый компенсатор реактивной мощности).
Для достижения поставленной цели ставились и решались следующие задачи:
1. Разработка силовой части и системы управления компенсатором реактивной мощности, высших гармонических составляющих и асимметрии тока со стабилизацией напряжения.
2. Разработка математической модели нового многофункционального устройства компенсатора.
3. Исследование физических процессов компенсатора реактивной мощности на математической модели.
4. Разработка способов управления многофункциональным устройством компенсатора в пусковых и стационарных режимах работы.
5. Создание макетного образца компенсатора реактивной мощности и его экспериментальное исследование.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Новое техническое решение силовой части компенсатора реактивной мощности и его системы управления.
2. Математическая модель компенсатора реактивной мощности.
3. Способ пуска подстанции с компенсатором реактивной мощности.
4. Способ управления компенсатором реактивной мощности в стационарных режимах работы.
5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований. Методы исследований базируются на методах теории автоматического управления, физического моделирования, экспериментальных исследований и числительных экспериментов. При решении задач исследования пусковых и стационарных режимов работы системы, определении структуры и параметров предложенных моделей использовались методы цифрового моделирования на основе пакета MATLAB/SimPowerSystems.
Научная новизна диссертационной работы.
1. Впервые предложена структура устройства, обеспечивающего одновременную компенсацию реактивной мощности, стабилизацию напряжения, фильтрацию и симметрирование токов для комплектной трансформаторной подстанции.
2. Разработана методика исследования компенсатора реактивной мощности в пусковых и стационарных режимах на блочно-модулыюй модели.
3. В результате численных экспериментов на разработанной математической модели выявлены рациональные способы управления компенсатором реактивной мощности в пусковых и стационарных режимах работы подстанций.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:
1. Предложении нового технического решения, позволяющего одновременно компенсировать реактивную мощность, высшие гармонические составляющие и асимметрию токов на низкой стороне и стабилизировать напряжение на высокой стороне трансформаторной подстанции.
2. Разработке математической модели компенсатора реактивной мощности для исследования его физических процессов.
3. Рекомендациях по пуско-наладке и методике испытания при разных видах нагрузки и динамике ее изменения.
Реализация результатов работы. Разработанное устройство компенсатора реактивной мощности внедрено в учебный процесс кафедры «Промышленная электроника» ГОУВПО «КнАГТУ».
Стабилизаторы трехфазного напряжения
Стабилизаторы напряжения с точки зрения ГОСТ 13109-97 являются устройствами для компенсации отклонения и колебаний напряжения, которые являются значимыми и часто встречающимися ПКЭ для любой энергосистемы. Допуск отклонения напряжения для электрооборудования промышленного назначения (электродвигатели и пускорегулирующая аппаратура) находиться в пределах 5—10% номинального, светильников рабочего освещения и прожекторных установок в пределах 2,5—5% номинального. Класс стабилизаторов довольно обширен /31, 32, 50/. Для трехфазных сетей активно используются стабилизаторы с применением вольтодобавочных устройств /35/. Эти стабилизаторы в свою очередь также имеют несколько вариаций. Например, самый простой вариант стабилизатора трехфазного напряжения (СТН) - с использованием вольтодобавочного трансформатора, с управляющим устройством с переключающимися обмотками, представленный на рис. 1.11. Управляющее устройство в таких стабилизаторах может быть как механическим, так и электронным. Такие СТН имеют простую систему управления, но вместе с тем имеют существенные недостатки: обладают дискретным шагом стабилизации, усложняется процесс изготовления вольтодобавочных трансформаторов и не обеспечивается процесс стабилизации колебаний напряжения.
Второй вариант СТН это стабилизатор с амплитудно-фазовым (АФ) управлением /35, 54/. Схема этого СТН показана на рис. 1.12. Так же как и в предыдущем случае здесь используется один трехфазный инвертор напряжения. Из названия ясно, что регулирование напряжения происходит не только изменением амплитуды добавочного напряжения, но и регулированием фазы добавочного напряжения. Канал регулирования амплитуды является основным, а канал регулирования фазы дополнительным используется для коррекции напряжения на выходе подстанции. Этот способ регулирования добавочного напряжения имеет повышенное быстродействие и точность стабилизации по сравнению с предыдущим. Как недостаток этой схемы можно назвать более сложную систему управления по сравнению с предыдущей схемой СТН.
Другой вариант СТН с амплитудно-импульсным шести-поддиапазонным регулированием предложен в /35/ и показан на рис. 1.13. Данный стабилизатор имеет два инвертора напряжения со встречным регулированием углов управления мостами. Канал регулирования амплитуды является вспомогательным, а канал шестиподдиапазонного импульсного регулирования напряжения является основным. Амплитудное регулирование осуществляется при помощи реверсивного выпрямителя, который питает инверторы напряжения. Импульсное регулирование осуществляется при помощи инверторов ИН1 и ИН2, при этом достигается эффект улучшения формы кривой выходного напряжения. Благодаря наличию двух инверторов такой СТН осуществляет более точную стабилизацию напряжения и является более быстродействующим по сравнению с предыдущими. Такие стабилизаторы более сложны в изготовлении и соответственно имеют стоимость выше, чем у двух ранее рассмотренных, но это не умоляет всех перечисленных выше их достоинств. Следует отметить, что схему этого СТН можно упростить, если использовать вместо двух инверторов один, при этом незначительно изменить схему управления. Упрошенный СТН с амплитудно-импульсным управлением будет иметь меньшую стоимость, по сравнению со схемой с двумя инверторами, а его характеристики незначительно ухудшаться.
Создание новых устройств улучшения качества электроэнергии является важнейшей проблемой в области электроэнергетики и сложной технической задачей. После проведения критического анализа подобных устройств рассмотрения их достоинств и недостатков можно сделать вывод о том, что созданные устройства улучшения качества электроэнергии на сегодняшний день лишь частично решают поставленную задачу. Для решения поставленной задачи и создания устройства с улучшенными энергетическими, технико-экономическими и массогабаритными показателями, безусловно, необходим комплексный подход, с использованием последних достижений науки и техники в области силовой электроники и теории автоматического регулирования. Предлагается схемо-техническое решение (компенсатор реактивной мощности) /52/, которое позволяет изменить ситуацию с повышением качества электроэнергии не только в отношении трансформаторной подстанции, но и в отношении производителей и потребителей электроэнергии. Устройство устраняет негативное влияние токов на выходе подстанции и нестабильность напряжения на ее входе. Это, в свою очередь, приводит к комплексному улучшению энергетических показателей подстанции, нагрузки, сети, а также к улучшению массогабаритных и технологических показателей силового трансформатора подстанции, вследствие того, что отпадает необходимость в отводах у обмоток и переключающих устройствах на его высокой стороне /28/.
Вычислитель — оценщик системы управления активным фильтром и его математическая модель
Сигнал управления активным фильтром формирует система управления, определение сигнала управления в этой системе осуществляется вычислителем - оценщиком (ВО). Он работает по принципу непосредственного вычисления сигнала управления активным фильтром в трехфазных координатах. Для формирования управляющего сигнала при использовании предлагаемого принципа управления, не требуются промежуточное преобразования координат токов и напряжений. Такие преобразования лежат в основе многих существующих на сегодняшний день СУ, но они усложняют реализацию системы управления и делают ее доступной только с использованием контроллеров. Предлагаемый же способ управления легко реализуется на аналоговых элементах, что делает его не только простым, но и надежным. Предлагаемый принцип построения системы управления активным фильтром тока заключается в определении сигнала управления являющегося разностью мгновенного значения искаженного тока нагрузки и синусоидального опорного напряжения, в качестве которого используется первая гармоника напряжения сети с амплитудой, равной амплитуде первой гармоники тока нагрузки /38/. Функциональная схема системы управления показана на рис. 2.9
Первым шагом в алгоритме управления является выделение из напряжения сети первой гармоники, которая будет являться опорным напряжением. Это делается для того чтобы исключить ошибку вычисления в случае если форма напряжения по какой либо причине будет искажена. Для выделения первой гармоники из напряжения сети используем фильтр нижних частот с частотой среза 51Гц. После того как получены первые гармоники напряжений во всех фазах остается произвести вычитание их из сигналов тока. Но для этого необходимо чтобы первые гармоники тока и напряжения были равны по амплитуде. Для этого вводим в систему управления алгоритм вычисления масштабирующих коэффициентов. Они являются сигналами коррекции амплитуды опорного напряжения. Механизм их получения следующий. Сначала происходит выделение первой гармоники из сигнала тока, затем вычисляются действующие значения первых гармоник тока и напряжения полученных ранее. Частное, между найденными действующими значениями помноженное на мгновенное значение тока нагрузки, даст результирующий сигнал, амплитудное значение первой гармоники которого будет равно амплитудному значению первой гармоники напряжения сети. После этого для каждой фазы находится разностный сигнал между соответствующим опорным напряжением и током нагрузки, который является мгновенным значением сигнала управления подаваемого на блок ШИМ управления инвертором активного фильтра/ 38/. Таким образом, мы получили систему управления, сигнал на выходе которой равен сумме высших гармоник тока нагрузки подав который на инвертор напряжения мы получим выходной ток преобразователя, повторяющий форму сигнала управления /65/.
Структурная схема системы управления активным фильтром тока сети, построенной по принципу с непосредственным вычислением сигнала управления а - блок системы управления; б — блок вычисления масштабирующих коэффициентов. Главными функциями параллельного активного фильтра является фильтрация тока и компенсация реактивной мощности /95/. Но активный фильтр помимо этих функций, как уже упоминалось в данной главе, может при несимметричной нагрузке еще и симметрировать ток в сети /63/. Для того чтобы обеспечить симметрию токов необходимо скорректировать сигнал управления им, так чтобы АФ выравнивал амплитуду токов под среднее значение. Для этого, основываясь на сделанном в начале главы предположении, введем в алгоритм вычисления масштабирующих коэффициентов промежуточную операцию вычисления среднего арифметического первых гармоник тока. В случае же если асимметрия трехфазных токов отсутствует, то данная операция никак не влияет на результат вычисления сигнала управления /38/. Получившиеся масштабирующие коэффициенты можно описать следующими формулами:
Воспользуемся при построении математической модели системы управления компенсатором реактивной мощности предложенный выше принцип управления. Модель вычислителя оценщика, построенная в среде MATLAB, показана на рис. 2.10. Рис. 2.10. Модель системы управления активным фильтром тока сети, построенной по предложенному принципу в среде MATLAB Рис. 2.11. Блок фильтра первой гармоники в среде MATLAB
На входные зажимы ВО VI, V2, V3, П, 12, 13, соответственно, подаются мгновенные значения фазных напряжений сети и токов нагрузки. Блоками измерения мгновенных значений тока (current measurement) и напряжения (voltage measurement) измеряются мгновенные значения тока нагрузки и напряжения сети. После чего эти сигналы поступают на блоки фильтров первой гармоники, представленные на рис. 2.11, которые из измеренных сигналов, выделяют первые гармоники. Этот фильтр представляет собой полосовой фильтр по Баттерворту 3-го порядка, диалоговое окно этого фильтра изображено на рис. 2.
Процессы в компенсаторе реактивной мощности со стабилизацией напряжения и улучшенным качеством токов в установившемся режиме
Рассмотрим в установившимся режиме последовательно процессы компенсации реактивной мощности, мощности искажений активным фильтром и процесс стабилизации напряжения вольтодобавочным устройством.
На рисунке 3.7 показаны процессы в установившемся режиме с компенсатором реактивной мощности.
На рис. 3.7(a) показан ток тяговой подстанции, он в установившемся режиме имеет прямоугольную форму, такую, которая рассматривалась в начале данной главы. На рис. 3.7(6) показан ток сети с подключенным компенсатором. Рассмотрим его поподробнее. Видно что, форма тока приближается к синусоидальной это обеспечивается при помощи активного фильтра компенсатора. Как отчесалось в главе 1, АФ генерирует ток являющийся суммой всех высших гармоник в противофазе. Формирование этого тока происходит следующим образом: инвертор напряжения АФ используя входной конденсатор как источник энергии, формирует в последовательности определенной системой управления, напряжение ШИМ /17/. Сигналы управления инвертором АФ, построенные по схеме с 12-ю силовыми вентилями описанной во второй главе, представлены на рис. 3.8.
Рис. 3.8. Сигналы управления инвертором активного фильтра Вопрос поддержания стабильного, постоянного напряжения на входных конденсаторах активного фильтра очень важен, в связи с тем, что при изменении этого напряжения необходимо соответственно корректировать сигнал управления фильтром. В компенсаторе задача поддержания напряжения на входе инвертора АФ решается при помощи стабилизатора напряжения. Он осуществляет стабилизацию напряжения на нагрузке постоянного тока тяговой подстанции. На рис. 3.9 представлено напряжение, полученное на выходе инвертора АФ при моделировании схемы в среде MATLAB. Рис. 3.9. Напряжение на выходных зажимах активного фильтра тока
Данное напряжение состоит из двух составляющих: первая составляющая - это синусоидальное напряжение сети, которое прикладывается к выпрямителю, состоящему из обратных диодов моста инвертора и для заряда входного конденсатора. Вторая составляющая полученного напряжения - это напряжение ШИМ, формируемое инвертором.
Как отмечалось выше, выпрямитель является активной нагрузкой, следовательно, и для инвертора АФ он тоже является активной нагрузкой. В этом случае, форма тока активного фильтра повторяет форму его напряжения. Между активным фильтром и нагрузкой включены дроссели, которые ограничивают и сглаживают ток, поэтому его форма будет повторять среднюю напряжения. При математическом моделировании в среде MATLAB получили форму кривой тока АФ, показанную на рис. ЗЛО. Рис. 3.9. Напряжение на выходных зажимах активного фильтра тока
Данное напряжение состоит из двух составляющих, первая составляющая это синусоидальное напряжение сети, которое прикладывается к выпрямителю, состоящему из обратных диодов моста инвертора и для заряда входного конденсатора. Вторая составляющая полученного напряжения это напряжение ШИМ формируемое инвертором.
Как отмечалось выше, выпрямитель является активной нагрузкой, следовательно, и для инвертора АФ он тоже является активной нагрузкой. В этом случае форма ток активного фильтра повторяет форму его напряжения. Между активным фильтром и нагрузкой включены дроссели, которые ограничивают и сглаживают ток, поэтому его форма будет повторять среднюю напряжения. При математическом моделировании в среде MATLAB п олучили форму кривой тока АФ, показанную на рис. 3.10.
При проведении геометрического сложения этого тока и тока подстанции получаем результирующую кривую, показанную нарис. 3.7(6). На ней имеются небольшие всплески, которые появляются вследствие того, что фильтр подключен к системе через дроссели. Это не позволяет току активного фильтра резко изменять свое направление. В связи с этим, в местах, где ток фильтра резко меняя свое направление, он незначительно отличается от тока, который задает сигнал управления. Тем не менее, эти всплески можно несколько уменьшить, уменьшив индуктивность дросселей. При этом неизбежно уменьшается мощность фильтра. В данной ситуации решением может стать совместное применение активного фильтра вместе с пассивным, так называемые «гибридные фильтры».
Применение гибридных фильтров уже упоминалось в первой главе. Совмещение двух этих устройств позволяет разгрузить активный фильтр следующим образом. Проанализировав гармонический состав тока нагрузки, можно выделить наиболее интенсивные высшие гармоники, т.е те на компенсацию которых затрачивается большая часть мощности активного фильтра. Как правило, в трехфазных сетях наиболее интенсивными являются 5, 7, 11 и 13 гармоники /11/. Таким образом, для разгрузки АФ и уменьшения постоянной времени LC контура, целесообразно установить два пассивных фильтра для наиболее интенсивных 5-й и 7-й гармоник. Результаты моделирования системы с гибридным фильтром в установившемся режиме показаны нарис. 3.11.
Расчет энергетических показателей трансформаторных подстанций с компенсатором реактивной мощности и без него
Расчет энергетических показателей трансформаторных подстанций /48/ с компенсатором реактивной мощности и без него приведенных в таблице 3 производился по следующим формулам 1,2,3. где Аь В! - коэффициенты ряда Фурье для первой гармоники; Для измерения энергетических показателей, в частности коэффициент полезного действия, косинус угла ф и коэффициент искажения тока, были построены математические модели позволяющие измерять эти показатели в течение процесса моделирования. Из таблицы видно, что после применения компенсатора реактивной мощности на двух рассматриваемых подстанциях разных мощностей, их энергетические показатели значительно улучшаются.
ВЫВОДЫ
1) В предложенной схеме подключения компенсатор при изменении напряжения сети влияет на ток нагрузки, что загружает выпрямительный агрегат и силовой трансформатор подстанции. Данный фактор заставит увеличить мощность трансформатора и выпрямителя при проектировании подобных систем, а при установке компенсатора на уже эксплуатируемых подстанциях данный фактор только подгрузит элементы подстанции, тем самым увеличив ее КПД. Потому что на существующих подстанциях все элементы, как правило, работают в режиме недогрузки.
2) На расчетных процессах видно, что при резком изменении нагрузки компенсатор не мгновенно реагирует на изменения тока. Это дает повод для продолжения исследований в области повышения быстродействия, предложенного устройства. Возможным способом решения данной проблемы может стать разбивка активного фильтра на несколько менее мощных активных фильтров.
3) Математическим моделированием показано, что предлагаемая система управления активным фильтром компенсатора действует при любых условиях изменения напряжения допустимых по ГОСТ в сочетании с изменением нагрузки.
4) На математической модели подтверждено теоретическое предположение в отсутствии необходимости дополнительного узла управления зарядом конденсатора активного фильтра компенсатора.
Поддержание постоянного напряжения на конденсаторе осуществляется при помощи корректировки сигнала управления стабилизатором напряжения, т.е компенсацией потерь активной мощности фильтра, изменением напряжением.
На сегодняшний день практическая реализация устройств подобного класса основывается на применении полностью управляемых элементов силовой схемы и на программируемых контроллерах для систем управления. Реализация силовых схем на не управляемых элементах в принципе не представляется возможным. А реализация системы управления без использования контроллера при оптимизированном алгоритме управления упрощает процесс построения компенсатора реактивной мощности.
В первую очередь рассмотрим силовую схему компенсатора. Силовая схема компенсатора, как собственно все устройство, состоит из двух частей, это схема активного фильтра и схема стабилизатора. При проектировании макетной схемы компенсатора были сделаны следующие допущения: при построении силовой схемы активного фильтра за основу была взята схема с 6-ю силовыми элементами. Они связаны с тем, что мощность макета не превышает 5 кВт и макетирование проводилось в статическом режиме при постоянной нагрузке. Исследования макета на малой мощности не позволяет получить полного представления о работе компенсатора реактивной мощности на реальную тяговую или промышленную подстанцию, но, тем не менее, на этом макете можно удостовериться в функционировании устройства в принципе, т.к. система управления, при изменении мощности нагрузки, не изменяется.
