Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ систем управления качеством электроэнергии 15
1.1. Общее представление о проблеме обеспечения качества электроэнергии 15
1.2. Основные принципы работы и типы силовых схем статических компенсаторов 21
1.3. Способы управления компенсирующими устройствами 28
Выводы 34
Глава 2. Регулирование неактивных составляющих мощности 35
2.1. Основные принципы работы силовых органов компенсаторов. Регулирование реактивной мощности 35
2.2. Способ генерирования компенсационного тока в питающую сеть...41
2.3. Исследование системы автоматического регулирования неактивных составляющих мощности 45
Выводы 50
Глава 3. Принципы построения систем управления параметрами качества электроэнергии и разработка вычислительного алгоритма 51
3.1. Синтез структуры системы управления компенсатором 51
3.2. Формирование вычислительного алгоритма работы системы управления компенсатором 56
3.3. Алгоритм формирования ШИМ управления компенсатором 60
Выводы 64
Глава 4. Силовой исполнительный орган системы управления качеством электроэнергии 65
4.1. Силовая схема статического компенсатора 65
4.2. Виртуальные компьютерные экспериментальные исследования силовой схемы статического компенсатора 70
4.3. Техника измерения электрических характеристик цепей с токами и напряжениями произвольных форм 86
Выводы 94
Глава 5. Управление параметрами качества электроэнергии в автономных электроэнергетических системах судов и кораблей 95
5.1. Электрические процессы в электроэнергетических системах ограниченной мощности с нелинейными нагрузками 96
5.2. Компенсация пассивных составляющих тока нагрузки у шин генератора. Активная фильтрация напряжения 100
5.3. Техническая реализация активной фильтрации напряжения 103
Выводы 112
Глава 6. Экспериментальные исследования эффективности системы управления качеством электроэнергии на сварочном оборудовании 113
6.1. Постановка эксперимента 115
6.2. Оценка результатов экспериментальных исследований и рекомендации 122
6.3. Модернизация системы управления качеством электроэнергии источника питания сварочной дуги переменного тока 136
Выводы 145
Заключение 146
Литература 148
Приложение 1. Содержимое файла FOURIER.8 173
- Общее представление о проблеме обеспечения качества электроэнергии
- Основные принципы работы силовых органов компенсаторов. Регулирование реактивной мощности
- Синтез структуры системы управления компенсатором
- Виртуальные компьютерные экспериментальные исследования силовой схемы статического компенсатора
Введение к работе
Актуальность проблемы. Характерной особенностью современных судовых электроэнергетических систем (СЭЭС) является то, что значительная часть оборудования СЭЭС имеет в своем составе выпрямители, инверторы, преобразователи частоты, агрегаты бесперебойного питания, вольт-амперные характеристики которых нелинейны.
Наличие таких потребителей приводит к отрицательному воздействию на питающую сеть переменного тока, заключающемуся в генерации нелинейными нагрузками высших гармонических составляющих тока и напряжения. Гармонические составляющие тока и напряжения, в свою очередь, повышают вероятность возникновения резонансных явлений в СЭЭС, нарушают работу специальной вычислительной техники, устройств релейной защиты и автоматики, вызывают ускоренное старение изоляции основного электрооборудования, снижая, тем самым, надежность электроснабжения потребителей автономного объекта.
Перечисленные факторы значительно ухудшают качество электроэнергии в СЭЭС, чему, кроме того, способствуют также неблагоприятные энергофизические условия самой автономной системы: ограниченная мощность короткого замыкания, соизмеримость мощностей источников и нагрузки, малая длина и сопротивление кабельных линий электропередачи, отсутствие в большинстве СЭЭС силовых трансформаторов.
В связи с этим, в настоящее время все большее внимание уделяется вопросам разработки способов и средств, позволяющих устранить негативное влияние высших гармонических, для обеспечения требуемого качества электроэнергии и устранения взаимного влияния параллельно работающего оборудования со стороны питающей сети, т.е. вопросам
создания систем управления процессами генерирования, передачи и распределения электрической энергии.
Этим вопросам посвящен ряд работ отечественных и зарубежных авторов: Азарьева Д.И., Акаджи X., Анисимова Я.Ф., Аррилаги Дж., Баранова А.П., Веникова В.А., Вилесова Д.В., Войтецкого В.В., Галки В.Л., Глинтерника СР., Джюджи Л., Жежеленко И.В., Зиновьева Г.С, Ковалева Ф.И., Козярука А.Е., Лабунцова В.А., Маевского О.А., Матура P.M., Поссе А.В., Розанова Ю.К., Толстова Ю.Г., Тонкаль В.Е., Федий B.C., Худякова В.В.,Чаплыгина Е.Е., Шидловского А.К. и др.
Вместе с тем, разработка новых средств автоматики не исчерпывает проблемы, поскольку все большие ограничения на ее действия накладывает недостаточная управляемость основных элементов электроэнергетической системы.
Эти факторы вызвали повышенный интерес к средствам и способам активного управления генерированием и потреблением неактивных потоков энергии по заданному закону для придания требуемых свойств электроэнергетической системе в целом.
Специфика работы таких средств требует проведения исследований по поиску оптимальных для конкретных условий, как новых схемных решений, так и разработки новых алгоритмов и способов управления традиционным оборудованием, призванных обеспечить его эффективное применение в электроэнергетических системах.
Представляемая работа является обобщением теоретических и экспериментальных исследований, выполненных под руководством и при непосредственном участии автора в период с 1992 по 2004 гг. в НИИ "КВАНТ", НИИПТ РАО "ЕЭС России" и Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете.
Диссертационная работа проводилась в рамках научно-технических программ ряда министерств и ведомств, в том числе по г/б НИР № А 5 "Синтез устройств управления автономными системами электроснабжения" и х/р НИР "Разработка системы управления компенсации реактивной мощности ГП "Адмиралтейские верфи".
Цель исследований. Создание новой методологической основы, позволяющей обеспечить полное устранение гармонических составляющих тока и напряжения в любых питающих электрических сетях, как с бесконечными генерирующими мощностями, так и сравнимыми с мощностями, потребляемыми нагрузкой, для любых, как линейных, так и нелинейных нагрузок.
Для достижения этой цели поставлены и решены следующие задачи:
—разработка способа генерирования компенсационного тока в питающую сеть, обеспечивающего полную компенсацию неактивных составляющих тока потребителя;
—разработка методики активной фильтрации напряжения на шинах электропитания, обеспечивающей совместную работу резкопеременных мощных нагрузок с чувствительными к искажению напряжения питания электроприемниками;
—анализ адекватности технических реализаций предложенных решений;
—исследование системы автоматического регулирования неактивных составляющих мощности и определение ее характеристик;
—определение топологии схемы системы управления;
—разработка вычислительного алгоритма работы системы управления компенсатором неактивных составляющих мощности;
—определение основных характеристик цифровых методов обработки измеряемых мгновенных значений тока и напряжения, а именно разрядности используемого двоичного кода и времени преобразования (измерения) отсчета, отвечающих требованиям ГОСТ 13109-97 на нормы качества электрической энергии;
—обоснование принципов максимально эффективного использования энергетических мощностей электрооборудования судов и кораблей и устранения взаимного влияния параллельно работающего оборудования со стороны питающей сети.
Методы исследований. При решении поставленных в диссертационной работе задач использовались способы аналитического интегрирования дифференциальных уравнений, в том числе в операторной форме, методы теории электрических цепей и сигналов, теории автоматического регулирования, ряды Фурье, а также элементы теории моделирования.
Достоверность исследований и методов расчета проверялась сопоставлением результатов расчетов по аналитическим соотношениям с результатами экспериментов на реальных действующих установках, являющихся типичными представителями исследуемых систем.
Научная новизна. В диссертационной работе получены и выносятся на защиту следующие новые научные результаты:
1. Способ компенсации неактивных составляющих полной мощности, обеспечивающий их полную компенсацию.
2. Методика активной фильтрации напряжения на шинах электропитания, обеспечивающая совместную работу резкопеременных мощных нагрузок с чувствительными к искажению напряжения питания электроприемниками.
3. Вычислительные алгоритмы работы системы управления качеством электроэнергии.
4. Принципы построения системы автоматического регулирования неактивных составляющих мощности.
5. Рекомендации по достижению максимально эффективного использования энергетических мощностей электрооборудования судов и
кораблей и устранению взаимного влияния параллельно работающего оборудования со стороны питающей сети.
Рекомендации по использованию полученных результатов (практическая значимость и реализация). Разработанная методика активной фильтрации напряжения на шинах электропитания, обеспечивающая совместную работу резкопеременных мощных нагрузок с чувствительными к искажению напряжения питания электроприемниками, позволяет по новому подойти к проектированию электроэнергетических систем судов и кораблей.
Оригинальный способ компенсации неактивных составляющих полной мощности позволяет создать принципиально новые статические компенсаторы.
Предложенные принципы максимально эффективного использования энергетических мощностей электрооборудования могут использоваться для устранения взаимного влияния со стороны питающей сети любых потребителей в СЭЭС.
Основные научные результаты диссертационной работы внедрены в производственный процесс:
1 .ФГУП "Адмиралтейские верфи" при разработке системы управления компенсации реактивной мощности предприятия, и используются для рационального выбора и эксплуатации электрических установок компенсации реактивной мощности с целью значительного снижения потерь электроэнергии в сетях и электрооборудовании системы электроснабжения предприятия.
2.ФГУП "ПКП "ИРИС" при разработке устройств компенсации неактивных составляющих мощности тяговых преобразовательных агрегатов. Использование оригинальных алгоритмических методов и способов управления параметрами качества электроэнергии в системах с нелинейными элементами повышает эффективность НИОКР в области создания автономных систем электрической тяги.
З.ОАО "Завод "Инвертор" для модернизации систем управления инверторными агрегатами бесперебойного питания (АБП) и аппаратами электродуговой сварки с целью улучшения энергетических характеристик систем гарантированного электроснабжения (СГЭ) и повышения коэффициента мощности сварочного оборудования.
4.000 НЛП "ЭКРА" при разработке блока цифрового регистратора БЭ-2702 М шкафа аварийного осциллографа ШЭ 1114 М. Внедрение разработанных математических моделей и алгоритмов преобразования первичных значений входных электрических величин в эквивалентные цифровые сигналы, при несинусоидальных режимах в цепях измерения параметров ЭЭС, обеспечило повышение точности определения и регистрации электрических характеристик в ЭЭС с нелинейными элементами.
Результаты работы используются в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного морского технического университета.
Апробация работы. Содержание отдельных разделов и диссертации в целом было доложено на:
—IV-ой научно-технической конференции "Проблемы нелинейной электротехники" (Киев, 1992);
—XVIII-ом международном конгрессе Романо-Американской академии наук (Кишинев, 1993);
—международной конференции по энергетике CNE"94 (Нептун, Румыния, 1994);
—международных симпозиумах "Энергетика-95,96" (Санкт-Петербург, 1995, 1996);
—Пятой Российской научно-технической конференции
"Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов". ЭМС-98 (Санкт-Петербург, 1998);
—Юбилейной научно-технической конференции, посвященной 100-летию СПбГМТУ (ЛКИ) (Санкт-Петербург, 1999);
—3-ей Международной научно-технической конференции "Математическое моделирование в электротехнике, электронике и электроэнергетике" (Львов, 1999);
—VI-ой Международной научно-технической конференции "Проблемы современной электротехники - 2000" (Киев, 2000);
—IV-ом Международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии. ЭМС-2001 (Санкт-Петербург, 2001);
—Международном симпозиуме "Электрификация и развитие железнодорожного транспорта России. Традиции, современность и перспективы". Eltrans 2001 (Санкт-Петербург, 2001);
—4-ой Международной конференции по морским интеллектуальным технологиям. МОРИНТЕХ-2001 (Санкт-Петербург, 2001);
—Седьмой Российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости. ЭМС-2002 (Санкт-Петербург, 2002);
—VII-ой Международной научно-технической конференции "Проблемы современной электротехники - 2002" (Киев, 2002);
—Научно-технической конференции "Кораблестроительное
образование и наука - 2003" (Санкт-Петербург, 2003);
—Втором Международном симпозиуме "Электрификация и ускорение научно-технического прогресса на железнодорожном транспорте". Eltrans 2003 (Санкт-Петербург, 2003).
Публикации. По теме диссертации опубликованы лично и в соавторстве более 40 работ, в том числе 17 статей, 15 тезисов докладов на научно-технических конференциях, 6 описаний изобретений, официально зарегистрированная программа для ЭВМ и 2 научно-технических отчета.
Личный вклад. Постановка решаемых в диссертационной работе проблем и основные результаты принадлежат лично автору, научные интересы которого формировались в процессе многолетней работы под руководством член-корр. Академии электротехнических наук РФ, д.т.н., проф. Киреева Ю.Н. Результаты исследования влияния сварочных процессов на качество питающей сети и разработка средств компенсации искажений, вносимых в сеть сварочным оборудованием, получены совместно с засл. деят. науки и техн. РФ Столбовым В.И., Агуновым М.В., Коротковой Г.М., Шевцовым А.А. При обсуждении некоторых вопросов, рассматриваемых в диссертации, активное участие принимал лауреат премии Правительства РФ в обл. науки и техн., д.т.н., проф. Скачков Ю.В.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 249 наименований и 2 приложений. Диссертация изложена на 186 страницах машинописного текста, иллюстрации на 37 страницах.
Во введении обосновывается актуальность проблемы, формулируются задачи, решению которых посвящена диссертация, формируется цель диссертации, излагаются подход и методы исследования, отмечаются научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе рассмотрены основные направления развития современных систем управления качеством электроэнергии, призванных обеспечить совместную работу потребителей в электроэнергетических системах. Рассмотрены принципы построения и работы силовых схем статических компенсаторов. Проведен анализ различных способов и законов управления статическими компенсаторами.
Во второй главе рассмотрены принципы регулирования реактивной мощности. Предложен способ генерирования компенсационного тока в питающую сеть, обеспечивающий полную компенсацию неактивных составляющих тока потребителя. Исследовано поведение системы автоматического регулирования неактивных составляющих мощности.
В третьей главе изложены принципы подхода к решению задач синтеза алгоритмических методов и систем управления качеством электроэнергии, рассмотрены основные моменты нахождения топологии схемы системы управления, как задачи кусочной аппроксимации, сформирован вычислительный алгоритм работы системы управления компенсатором.
В четвертой главе рассмотрены топология и принципы работы силовой схемы статического компенсатора и его схемы управления. Виртуальными компьютерными экспериментальными исследованиями подтверждена работоспособность предложенного технического решения. Определены основные характеристики цифровых методов обработки измеряемых мгновенных значений тока и напряжения, а именно разрядность используемого двоичного кода и время преобразования (измерения) отсчета, отвечающие требованиям ГОСТ 13109-97 на нормы качества электрической энергии.
В пятой главе определяется сущность электрических процессов происходящих в электроэнергетических системах ограниченной мощности, работающих на нелинейную нагрузку. Разрабатывается метод активной фильтрации напряжения на шинах электропитания, обеспечивающий совместную работу резкопеременных мощных нагрузок с чувствительными к искажению напряжения питания электроприемниками. Предлагаются принципы максимально эффективного использования энергетических мощностей электрооборудования судов и кораблей и устранения взаимного влияния параллельно работающего оборудования со стороны питающей сети.
В шестой главе приводятся результаты экспериментальных исследований предложенной простейшей системы управления качеством электроэнергии сварочного источника питания, позволяющей решать задачи эффективной эксплуатации питающей сети.
В заключении сформулированы выводы, отражающие основные научные и практические результаты диссертационной работы.
В приложениях приведены результаты работы специализированного программного обеспечения, представлены материалы по внедрению диссертационной работы.
Общее представление о проблеме обеспечения качества электроэнергии
Требования к качеству электрической энергии устанавливаются ГОСТ 13109-97 [83] и оговаривают нормы на отклонение частоты, отклонение напряжения, коэффициент несинусоидальности напряжения, размах изменения напряжения (доза колебаний напряжения), коэффициент гармонической составляющей напряжения, коэффициент обратной последовательности напряжения, коэффициент нулевой последовательности напряжения.
Первые два показателя качества электроэнергии характеризуют работу питающей сети переменного тока. В технических условиях на присоединение потребителя они отражаются в виде значений максимального потребления из сети активной и реактивной мощности [107].
Остальные пять показателей характеризуют влияние установок потребителей на параметры электроэнергии в рассматриваемом узле сети. Значение конкретного показателя качества электроэнергии в z -м узле определяется токами искажений Ij , генерируемыми потребителями во всех узлах [97,100,101].
Значения обратной и нулевой последовательностей напряжения характеризуют несимметрию трехфазной системы напряжений, гармонические составляющие и коэффициент несинусоидальности -несинусоидальность фазного или линейного напряжений, а размах изменения напряжения - амплитуду резких его изменений, последовательность которых представляет собой колебания напряжения [100]. К системным показателям качества относятся только нормы на отклонение частоты. Остальные показатели качества относятся к местным [100,115,122,125,153].
Успешная совместная параллельная работа потребителей электроэнергии, а иногда и генераторного оборудования, включая сети, возможна лишь при обеспечении установленных ГОСТ норм, как со стороны потребителя, так и со стороны питающей сети. В этом случае говорят об электромагнитной совместимости оборудования в ЭЭС [37,116,212].
Традиционно, проблема электромагнитной совместимости в ЭЭС решалась при помощи вращающихся синхронных компенсаторов или конденсаторных батарей с постоянной емкостью, снабженных электромеханическими коммутирующими устройствами (рис.1.1.), и пассивных фильтров [51,64,139,140,145,171,192,197].
Однако теперь, такие подходы уже не удовлетворяют современным требованиям, главным образом, из-за возросшей интенсивности взаимно возмущающих факторов со стороны параллельно работающих нагрузок [66,106,113,176,185].
Данные факторы, а также необходимость автоматизации технологических процессов производства и распределения электроэнергии, т.е. автоматического управления разнообразными показателями качества в электрической сети потребовали создания систем управления параметрами качества электрической энергии [41,42,49-51,57,135,146,176,185,186,].
Последние достижения в технологии производства мощных полупроводниковых переключающих приборов (GTO - тиристоры, MOSFET - и IGBT - транзисторы) [21,80,93,155,183,223] и вычислительной техники, определили развитие систем управления качеством электроэнергии по двум основным направлениям. Одно из них связано с совершенствованием силовых исполнительных узлов и элементов системы управления, второе направление определяется поиском оптимальных структур и алгоритмов работы элементов системы и системы в целом.
Совершенствование силовых исполнительных органов современной системы управления качеством электроэнергии происходит в основном по пути поиска новых силовых схем статических источников неактивных составляющих мощности (статических компенсаторов).
Эти устройства имеют простые электрические схемы. Обычно они состоят из шунтирующих конденсаторов и реакторов вместе с тиристорными ключами. Первая такая установка была введена в эксплуатацию в энергосистеме Гидро - Квебек (Канада), фирмой Canadian General Electric Company в феврале 1978 года [192]. Компенсатор (рис. 1.2) собран по схеме, содержащей конденсаторные батареи неизменной емкости, соединенные в двойную звезду, и реакторы, управляемые тиристорами. В настоящее время в эксплуатации находится несколько подобных установок, предназначенных для работы в схемах электроснабжения металлургических заводов [64,235].
Промышленный успех таких установок объясняется приемлемой стоимостью, сочетающейся с такими желательными техническими характеристиками, как: чрезвычайно быстрое регулирование - выдаваемый неактивный ток может быть изменен от нуля до максимума в пределах одного периода (или менее) частоты питания; гибкость в управлении; длительная эксплуатация практически без обслуживающего персонала.
Рабочие характеристики таких компенсаторов обычно эквивалентны и во многих отношениях лучше, чем рабочие характеристики традиционно используемых компенсаторов [66,100,105].
Второе направление обладает более широкими возможностями, т.к. позволяет учесть влияние возмущающих факторов не только на отдельные элементы системы управления качеством электроэнергии, но и на контролируемые и варьируемые параметры технологического процесса: ток, напряжение, активную мощность, неактивные составляющие мощности.
Основные принципы работы силовых органов компенсаторов. Регулирование реактивной мощности
Основным моментом в создании компенсирующих систем является разработка законов и способов управления статическими компенсаторами. На сегодняшний момент известно несколько основных способов управления, разработанных в разное время. Все они могут быть представлены как ряд простых действий, выполняемых теми или иными узлами системы управления, и могут быть в конечном итоге сведены к следующему: 1. вычисление пассивной составляющей мгновенного тока / напряжения сети; 2. преобразование полученного сигнала в закон переключения силовых вентилей компенсатора. Основной операцией, различающей способы управления, является действие, выполняемое в п.1. Именно здесь происходят основные затраты времени на вычисление, а следовательно, от эффективного способа решения этой задачи зависит, будет ли достигнуто высокое качество компенсации пассивных составляющих мощности при работе на резко переменную нагрузку. В настоящее время известно большое количество разнообразных операций, с помощью которых можно сформировать сигнал, пропорциональный пассивной составляющей мгновенного тока / напряжения питающей сети [41,42,46,47,236,239]. Все операции имеют как положительные, так и отрицательные стороны. Применение одних требует выполнения сложных математических операций и высокопроизводительных вычислителей, другие реализуются достаточно просто и не критичны к скорости вычислителя, однако их применение приводит к значительному увеличению установленной мощности силового оборудования статического компенсатора и значительному удорожанию всей конструкции системы. Самым распространенным способом регулирования неактивных ,/ М составляющих мощности, основанном на том, что уровень напряжения в узле . сети является местным параметром, а, следовательно, отражает величину требуемой реактивной мощности [192,134], является контроль энергии в накопителе статического компенсатора. В случае, если накопителем является конденсатор, то контроль энергии осуществляется путем измерения напряжения на этом конденсаторе и сравнения его с напряжением уставки. Разность указанных напряжений (с учетом знака) является индикатором дефицита реактивной мощности. Регулирование компенсатором осуществляется таким образом, чтобы разность напряжения уставки и напряжения на накопителе стремилась к нулю. Способ характеризуется высоким быстродействием, а система управления достаточной простотой. Следует отметить, что в случае несинусоидальных режимов в электрической сети способ становится малоэффективным.
Существует большое число разновидностей этого способа. Все они отличаются друг от друга только используемым параметром для контроля энергии в накопителе.
Оригинальный подход предлагается в [236], здесь осуществляется переход от трехфазной системы координат, к прямоугольной системе, образующей действительную плоскость. В дальнейшем вектора напряжений и токов рассматриваются в этой двух осевой системе.
Используя матричный аппарат, получают проекции векторов исходных токов и напряжений на полученные оси. Далее вычисляют скалярные произведения проекций токов на проекции напряжений для каждой из осей координат. При сложении произведений получают величину активной составляющей мгновенной мощности. Мнимая составляющая мгновенной мощности представляется вектором, который определяется как сумма векторных произведений проекций векторов напряжений, лежащих на одной координатной оси, на вектора тока, лежащие на другой координатной оси. В результате получается новый вектор, который перпендикулярен действительной плоскости, т.е. образуется пространственная прямоугольная система.
Затем, в соответствии с вычисленным значением мнимой составляющей мгновенной мощности, определяются значения компенсационных токов, которые компенсатор должен генерировать в сеть.
Достоинством этого способа, по мнению его авторов, является отсутствие операций интегрирования. Следует, однако, заметить, что добиться на практике полной компенсации в этом способе невозможно. Это объясняется неадекватностью представления неактивных составляющих мощности, посредством мнимой составляющей мгновенной мощности, при несинусоидальных режимах.
Действительно, при несинусоидальных режимах рассматривать несинусоидальные напряжения и токи как вектора можно лишь в линейном пространстве, где каждое значение времени является координатой в многомерной евклидовой ортогональной координатной системе. Кроме того, при возникновении режимов прерывистого тока, появляются моменты времени, когда значения мгновенной мощности равны нулю. В эти моменты времени в системе возможна полная потеря управления, что не только не улучшит показателей качества электрической энергии, но и может привести к снижению устойчивости энергосистемы [86].
Синтез структуры системы управления компенсатором
Отличительной чертой современных систем управления качеством электроэнергии является широкое использование в их составе средств микропроцессорной техники. Особенностью таких систем является то, что технические характеристики такого управляющего комплекса в основном определяются сложностью и объемом программного обеспечения.
Параметры программного обеспечения в свою очередь зависят от сформированного алгоритма решения поставленной задачи, а алгоритм (из-за тесной связи с областью приложения будущей программы) от используемого способа управления и математических закономерностей, на которых он базируется.
Таким образом, способ управления, в конечном итоге, определяет структуру системы управления, программное исполнение основных операций обработки информации, их количество, схему обработки данных, объем потоков данных и т.п.
Задача создания новой схемы системы управления, реализующей разработанный выше закон управления (см. (2.9)), заключается в определении, из каких частей (подсистем) будет состоять данная система и как они будут соединены, чтобы преобразовать заданное входное воздействие (сигналы с датчиков тока и напряжения) в желаемое выходное (сигнал управления компенсатором) [23,95].
Данная задача является задачей структурного синтеза, которая может быть сформулирована в виде задачи нахождения топологии схемы системы управления по заданному оператору преобразования (2.9).
Из (2.9) следует, что система управления силовым органом компенсатора должна обеспечить измерение мгновенных значений тока потребителя и мгновенных значений напряжения в узле сети, определить их производные, активную мощность потребителя и действующее значение напряжения в узле сети. Затем вычислить величины произведений индуктивности реактора на производную напряжения сети, предварительно умноженную на частное от деления активной мощности потребителя на квадрат действующего напряжения в узле сети, и на производную тока потребителя. Найти разность полученных величин и к результату прибавить мгновенные значения напряжения в узле сети. В соответствии с определенным таким образом напряжением выработать управляющее воздействие на силовой орган компенсатора.
Задача структурного синтеза в общем случае пока не решена. Процедура синтеза выполняется по тем, или иным полуэвристическим -полуформальным правилам или просто на основе интуиции и опыта.
Конструктивным шагом здесь может явиться рассмотрение задачи структурного синтеза как задачи кусочной аппроксимации, для чего на основе целевого назначения системы определяется набор ее операций, а затем с каждой элементарной операцией сопоставляется элементарная структура, в которой эта операция может быть реализована [23,95,111,223]. Общий оператор преобразования (2.9) может быть разложен на следующие элементарные операции: ? ввод мгновенных значений тока нагрузки iH(t) и напряжения питающей сети uc(t); ? вычисление величины потребляемой нагрузкой активной мощности; ? вычисление квадрата действующего напряжения сети; ? вычисление величины выходного напряжения компенсатора ueblx(t) по (2.9); ? вывод управляющего воздействия ueux(t). На рис. 3.1 представлены основные элементы системы управления процессом компенсации, реализующей разработанный выше способ. Система работает следующим образом. Данные о напряжении на шинах источника питания 1 и тока в нагрузке 8 с датчика напряжения 2 и датчика тока 9 поступают на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3. С АЦП оцифрованные данные поступают на вычислительное устройство -микропроцессор (МП) 4. МП производит вычисление величины выходного напряжения компенсатора ивьа(і) в соответствии с (2.9). Вычисленное значение ueblx(t) передается на цифро-аналоговый преобразователь (ПАП) 6. С ПАП управляющее воздействие в виде аналогового сигнала поступает на широтно-импульсный модулятор (ШИМ) 5. ШИМ управляет работой компенсатора 7, который отрабатывает вычисленное напряжение ueux(t) [11]. Основным элементом рассматриваемой системы служит вычислительное устройство, определяющим для которого является реальное быстродействие. Последнее объясняется тем, что система должна работать в реальном режиме времени. Вычислительное устройство может быть как цифровым, так и аналоговым. Однако, возможность автоматического изменения режимов работы вычислителя практически с любой точностью коррекции регулироіочньгх характеристик отдает предпочтение цифровым устройствам. Если возможности существующей цифровой элементной базы ограничены по быстродействию, то повышение быстродействия системы можно обеспечить за счет параллельного выполнения элементов алгоритма и построения так называемого аппаратного конвейера, т. е. распределенной последовательной системы микропроцессоров связанных друг с другом.
Виртуальные компьютерные экспериментальные исследования силовой схемы статического компенсатора
Специалисту - практику, работающему в электронной лаборатории, постоянно приходится сталкиваться с необходимостью проведения анализа рабочих характеристик разработанных электронных схем. Это могут быть и очень простые задачи (скажем, анализ работоспособности узлов электронных схем) и весьма сложные (например, анализ работы электронной системы при условии воздействия на систему внешних возмущений) [9,13,15,20].
В недалеком прошлом решение таких проблем, требовало применения методов физического моделирования. В настоящее время наиболее распространенный инструмент, применяемый для этих целей - персональный компьютер. На сегодняшний день для персональных компьютеров созданы пакеты программ, позволяющие даже не владеющему навыками программирования пользователю легко и быстро проводить на ПЭВМ достаточно сложные исследования электронных схем.
Одной из первых программ такого рода был симулятор электронных схем SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis). Симулятор аналоговых схем SPICE был разработан в начале 70-х годов в Калифорнийском университете.
Первая коммерческая версия программы PSpice для IBM PC, в которую был внесен ряд улучшений и дополнений, была создана в 1984 году корпорацией MicroSim.
Одним из важнейших применений данной программы является анализ мощных импульсных схем, которые приобретают все большее распространение с появлением силовых MOSFET - и IGBT - транзисторов. Импульсные источники питания, силовые инверторы и конверторы, силовые привода - это устройства, для обеспечения надежности которых, необходим тщательный анализ режимов работы. Такой анализ возможен только с помощью компьютерного моделирования, точность расчета которого определяется достоверностью математических моделей входящих элементов [131].
Стандартные SPICE - модели MOSFET изначально были разработаны для полевых транзисторов малой мощности. По ряду параметров они оказались непригодны для анализа мощных МОП полевых транзисторов с вертикальной структурой. Главным недостатком встроенных моделей является недостоверная аппроксимация зависимости паразитных емкостей (и заряда затвора) от напряжения сток - исток. Для того чтобы схемы, использующие мощные MOSFET - транзисторы можно было моделировать на PSpice, фирма International Rectifier предложила ряд модификаций, приближающих характеристики моделей к параметрам реальных транзисторов. Впервые усовершенствованную модель вертикального полевого транзистора предложил S. Malouyans [183]. S. Malouyans в своей модели постарался учесть нелинейную зависимость емкости сток - затвор (емкость Миллера) и характеристики внутреннего (body) диода. В 1997 году фирма International Rectifier приступила к выпуску полевых транзисторов пятого поколения, в которых за счет совершенствования технологии основные параметры улучшены на 30-50 %. Для учета этих особенностей и для повышения точности моделирования фирмой предложена новая модель Шихмана - Ходжеса, учитывающая все основные особенности транзисторов.
Появление достоверных моделей MOSFET транзисторов сделало возможным разработку макромодели транзистора IGBT. Методика разработки макромоделей IGBT - транзисторов подробно рассмотрена в [131]. На рис. 4.3 приведено описание макромодели транзистора IRGPC40F [131].
Программа PSpice стала мировым стандартом в области моделирования электронных схем. Принятые в ней принципы описания математических моделей используются многими аналогичными программами, такими как Micro-Cap V, Electronics Workbench 5.12, Design Center 6.3, Circuit Maker 2000, Multisim и тому подобных, а формат входного языка SPICE поддерживается большинством пакетов САПР типа OrCAD, PCAD, ACCEL EDA, TangoPRO и другими.
Одна из наиболее популярных достаточно мощных и универсальных систем моделирования электронных схем - система Electronics Workbench 5.12 канадской фирмы Interactive Image Technologies Ltd. [120,159,160].
В системе используется многооконный интерфейс с ниспадающими и разворачивающимися меню. Функции и назначения отдельных элементов, окон и опций аналогичны их назначению в Windows. Формирование и проверка схем осуществляется при помощи "мыши". С ее помощью можно перетащить компоненты или приборы из библиотеки на экран. Для этого необходимо поставить указатель "мыши" на выбранный компонент и, нажав и не опуская левую кнопку "мыши", перетащить его на нужное место рабочего поля. Использование клавиатуры необходимо только для текстового ввода информации (определение меток, значений или моделей компонента; описание схемы; ввод значений в используемом приборе) или при использовании горячих клавиш. Допускается вставка текста набранного в другом приложении Windows и наоборот. Инструментальные средства Electronics Workbench очень похожи на реальные инструментальные средства электроники. Все, что необходимо для формирования и проверки схем, располагается на экране. Рабочее поле, в котором формируется и проверяется схема, занимает большую центральную область экрана.
Похожие диссертации на Методология и принципы построения систем управления параметрами качества электрической энергии в судовых электроэнергетических системах с нелинейными элементами
