Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор методов и схем симметрирования напряжений в электроэнергетических трехфазных системах 15
1.1. Способы и схемы симметрирования 16
1.2. Симметрирующие устройства с преобразованием и рекуперацией электри-ческой энергии
1.3. Классификация способов симметрирования напряжений 28
1.4. Особенности проблемы качества электроэнергии в выходных сетях вторичного электроснабжения 29
Выводы по главе 1 30
2. Схемы и модели симметрирующих комплексов 32
2.1. Анализ пассивного симметрирующего устройства 32
2.2. Симметрирующие устройства на основе управляемых элементов 36
2.3. Симметрирование системы напряжений в сетях на основе тиристорных источников с внутренней системой компенсации реактивной мощности 39
2.4. Функционал качества трехфазной системы напряжения 51
2.5. Симметрирование системы выходных напряжений агрегированных источников питания " I
Выводы по главе 2 70
3. Исследование комбинированной системы симметрирования 72
3.1. Постановка задачи 72
3.2. Модели чувствительности величины фазовых напряжений к изменению управляющих воздействий '3
3.3. Влияние изменения управляющих воздействий системы симметрирования на качество кривой выходного напряжения
3.4. Нахождение начальных приближений при определении значений управляющих переменных системы симметрирования 84
3.5. Совместное функционирование двух систем симметрирования 86
3.6. Основные свойства фаззи-регуляторов 89
3.7. Реализация комбинированной системы на основе фаззи-ограничителя 93
Выводы по главе 3 101
4. Универсальные симметрирующие устройства 103
4.1 Симметрирующие комплексы для сетей общего назначения 103
4.2. Симметрирование трехфазной системы напряжений на базе Ю7 агрегированных компенсаторов реактивной мощности
4.3. Универсальные устройства симметрирования на основе импульсной модуляции входного тока преобразователя 119
4.3.1. Модель входной цепи универсального устройства симметрирования 119
4.3.2. Модель выходной цепи универсального устройства 124
симметрирования
4.4. Сравнение вариантов схем УСУ 126
Выводы по главе 4 131
Заключение 132
Список использованной литературы 135
- Классификация способов симметрирования напряжений
- Функционал качества трехфазной системы напряжения
- Нахождение начальных приближений при определении значений управляющих переменных системы симметрирования
- Универсальные устройства симметрирования на основе импульсной модуляции входного тока преобразователя
Введение к работе
Интенсивное развитие силовой электроники и микропроцессорной техники делает возможным на новой элементной, схемотехнической и системотехнической базе решать реальные задачи управления качеством электроэнергии.
Электрическая энергия является товаром, специфичность которого по сравнению с обычными товарами заключается в следующем. Отдельно взятый потребитель может ухудшать качество электроэнергии в общей энергоснаб-жающей сети. В результате этого не только он сам становится потребителем некондиционной энергии, но и вынуждает других потреблять электроэнергию пониженного качества. Возникающий вследствие этого ущерб характеризуется увеличением потерь электроэнергии, выходом из строя электротехнического оборудования, нарушением работы автоматики, телемеханики, связи и электронной техники. По существу, это делает вопрос о качестве электроэнергии не только технической и экономической, но и экологической проблемой.
Электрическая энергия, являясь универсальным видом энергии, характеризуется большим числом показателей, значение которых проявляется при ее производстве, передаче и преобразовании в другие виды энергии. Совокупность этих показателей должна удовлетворять требованиям ряда государственных стандартов, среди которых основным является ГОСТ 13109-97, который регламентирует качество электроэнергии в электрических сетях общего назначения.
К числу нормируемых относятся показатели, характеризующие, в частности, отклонения и колебания напряжения, несинусоидальность формы его кривой, несимметрию и неуравновешенность трехфазной системы, а также отклонения и колебания частоты. Несоответствие показателей качества электроэнергии нормативным значениям вызывает дополнительные потери элек-
5 троэнергии по сравнению с теми, которые предусматриваются номинальным режимом работы электрооборудования.
Ущерб от некачественной электроэнергии имеет электротехническую и технологическую компоненту. Электротехническая компонента ущерба определяется взаимным влиянием элементов системы электроснабжения и выражается в снижении энергетических показателей работы электрооборудования и срока его службы, а также в аварийных отказах элементов. Технологическая составляющая проявляется в снижении количества и качества выпускаемой продукции вследствие влияния качества электроэнергии на производительность механизмов. Таким образом, проблема качества электроэнергии не является внутренней электротехнической проблемой, а непосредственно затрагивает все отрасли производственной деятельности.
Проблема качества электроэнергии с электротехнической точки зрения проявляется в электромагнитной совместимости элементов системы электроснабжения. Под электромагнитной совместимостью понимают степень взаимного влияния электрооборудования, при котором отсутствуют нарушения нормальной работы и падение эффективности ниже некоторого экономически обоснованного предела.
Большой вклад в решение проблем качества электроэнергии и электромагнитной совместимости элементов системы электроснабжения внесли отечественные ученые Веников В.Л., Жежеленко И.В., Зиновьев Г.С., Мыцык Г.С., Розанов Ю.К., Туманов И.М., Харитонов С.А., Чванов В.А. и др.
Как показывают исследования, наибольший ущерб вызывают отклонения напряжения. Поэтому большое внимание в электротехнической литературе уделено разработкам мероприятий и оборудования, способствующим стабильности величины напряжения. Значительное внимание уделяется также разработкам, направленным на исследования влияния искажения синусоидальности формы кривой тока и напряжения и причин их возникновения. Предложено значительное число методов и устройств, позволяющих снизить ущерб от искажения синусоидальности.
Особое место среди всех проблем качества электроэнергии занимают проблемы, связанные с несимметрией напряжений систем переменного тока. Несимметрия токов уменьшает пропускную способность питающих трёхфазных сетей, снижает технико-экономические показатели трансформаторов, увеличивает потери активной мощности и энергии. Несимметричные напряжения уменьшают мощность выпрямительных установок, снижают эффективность использования регулирующих и компенсирующих устройств.
Среди наиболее распространенных источников несимметрии напряжений в трехфазных системах электроснабжения можно выделить такие потребители электроэнергии, симметричное многофазное исполнение которых или невозможно, или нецелесообразно по технико-экономическим соображениям. К таким установкам, например, относятся тяговые нагрузки железных дорог, выполненные на переменном токе, индукционные и дуговые электрические печи, электросварочные агрегаты, осветительные установки.
Несимметричные режимы напряжений в электрических сетях могут возникать в аварийных ситуациях - при обрыве фазы или несимметричных коротких замыканиях.
Потери при несимметричной нагрузке обусловлены напряжением обратной последовательности и для коэффициента несимметрии, не превосходящего нормативного значения, достигают 2,4% для асинхронных двигателей, 4% — для трансформаторов, 4,2% —для синхронных двигателей от номинальных значений. Однако, как показывают обследования промышленных предприятий, весьма часто практикуется подключение значительных однофазных нагрузок, что приводит к нарушению нормативного значения коэффициента несимметрии по обратной последовательности. Применение различного рода однофазных электротермических установок большой мощности (до 10 МВт) и трехфазных дуговых печей приводит к значительному увеличению доли несимметричных нагрузок на промышленных предприятиях, что создает в системах электроснабжения длительные несимметричные режимы,
7 характеризующиеся несимметрией токов и напряжений [90]. Естественное отклонение симметрии фазных токов имеет место в сетях со значительной осветительной составляющей нагрузки.
Несимметрия напряжения в системах электроснабжения оказывает влияние на работу всех потребителей электроэнергии. Особенно неблагоприятно несимметрия напряжения сказывается на работе и сроке службы асинхронных двигателей. Сопротивление асинхронных двигателей токам обратной последовательности в 5—7 раз меньше сопротивления токам прямой последовательности, и при наличии даже небольшой составляющей напряжения обратной последовательности возникает значительный ток обратной последовательности. Этот ток накладывается на ток прямой последовательности и вызывает дополнительный нагрев ротора и статора, что приводит к быстрому старению изоляции и уменьшению располагаемой мощности двигателя. Например, при несимметрии напряжения, равной 4%, срок службы полностью загруженного асинхронного двигателя сокращается в 2 раза, а при несимметрии напряжения, равной 5%, располагаемая мощность двигателей уменьшается на 5—10%, при несимметрии, равной 10%, — на 20—50%.
В асинхронных двигателях несимметрия напряжений обусловливает также противодействующий вращающий момент, который уменьшает полезный момент. Уменьшение полезного момента за счет противодействующего момента при несимметричной нагрузке пропорционально квадрату коэффициента несимметрии напряжений.
Помимо этого несимметрия токов уменьшает пропускную способность питающих трёхфазных сетей, снижает технико-экономические показатели трансформаторов, увеличивает потери активной мощности и энергии. Несимметричные напряжения уменьшают мощность выпрямительных установок, снижают эффективность использования регулирующих и компенсирующих устройств.
Сказанное можно иллюстрировать расчетом потерь активной мощности в элементах системы электроснабжения промышленных предприятий, обу-
8 словленные несимметрией напряжения. Расчеты проведены по методике, приведенной в [83].
В любом элементе трехфазной сети без нулевого провода дополнительные потери рассчитывают по выражению:
АЭ =УТ.АР1.
ном / і i^^ 2i ,
где AP2). - потери активной мощности в элементе і системы электроснабжения,
вида оборудования за учетный период.
Произведем расчет дополнительных потерь активной мощности применительно к следующему составу оборудования схемы электроснабжения:
Таблица В. 1
Мощность КЗ электрической системы Sk =1000 MB. А.
Расчет А/*2; производится по формулам:
9 Для трансформаторов:
где &Pk -потери в меди трансформатора в опыте КЗ; ик - напряжение КЗ трансформатора, отн.ед.; Smvi - номинальная мощность трансформатора;
мощность КЗ на шинах высокого напряжения трансформатора; ^НСм,и- коэффициент несимметрии напряжения в узле подключения нагрузки. Для синхронных машин:
\р — и р іЛ
ш 2CM ~ aCMJ номЛнсм,и )
где ^см - расчетный коэффициент для различных типов СМ, полученный по
усредненным данным.
Таблица В.2
Расчетные значения коэффициентов См Для синхронных машин
Результаты расчета для указанных выше параметров электрооборудования приведены в таблице В.З.
Если взять разницу для соответствующих строк таблицы в суммовом выражении: (т.е.: до и после применения мер по снижению несимметрии напряжений) из расчета тарифа за КВт/час = 1,27 руб., то получим следующую годовую экономию в рублях:
для трансформаторов связи: 146 665 руб.
для цеховых трансформаторов: 25 947 руб.
10 Таблица В.З
Таким образом, устранение даже незначительной несимметрии системы трехфазного напряжения приводит к существенной экономии. Поэтому задача разработки методов и устройств симметрирования напряжений в электроэнергетической трехфазной системе является актуальной. В то же время разработкам методов симметрирования системы трехфазного напряжения в научно—технической литературе уделено значительно меньшее внимание, чем другим проблемам качества электроэнергии.
Существует еще одна проблема, не относящаяся непосредственно к проблематике качества энергии, решение которой актуально для распределительных сетей промышленных предприятий, - сведение к минимуму передачи по элементам системы электроснабжения реактивной мощности.
Большая часть электроприемников (электродвигатели, трансформаторы и др.), потребляют не только активную мощность, но и реактивную мощность индуктивного характера. При передаче по элементам системы электроснабжения реактивной мощности, необходимой для преобразования электроэнергии, в них возникают потери активной мощности, а также отклонения напряжения от номинального значения.
Настоящая диссертация посвящена разработке методов симметрирования трехфазной системы напряжений и комплексов для их реализации. При этом особое внимание уделено системам, обеспечивающим одновременно с
решением этой основной задачи частичное или полное решение задач ком
пенсации неактивной мощности. Под последней понимается как реактивная
мощность, так и мощность искажения, связанная с наличием нелинейных и
импульсных нагрузок. Возможность такого совмещения следует из самого
принципа функционирования предлагаемых устройств и комплексов, по
строение которых в настоящее время становится реальным благодаря интен
сивному развитию элементной базы силовой электроники и внедрению мик-
* ропроцессорной техники.
Кроме того, значительная часть диссертации посвящена проблеме сим-метрирования в выходных сетях вторичного электроснабжения, получающих в последнее время широкое распространение.
Сказанное свидетельствует об актуальности темы диссертации. Целью работы является разработка и исследование электротехнических комплексов для симметрирования напряжений в трехфазных системах с совмещением частичного или полного решения задачи компенсации неактивной мощности нагрузки.
Методы исследований. При проведении исследований были использованы методы дифференциального и интегрального исчисления, математического моделирования и элементы теории нечеткой математики, а также методы анализа электрических цепей.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
<* - на основании проведенного анализа описанных в научно-технической и
патентной литературе способов и устройств симметрирования предложен вариант классификации методов и устройств симметрирования напряжений в электроэнергетических трехфазных системах; - в качестве наиболее перспективного метода симметрирования в сетях общего назначения предложен метод, основанный на использования комплекса «регулируемый выпрямитель - ведомый инвертор», и импульсной модуляции потребляемых его модулями токов, позволяющий совместить
12 решение задачи симметрирования с решением задачи компенсации неактивных мощностей нагрузки; - для выходных сетей вторичного электроснабжения на основе полупроводниковых генераторов предложены методы симметрирования, не требующие использования дополнительного силового оборудования, а также комбинированная система на основе фаззирегулятора, реализующая эти методы, в которой с целью обеспечения выполнения требований к качеству электроэнергии в условиях изменения состояния сети и нагрузки осуществляется распределение функции симметрирования между подсистемами.
Практическая ценность работы заключается в разработке методов симметрирования напряжений в трехфазных системах и схем электротехнических комплексов, реализующих эти методы, позволяющие совмещать решение задачи симметрирования с частичной или полной компенсацией неактивной мощности нагрузки.
Предложенные методы и схемы могут быть использованы на промышленных предприятиях, применяющих различного рода однофазные электротермические установки большой мощности и трехфазные дуговые печи, приводящие к значительному увеличению доли несимметричных нагрузок и длительных несимметричных режимов, а также в тяговых сетях железных дорог. Они могут найти широкое применение в выходных сетях вторичного электроснабжения ограниченной мощности, построенных на основе полупроводниковых преобразовательных комплексов.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Наиболее перспективным методом симметрирования системы трехфазного напряжения в сетях общего назначения является метод с перераспределением нагрузки между фазами с использованием промежуточного преобразования энергии на базе комплекса «регулируемый выпрямитель - инвертор, ведомый сетью» с импульсной модуляцией потребляемых его МО-
13 дулями токов. Эффективность метода определяется совмещением решения задачи симметрирования с частичной или полной компенсацией неактивной мощности нагрузки.
В выходных сетях вторичного электроснабжения на основе автономных инверторов тока симметрирование системы трехфазного напряжения достигается посредством импульсно-фазового регулирования вентильно-реакторного компенсатора реактивной мощности. В выходных сетях вторичного электроснабжения на основе полупроводниковых источников активной и реактивной мощности симметрирование системы трехфазного напряжения достигается на основе регулирования длительности интервалов проводимости рабочих вентилей. Реализующие эти методы системы симметрирования (#- система и в- система соответственно) обладают высоким быстродействием и не требуют использования дополнительного силового оборудования.
Комбинированная система симметрирования фазных напряжений выходных сетей вторичного электроснабжения, соединяющая полезные свойства 0 — системы и 8 - системы и ослабляющая их недостатки, обеспечивает выполнение требований Госстандарта к качеству напряжения в отношении коэффициентов несимметрии по обратной последовательности и искажения синусоидальности для типичных параметров несимметричной нагрузки, что подтверждается компьютерным моделированием. Распределение функции симметрирования между в — и 8 — системами осуществляется с помощью фаззи-регулятора, решающие правила которого сформулированы на основании проведенных исследовании обеих систем и известных свойств преобразовательных комплексов.
3. Предложенный обобщенный функционал качества напряжения, используемый в системе минимизации несимметрии и искажения синусоидальности, не требует для своего расчета проведения нахождения спектра и коэффициентов несимметрии. Это способствует упрощению системы управления комплексом и повышению ее быстродействия.
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались и публиковались на следующих конференциях:
Восьмая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», г. Москва, 28 февраля — 1 марта 2002г;
Международная научно-техническая конференция «Проблемы современной электротехники - 2002», г. Киев, 2002;
Всероссийская конференция «Прогрессивные технологии в обучении и производстве», г. Камышин, 24 - 27 апреля 2002г;
Международная конференция «Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении», г. Саратов, 2002г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе получено свидетельство на полезную модель.
Материал диссертация разделен на четыре главы.
В первой главе произведен аналитический обзор существующих способов и устройств симметрирования, предложен вариант их классификации.
Во второй главе рассмотрены модели некоторых из существующих симметрирующих устройств и предложены способы симметрирования в выходных сетях вторичного электроснабжения на основе полупроводниковых генераторов.
Третья глава посвящена исследованию предложенных методов симметрирования системы трехфазного напряжения в выходных сетях вторичного электроснабжения. Предложен комбинированный симметрирующий комплекс, в системе управления которого применен фаззирегулятор границы области изменения одного из управляющих воздействий.
В четвертой главе проведены исследования симметрирующих комплексов для сетей общего назначения. Показана возможность полной компенсации влияния несимметрии нагрузки за счет генерирования специально по-
15 добранной несимметричной системы токов. Решение задачи совмещено с частичной компенсацией неактивной мощности нагрузки.
По теме диссертации автором опубликовано 11 работ. Материалы диссертации докладывались на двух международных и двух региональных научно-технических конференциях.
Классификация способов симметрирования напряжений
В настоящее время значительное внимание уделяется развитию выходных сетей вторичного электроснабжения. Они существуют на тепловозах, самосвалах большой грузоподъемности, на судах и пр. Однако в последнее время все большее распространение выходные сети вторичного электроснабжения получают на таких объектах, как магистральный транспорт газа. Являясь крупными потребителями топливно-энергетических ресурсов, они находятся, как правило, на значительном удалении от центральных линий передачи электроэнергии. В то же время они располагают значительными первичными энергетическими ресурсами, что предопределяет существование собственной сети электроснабжения. Предприятиями ОАО "Газпром" ежегодно расходуется на собственные нужды около 9 % объема газа от поступления в газопроводы и порядка 2 % от общероссийского производства электроэнергии, причем уровень удельного энергопотребления отечественных систем магистрального транспорта газа в 1,5 раза выше, чем зарубежных [2].
В свете темы настоящей диссертации выходные сети вторичного электроснабжения представляют особенный интерес. С точки зрения задачи симметрирования это объясняется тем, что в выходных сетях вторичного электроснабжения мощность первичного многофазного источника может быть соизмерима с мощностью несимметричной нагрузки, причём распределение нагрузки по фазам может носить случайный характер.
В качестве генераторов электрической энергии в выходных сетях вторичного электроснабжения наряду с традиционным оборудованием используются полупроводниковые преобразователи. Одним из основных стимулов применения вентильных преобразователей как источников электроснабжения в выходных сетях вторичного электроснабжения является их существенно более высокая степень управляемости по сравнению с традиционными источниками. В частности, важной особенностью комплексов на основе вентильных преобразователей является возможность управления качеством электрической энергии в их входных и выходных сетях без применения дополнительного силового оборудования средствами системы управления. Помимо качества кривой генерируемого напряжения управлению подлежат такие показатели, как степень асимметрии этого напряжения и коэффициент мощности во входной сети. Существенно, что для нормирования качества электрической энергии в выходных сетях вторичного электроснабжения помимо общего стандарта ГОСТ 13109-97 разработаны специальные стандарты. Например, качество электрической энергии, подаваемой на борт летательного аппарата, должно соответствовать ГОСТ 19705-89. В то же время в патентных материалах практически отсутствуют описания способов и устройств, предназначенных специально для симметрирования напряжений в выходных сетях вторичного электроснабжения. По этой причине в настоящей работе одним из двух направлений исследований выбрано направление, связанное с разработкой методов симметрирования напряжений в выходных сетях вторичного электроснабжения на основе полупроводниковых источников.
1. Анализ описанных в патентной литературе способов и устройств симметрирования позволяет предложить вариант классификации методов симметрирования. Наиболее перспективным методом симметрирования, применимым в сетях общего назначения, следует считать метод, основанный на системе «регулируемый выпрямитель - инвертор, ведомый сетью», позволяющий совместить решение задачи симметрирования с решением задачи компенсации неактивных мощностей нагрузки.
2. Появление мощных вентилей с полной управляемостью и внедрение микропроцессоров в системы управления электротехнических комплексов позволяют совместить в одном комплексе функцию симметрирования системы трехфазных напряжений с решением задачи компенсации неактивных мощностей в электрических сетях.
3. В сетях электропитания автономных объектов возможна сравнимость мощности несимметрии с мощностью генератора. Поэтому в таких сетях проблема симметрирования системы напряжений имеет особенное значение. В этой связи в качестве источников представляют интерес генераторы на основе полупроводниковых вентилей, как объекты с высокой степенью управляемости.
Функционал качества трехфазной системы напряжения
Выше показаны возможности каждого из методов симметрирования фазных напряжений в комплексе на основе автономного инвертора с внутренней системой компенсации реактивной мощности. Можно ожидать, что разумное сочетание этих свойств, при совместном функционировании подсистем, работающих совместно, приведет к повышению эффективности работы системы в целом. Действительно, каждый из методов симметрирования, применяемый в отдельности, приводит к некоторым нежелательным последствиям.
Метод, использующий отклонение длительности проводимости рабочих вентилей, ухудшает качество кривой выходного напряжения. Второй метод, основанный на задержке включения вентилей обратного моста, может привести к снижению жесткости внешней характеристики инверторной части комплекса. При совместном использовании этих методов эти недостатки будут выражены слабее, поскольку каждый из методов не в полной мере задействует свои ресурсы.
Задача, таким образом, заключается в том, чтобы разумным образом распределить функцию симметрирования между двумя подсистемами, реализующими указанные методы. Пусть система симметрирования содержит две подсистемы работающих по этим методам. Первую из них назовем 0 - подсистемой, вторую - б - подсистемой.
Одним из методов, применяемых при минимизации функционалов, является градиентный метод [1,32]. Выше в п. 2.5 обсуждалось применение этого метода при минимизации коэффициента асимметрии по обратной последовательности в масштабе реального времени с помощью в -системы. Пространство поиска минимума в этой системе имело размерность 3 для одномостового инвертора и 6 для двух мостового. В отдельной 5 - системе размерность поиска, как следует из п.2.4., также трехмерно для одномостовой схемы инвертора.
Физически ясно, что речь идет о поиске в ограниченных множествах указанных пространств. Смысл распределения функции симметрирования между подсистемами состоит, таким образом, в установлении границ этих множеств, которые бы и обеспечивали разумный компромисс.
Поскольку работоспособность комплекса в большой степени связана именно с 8 -системой, границы изменения углов бк следует сделать гибкими, зависящими от режима работы комплекса. Границы изменения углов 0t могут быть выбраны фиксированными из соображения допустимого искажения синусоидальности. Из сказанного следует следующий вид ограничений области поиска минимума. Величину предельного угла задержки бтдХ будем определять в зависимости от степени загрузки комплекса, т.е. величины тока нагрузки /,, и от степени ассиметрии, т.е. коэффициента Кнс. Таким образом, max =/( „ „,) (3.35) Определим характер зависимости (3.35). Очевидно, что при росте тока нагрузки 1И угол запирания уменьшается, что делает работу внутренней системы компенсации реактивной мощности не нужной. Следовательно, с ростом нагрузки выгодно увеличить границу области изменения угла задержки dmsx. Наоборот, с разгрузкой комплекса, угол запирания растет, что требует увеличения степени компенсации реактивной мощности. Таким образом, зависимость (3.35) должна быть монотонно возрастающей по аргументу К Такой же характер целесообразно придать и зависимости так от второго аргумента К,1С. Это следует из необходимости расширения области поиска минимума с ростом несимметрии. Указанные ясные с физической точки зрения соображения могут быть реализованы практически в рамках методологии фаззи-регуляторов [47, 59, 60 ]. 3.6. Основные свойства фаззи-регуляторов
В теории нечетких алгоритмов рассматриваются нечеткие автоматы, с заданными функциями входа и выхода и не использующими функции переходов и операций. Этот тип алгоритмов получил широкое распространение при формализации опыта человека-оператора, управляющего технологическим процессом. Такие алгоритмы называются нечеткими логическими регуляторами или фаз-зи-регуляторами (ФР).
Наиболее развитым является подход, направленный на формализацию опыта оператора, управляющего некоторым объектом. Определенные промышленные установки могут лучше управляться опытными операторами, чем обычными автоматическими регуляторами. Стратегия управления, используемая оператором, часто может быть сформулирована как набор правил, кото 90 рые просто выполнить вручную, но трудно формализовать, используя обычные алгоритмы. Эта трудность возникает из-за того, что человек чаще использует качественные, а не количественные оценки при описании условий принятия конкретных решений. Следовательно, для моделирования управления такими процессами необходимо использовать нечеткую логику. Именно таким свойством обладает зависимость (3.35), качественно описанная в предыдущем параграфе.
Приведем основные идеи этого подхода. Пусть качественная оценка А значения параметра, описывающего состояние процесса, формализована нечетким подмножеством А множества значений параметра U, а качественные оценки В, С значений управляющего воздействия формализованы нечеткими подмножествами В, С множества воздействий V. Тогда алгоритм управления будет строиться из решающих правил следующего вида: в пространстве Ux V, a U, , х -— операции объединения, отрицания и декартова произведения соответственно.
Для заданного значения и каждое правило позволяет определить нечеткое множество воздействий С , = uRi. Здесь символ о обозначает операцию композиции отношений [47,48] . Нечеткое управляющее воздействие ОПреДе-ляется как объединение C =\JCi. Для определения единственного управляющего воздействия выбирается значение с максимальной оценкой или, если имеется плато у функции принадлежности, то выбирается значение в центре плато и т.д.
Использование нечеткого управления применяется для очень сложных процессов, когда не существует простой математической модели объекта управления, для нелинейных процессов высоких порядков или если для pea 91 лизации управления должна производиться обработка лингвистически сформулированных экспертных знаний.
Лингвистической переменной (linguistic variable) называется переменная, значениями которой могут быть слова или словосочетания некоторого естественного или искусственного языка. Лингвистическая переменная задается пятеркой
Нахождение начальных приближений при определении значений управляющих переменных системы симметрирования
Симметрирующие устройства по схемам рис. 1.4 и 4.5 генерируют в сеть непрерывные токи, причем первое из них со значительным искажением синусоидальности. Варианты УСУ, выполненные по схемам рис. 4.1, 4.2, 4.3 и 4.4, являются развитием идеи, использованной в УСУ по схеме 1.4, направленным на расширение функциональных возможностей. В этих УСУ решение задачи симметрирования может сопровождаться частичным решением двух других рассматриваемых проблем - улучшения гармонического состава тока, потребляемого из сети и компенсации реактивной мощности нагрузки.
Отличие УСУ по схеме рис. 4.1 от других указанных устройств состоит в возможности влиять на параметры входного тока только моментами возникновения импульсов тока выпрямителя, тогда как в УСУ по схемам рис. 4.3 и 4.4 управляющими параметрами являются и моменты, в которые начинаются импульсы, и их длительности. Таким образом, с точки зрения возможности управления показателями качества электроэнергии указанные УСУ являются более общими, чем УСУ по схеме рис. 4.1.
Входные цени УС по схемам рис. 4.3 и 4.4 идентичны. Действительно, в обеих схемах осуществляется прерывание тока на входе выпрямителя, причем возможно как изменение скважности импульсов тока, так и моментов их возникновения. Регулирование амплитуды импульсов входного тока целесообразно осуществлять за счет управления инвертором, ведомого сетью, т.е. регулированием выходного тока устройства.
Примем следующие допущения.
1. Будем считать, что ток реактора Ld достаточно сглажен, чтобы заменить мгновенное его значение средним за период. Таким образом, амплитуду импульсов входного тока УС будем считать одинаковой для всех импульсов и равной среднему значению тока реактора Id ;
2. Действие прямоугольных импульсов входного тока с регулируемой дли тельностью &/[, имеющих в силу сказанного выше площадь Id Atk заменим д - образным импульсом той же площади [32].
Допустимость такой замены следует из малости длительности &tk по сравнению с периодом входного напряжения Т и значительной инерционностью входной цепи, определяемой индуктивностью рассеяния входного трансформатора.
Обозначим ток на выходе выпрямителя через h Он получен из тока реактора id модуляцией последовательностью прямоугольных импульсов ҐІк (?) , так что мгновенное значение тока is равно
Таким образом, изменяя угол Р, система управления ведомым инвертором обеспечивает необходимую величину тока 1 . Эта последняя величина определяется из следующих соображений.
Пусть в результате решения системы (4.25) найдены требуемые значения длительностей тк. Если при этом не выполняются условия (4.27), то при текущем значении тока 1 d эти значения нереализуемы. Поэтому необходимо увеличить величину тока Id до уровня, при котором решение системы (4.25) будут удовлетворять условиям (4.27). В силу того, что свободные члены уравнений системы (4.25) пропорциональны величинам /„ = 71 Vn 111d t это всегда возможно.
Фактическое значение тока ld должно быть еще больше. Как уже отмечалось выше, реальную реализацию систем кондиционирования целесообразно выполнять с помощью метода градиентной минимизации целевой функции. При этом практическое решение систем уравнений вида (4.25) необходимо лишь для нахождения начального приближения для процедуры минимизации. Таким образом, всегда необходим некоторый запас в выполнении неравенства &k+i @к — тк для максимального тк. Учитывая, что современные системы управления преобразователями обеспечивают точность реализации угловых величин до 0.5 эл. град., то соответствующий запас Дг следует выбрать равным 3-4 эл. градуса. Это обеспечит алгоритму пошагового спуска 5-7 шагов по соответствующей координате. Таким образом, вместо условия (4.27) для максимального из тк следует проверять условие
Трехфазная мостовая схема преобразователя (ТМП) имеет ряд неоспоримых преимуществ перед трехфазной схемой, выполненной на основе трех однофазных мостовых схем (ПТОМ). Это, прежде всего, лучшее использование вентилей, значительно более низкий коэффициент искажения синусоидально 127 сти тока и напряжения, меньшая установленная мощность трансформатора, реакторов и конденсаторных батарей.
В тоже время при использовании этих схем в выпрямительной части рассматриваемых симметрирующих устройств схема ПТОМ может оказаться предпочтительней схеме ТМП.
Действительно, наиболее частой причиной асимметрии в сети является подключение однофазной нагрузки к одной из фаз. В этом случае нецелесообразно загружать две другие фазы токами устройства симметрирования. Применение ТМП можно считать оправданным только тогда, когда устройство симметрирования одновременно решает задачи компенсации части реактивной мощности и несинусоидальности токов нагрузки, а также в случае сложных видов асимметрии, в том числе изменения ее характера во времени.
Универсальные устройства симметрирования на основе импульсной модуляции входного тока преобразователя
1. Симметрирование системы трехфазного напряжения может быть совмещено с решением ряда задач повышения качества электроэнергии на базе единых комплексов силовой электроники. Одной из таких задач являются задача компенсации несинусоидальности напряжения сети, возникающей из-за наличия нелинейной нагрузки.
2. Симметрирование может быть совмещено также с компенсацией реактивной составляющей тока нагрузки. В частности, это может быть сделано на основе агрегированного управляемого источника реактивной мощности за счет реализации в -системы симметрирования, предложенной во второй главе диссертации. Предложенный вариант управляемого компенсатора реактивной мощности генерирует токи с требуемым спектром кривой.
3. Предложенные варианты симметрирующих комплексов, развивающие принцип симметрирования, использованный в устройстве Сарва-Томсона, позволяют эффективно совместить решение поставленных задач за счет импульсной модуляции токов, генерируемых в сеть.
4. Теория, развитая в рассматриваем разделе, позволяет определять начальное приближение для решающего режима модуляции при заданных условиях в сети. Режимы модуляции уточняется в моделях симметрирующих комплексов минимизацией целевой функции методом градиентного спуска.
К основным результатам, полученным в работе, можно отнести следующие:
1. На основании проведенного анализа описанных в научно-технической и патентной литературе способов и устройств симметрирования предложен вариант классификации методов симметрирования напряжений в электроэнергетической трехфазной системе. В основу положены следующие признаки классификации: использование продольных или поперечных элементов симметрирования, характер используемых в системе симметрирования элементов, степень управляемости, масштаб времени изменения режима, наличие перераспределения нагрузки между фазами, использование промежуточного преобразования энергии.
2. В качестве наиболее перспективного метода симметрирования предлагается метод, основанный на комплексе «регулируемый выпрямитель - инвертор, ведомый сетью», дополненный импульсной модуляцией потребляемых его модулями токов. Метод, применимый в сетях общего назначения, позволяет совместить решение задачи симметрирования с решением задачи компенсации неактивных мощностей нагрузки.
3. Предложен метод симметрирования системы напряжений выходных сетей вторичного электроснабжения на основе полупроводниковых генераторов питающего напряжения с внутренней системой компенсации реактивной мощности. Метод основан на регулировании фазных напряжений генератора посредством импульсно-фазового управления вентильно-реакторным компенсатором реактивной мощности. Реализующая этот метод система симметрирования (-система), благодаря использованию внутренних силовых обратных связей генератора, отличается высоким быстродействием. Проведены оценки чувствительности величины фазных напряжений к изменению управляющего воздействия. Показано, что метод регулирования фазных напряжений не вызывает дополнительных искажений синусоидальности кривой выходного напряжения генератора.
4. Предложен метод симметрирования системы напряжений выходных сетей вторичного электроснабжения на базе полупроводниковых источников активной и реактивной мощности, основанный на регулировании длительностей проводимости рабочих вентилей (#-система). Получены аналитические зависимости, позволяющие оценить чувствительность величины напряжения обратной последовательности к изменению управляющих воздействий #—системы при заданной величине и характере нагрузки. Найдены также аналитические оценки влияния управляющих воздействий на спектр напряжения сети.
5. Предложен алгоритм управления 0— системой симметрирования выходной сети вторичного электроснабжения, использующий прямой метод поиска минимума функционала качества, позволяющий в реальном масштабе времени осуществлять управление двумя показателями качества напряжения сети: коэффициентом несимметрии обратной последовательности и коэффициентом несинусоидальности кривой фазного напряжения сети.
6. Выявленные закономерности функционирования 6-й S - систем симметрирования позволили предложить комбинированную систему симметрирования фазных напряжений выходной сети вторичного электроснабжения, соединяющую полезные свойства #—системы и д- системы и ослабляющую их недостатки.
Распределение функции симметрирования между 9 — и S — системами осуществляется с помощью фаззи-ограничителя, решающие правила которого сформулированы на основании проведенных исследовании обеих систем и известных свойств преобразовательных комплексов. Исследование разработанной модели комбинированной системы симметрирования фазных напряжений выходной сети вторичного электроснабжения с фаззи-ограничителем позволяет сделать вывод о высокой эффективности комбинированной системы.
7. Предложены и исследованы варианты симметрирующих комплексов общего применения, позволяющие эффективно совместить решение задачи симметрирования с решением задач компенсации несинусоид ал ыюсти напряжения сети, возникающей из-за наличия нелинейной нагрузки и компенсации реактивной составляющей тока нагрузки.
