Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ характеристик сигналов и параметров потребления мощности в электрических цепях 16
1.1. Вводные замечания 16
1.2. Влияние отклонений частоты колебаний на вычисление спектров и действующих значений 20
1.3. Методы определения частоты сигналов 27
1.4. Режимы потребления мощности в электрических цепях 38
1.5. Методика анализа характеристик сигналов и параметров потребления мощности в электрических цепях по мгновенным значениям напряжений и токов 42
1.6. Выводы по первой главе 43
ГЛАВА 2. Энергоэффективность электротехнических комплексов и систем электроснабжения 45
2.1. Вводные замечания 45
2.2. Показатели эффективности электропотребления 47
2.3. Показатели качества электроснабжения 62
2.4. Синтез критерия энергоэффективности 75
2.5. Методика измерений коэффициента энергоэффективности электротехнических комплексов и систем электроснабжения 91
2.6. Выводы по второй главе 96
ГЛАВА 3. Повышение пропускной способности линий электропередачи 97
3.1. Вводные замечания 97
3.2. Режимы работы и схемы замещения линий электропередачи переменного тока с распределенными параметрами
3.3. Схемы замещения линий электропередачи переменного тока с сосредоточенными параметрами и конструктивные особенности линий 104
3.4. Адаптивная линия электропередачи переменного тока 113
3.5. Электропередачи постоянного тока 123
3.6. Выводы по третьей главе 126
Глава 4. Методы и средства компенсации реактивной мощности и стабилизации параметров качества электроэнергии 128
4.1. Вводные замечания 128
4.2. Компенсация реактивной мощности и стабилизация показателей качества питающих напряжений и токов за счет генерации адаптивных потоков электроэнергии 130
4.3. Компенсация реактивной мощности и стабилизация показателей качества питающих напряжений и токов за счет адаптивного параметрического регулирования 169
4.4. Выводы по четвертой главе 208
Заключение 210
Литература
- Влияние отклонений частоты колебаний на вычисление спектров и действующих значений
- Показатели эффективности электропотребления
- Схемы замещения линий электропередачи переменного тока с сосредоточенными параметрами и конструктивные особенности
- Компенсация реактивной мощности и стабилизация показателей качества питающих напряжений и токов за счет генерации адаптивных потоков электроэнергии
Введение к работе
Актуальность. Вопросы повышения эффективности использования энергетических ресурсов, в том числе электрической энергии, имеют принципиальное значение для устойчивого развития экономик и роста внутреннего валового продукта (ВВП) стран. На принятие действенных мер, обеспечивающих эффективное использование электрической энергии, направлена работа многих ученых и научно-исследовательских организаций по всему миру.
Актуальность темы обусловлена, главным образом, современными социально-экономическими тенденциями, приводящими к росту общей энергоемкости промышленных и бытовых потребителей, связанной, в частности, с количественным распространением различных электротехнических комплексов и систем, качественными изменениями режимов и графиков потребления электрической мощности, а также с увеличением протяженности магистральных, промышленных и бытовых электрических сетей.
В результате отмеченных тенденций, возникает недостаток генерируемой электростанциями мощности, появляется необходимость строительства дополнительных станций, комплексов автономной или систем распределенной генерации. Это сопряжено с большими экономическими затратами и значительными экологическими ущербами, которые можно минимизировать, а в некоторых случаях и полностью исключить, если обеспечить повышение энергоэффективности электротехнических комплексов и систем электроснабжения.
Под энергоэффективностью электротехнических комплексов и систем электроснабжения в общем случае понимается рациональное и эффективное использование мощности, потребляемой от источников электроэнергии, при сохранении параметров качества сети, питающей промышленных и бытовых потребителей.
Цель работы и задачи исследования. Цель работы заключается в разработке методов и средств повышения энергоэффективности электротехнических комплексов и систем электроснабжения за счет минимизации потерь при передаче мощности от источников электроэнергии к потребителям, а также за счет повышения показателей эффективности электропотребления и качественных показателей электроэнергии питающей сети.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Предложить методику анализа параметров, характеризующих специфику потребления мощности при работе электротехнических комплексов и систем электроснабжения различного назначения.
Предложить критерий энергоэффективности электротехнических комплексов и систем электроснабжения, а также методику его измерения и расчета.
Разработать методику повышения пропускной способности ЛЭП переменного тока на основе принципа элементарной параметрической адаптации.
Предложить методы и разработать устройства адаптивной компенсации реактивной мощности и стабилизации параметров качества электроэнергии, обеспечивающие выполнение требований к энергетическим показателям
электротехнических комплексов и систем электроснабжения, в соответствии с предложенным критерием энергоэффективности.
Методы исследований. Поставленные задачи решались путем проведения теоретических и экспериментальных исследований. В диссертации использованы основные положения теоретической электротехники, аппараты математического анализа, тригонометрии, теории вероятностей, линейной алгебры, современные методы и программные средства компьютерного моделирования электротехнических комплексов и динамических систем: Matlab-Simulink, MATHCAD.
Основные положения, выносимые на защиту:
Методика анализа характеристик сигналов и параметров потребления мощности в электрических цепях по мгновенным значениям напряжений и токов.
Коэффициент энергоэффективности электротехнических комплексов и систем электроснабжения и методика его измерения.
Методика повышения пропускной способности ЛЭП переменного тока с реализацией принципа элементарной параметрической адаптации.
Адаптивные методы и реализующие их устройства компенсации реактивной мощности и стабилизации параметров качества электроэнергии, обеспечивающие повышение энергоэффективности по выбранному критерию.
Научная новизна диссертационной работы:
Предложена методика анализа и расчета характеристик сигналов и параметров потребления мощности в электрических цепях по мгновенным значениям напряжений и токов, которая с высокой точностью отражает реальные электроэнергетические процессы.
Предложен общий критерий показателей эффективности электропотребления и параметров качества электроэнергии, в виде коэффициента энергоэффективности электротехнических комплексов и систем электроснабжения, а также методика его измерения.
Предложена методика повышения энергоэффективности и пропускной способности ЛЭП переменного тока на основе принципа элементарной параметрической адаптации.
Разработаны и реализованы методы компенсации реактивной мощности и стабилизации параметров качества электроэнергии, обеспечивающие повышение энергоэффективности по предложенному критерию.
Достоверность научных результатов диссертационной работы, подтверждается опытными данными, полученными при помощи средств экспериментального компьютерного моделирования электротехнических комплексов и динамических систем, и практически полным совпадением этих данных с результатами расчетов при использовании известных аналитических выражений.
Практическая ценность работы.
1. Методика анализа характеристик сигналов и параметров потребления мощности в электрических цепях, по мгновенным значениям напряжений и токов, предложенная в диссертационной работе, может быть использована в системах управления и контроля, в современных устройствах компенсации реактивной
мощности и стабилизации параметров качества электроэнергии, а также в различных цифровых контрольно-измерительных приборах.
Предложенный коэффициент энергоэффективности электротехнических комплексов и систем электроснабжения, а также методика его измерения по мгновенным значениям напряжений и токов, могут найти широкое применение в цифровых измерительных приборах, устройствах управления, контроля и визуализации в реальном времени, в системах многопараметрической диагностики электроэнергетических систем (ЭЭС).
Методика и средства повышения энергоэффективности ЛЭП, предложенные в диссертационной работе, могут применяться при проектировании и строительстве ЛЭП различной протяженности, а также в комплексных мероприятиях по повышению их пропускной способности и минимизации потерь.
Разработанные методы и устройства адаптивной компенсации реактивной мощности и стабилизации параметров качества электроэнергии, могут использоваться в разнообразных электротехнических комплексах и системах электроснабжения промышленных и бытовых потребителей мощности.
Реализация и внедрение результатов диссертационной работы. Полученные в диссертационной работе результаты использовались: в ЗАО «НПО «Тепломаш» (г. Санкт - Петербург), в НПФ «Вектор-Н1» ОАО «НИИ «Вектор» (г. Санкт-Петербург), в ООО «СВЧ-Радиосистемы» (г. Санкт-Петербург), в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина) внедрены в лекционные курсы и лабораторный практикум по дисциплинам: «Компьютерно-информационные технологии анализа и синтеза электротехнических комплексов» и «Силовая импульсная техника».
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международной научно-технической конференции «Передовые технологии, материалы и оборудование в сварке и родственных процессах» (г. Санкт-Петербург 2008 г.), на ХП-й международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электрические материалы и компоненты (МКЭЭЭ, г. Алушта 2008 г.), на 63-й и 64-й научно-технических конференциях СПбНТОРЭС им. А. С. Попова (Санкт-Петербург 2008, 2009 гг.), а также на 61 - 64 научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (г. Санкт-Петербург, 2008-2011 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, среди них 4 статьи в изданиях рекомендованных ВАК РФ, 8 патентов РФ и 8 работ в других изданиях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка используемой литературы и изложена на 220 листах машинописного текста.
Влияние отклонений частоты колебаний на вычисление спектров и действующих значений
При анализе характеристик сигналов в электрических цепях традиционно мало внимания уделяется частоте. В подавляющем большинстве случаев, это связано с одной стороны с трудностями при определении ее значений в реальных условиях, обусловленных недостатком технических средств и методов вычисления частоты колебаний при воздействии модуляции и помех. С другой стороны, считается [9], что влиять на уровень частоты и бороться с последствиями при ее отклонении от установленных норм в электрических цепях и системах электроснабжения, например промышленных потребителей, практически невозможно. В качестве базовой номинальной частоты в различных электротехнических системах выбирается частота, определенная либо в соответствующих нормативных документах, либо в государственных стандартах, например в [10]. Поэтому реальное значение частоты /(г) колебаний, при ее изменении, как правило, не учитывается. Однако такой не учёт реального значения частоты в электрических цепях, особенно при исследовании свойств сигналов или помех, сказывается на адекватной интерпретации колебательных процессов. В выражениях (1.3 - 1.8), используемых при вычислении спектров и действующих значений, первоочередное значение имеет выбор текущей эталонной частоты f3(t), относительно которой производятся расчеты, а также ее соответствие реальной частоте /"(г) исследуемых сигналов. Рассмотрим влияние несоответствий выбранной эталонной частоты f3(t) и реальной частоты f(t) колебаний [/3(t) Ф /(f)] при вычислениях спектров и действующих значений. Для этого при помощи компьютерного моделирования в среде Matlab-Simulink проведем экспериментальные исследования.
Синтезированный гармонический сигнал u(t) Предположим, что частота f(t) сигнала (1.9) заранее известна. Применяя формулы (1.4), (1.6 - 1.8) при /3(t) — /(t) = 51 Гц, получим реальный амплитудный спектр сигнала, изображенный на рисунке 1.2, и вычислим действующее значение ИA{t), которое показано на рисунке 1.3.
Теперь, предположим, что частота колебания (1.9) заранее неизвестна, однако номинальное значение частоты регламентировано в государственном стандарте [10] и равно 50 Гц. Применяя формулы (1.4) и (1.6 - 1.8) при /3(t) = 50 Гц [/3(t) Ф /(f)] получим, амплитудный спектр (рисунок 1.4) и действующее значение f/A(t) сигнала (1.9) (рисунок 1.5), относительно выбранной эталонной частоты /э().
Исходя из результатов вычислений амплитудных спектров, изображенных на рисунке 1.2 и рисунке 1.4, можно с уверенностью сказать, что амплитудный спектр сигнала (1.9), полученный относительно выбранной эталонной частоты [f3(t) Ф /(f)], имеет существенные отличия и не соответствует реальному спектру синтезированного гармонического колебания. В случае [f3(t) Ф /()] появляются составляющие других частот, например постоянная составляющая, составляющие второго, третьего, четвертого и пятого порядков, отсутствующие в спектре исходного колебания. Спектр, изображенный на рисунке 1.3, есть не что иное, как аппроксимация сигнала (1.9) на заданном отрезке времени при условии L/эСО /(О!- При этом получаем математическую интерпретацию, которая не совпадает с реальными физическими параметрами исследуемого сигнала.
Рассмотрев результаты вычислений действующих значений, показанных на рисунках 1.3 и 1.5, можно сделать вывод о том, что действующее значение сигнала (1.9), вычисленное относительно выбранной эталонной частоты [/3(t) Ф /(.)] не соответствует реальному действующему значению сигнала. В случае [f3(t) Ф f(t)] появляются паразитные колебания вычисляемых значений, отсутствующие в исходном колебании и приводящие к неправильной математической интерпретации физических параметров исследуемого сигнала.
Также как и в примере 1.1, сначала предположим, что частота /() сигнала (1.10) заранее известна. Применяя формулы (1.4) и (1.6 - 1.8) при /э(Х) = f(f) = 51 Гц, получим реальный амплитудный спектр, изображенный на рисунке 1.7 и действующее значение сигнала IA(t), показанное на рисунке 1.8.
Теперь, предположим, что частота колебания (1.10) заранее неизвестна, однако с учетом номинального значения частоты (например, 50 Гц), регламентированного в государственном стандарте [10], применив формулы (1.4, 1.6, 1.7) при /3(t) = 50 Гц, [f3(t) Ф /(f)] получим амплитудный спектр, изображенный на рисунке 1.9. Рисунок 1.7 - Реальный амплитудный спектр полигармонического сигнала i(t) при
Исходя из результатов, изображенных на рисунке 1.7 и рисунке 1.9, можно сказать, что амплитудный спектр сигнала (1.10), полученный относительно выбранной эталонной частоты \1э(Р) /(01» имеет существенные отличия и не соответствует реальному спектру синтезированного полигармонического колебания. В случае [f3(t) Ф /(f)] появляются составляющие других частот, например постоянная составляющая, составляющие второго, четвертого и пятого порядков, отсутствующие в спектре исходного колебания. Спектр, изображенный на рисунке 1.9, является аппроксимацией сигнала (1.10) на заданном отрезке времени при условии неравенства реальной частоты и эталонной частоты разложения в ряд Фурье. При этом получаем математическую интерпретацию, которая не совпадает с реальными физическими параметрами исследуемого сигнала.
Рассмотрев результаты вычислений действующих значений, показанных на рисунках 1.8 и 1.10, можно сказать, что действующее значение сигнала (1.10), определенное относительно выбранной эталонной частоты [f3(t) ф /(c)] не соответствует реальному действующему значению. В случае [/3(t) /(f)] появляются паразитные колебания вычисляемых значений, отсутствующие в исходном колебании и приводящие к неправильной математической интерпретации свойств исследуемого сигнала. Приведенные результаты исследований свидетельствуют о том, что в задачах анализа сигналов в электрических цепях важнейшее значение имеет совпадение эталонной частоты /э(г), относительно которой производятся вычисления, с реальной частотой /(t) сигнала. Для выполнения условия равенства [/э(0 = /(01 необходимы точные измерения частоты исследуемых колебаний при помощи различных методов и средств.
Показатели эффективности электропотребления
Анализируя графики, представленные на рисунках 2.21 - 2.24, делаем вывод о том, что коэффициент мощности на выходе источника электроэнергии 1 при помощи компенсатора реактивной мощности 5 повышается до максимально возможного значения (реактивная мощность стремится к нулю). Поэтому эффективность электропотребления максимальна. Однако показатели качества напряжения, в данном случае уровень напряжения на зажимах нагрузки, не соответствуют норме (необходимому значению).
Таким образом, при высокой эффективности электропотребления качество электроснабжения нагрузки, в системе «источник — посредник -приемник» электроэнергии может быть низким.
Примеры 2.4 и 2.5 показательны с точки зрения выбора и синтеза критерия оценки энергоэффективности. Ни высокое качество электроснабжения, ни высокая эффективность электропотребления в отдельности не могут служить критерием энергоэффективности, несмотря на то, что и показатели эффективности электропотребления и показатели качества электроснабжения имеют энергетический смысл.
Коэффициент мощности, используемый при оценке эффективности электропотребления в точках подключения источников и приемников электроэнергии, отражает основные параметры электропотребления. В качестве таких параметров, подробно характеризующих эффективность, могут выступать соответствующие энергетические коэффициенты, которые дают количественное представление об искажениях, наличии фазовых сдвигов и несимметрии нагрузки фаз, возникающих в результате работы различных электротехнических комплексов и содержащихся в них приемников электроэнергии. Произведение этих коэффициентов согласно выражению (2.2) равно значению коэффициента мощности в местах проведения измерений и анализа. Коэффициент мощности отражает основные параметры электропотребления, однако не позволяет в общем случае учесть параметры качества напряжения питания. В нормативных документах и государственных стандартах по качеству электроэнергии, в частности в [10], приведены различные показатели качества напряжений и регламентированы диапазоны изменений этих показателей, при соблюдении которых электроэнергия считается качественной, но нет какого-либо интегрального коэффициента, количественно оценивающего это качество, и кроме всего прочего ничего не говорится об эффективности электропотребления.
В данной диссертационной работе предлагается обобщить основные параметры эффективности электропотребления, показатели качества напряжений, а также учесть потери при передаче энергии от источника к приемнику и синтезировать критерий количественной оценки энергоэффективности электротехнических комплексов и систем электроснабжения, по структурной схеме «источник - посредник -приемник» электроэнергии (рисунок 2.1). Для количественной оценки и обобщения параметров эффективности электропотребления воспользуемся выражением для коэффициента мощности (2.1) или (2.2). В большинстве практических приложений при использовании этого коэффициента не учитывается реальная частота напряжения источника электроэнергии, а также ее изменения. При этом, как было показано в первой главе, происходит неправильная интерпретация реальных физических процессов электропотребления. Поэтому по аналогии с коэффициентом мощности введем коэффициент эффективности электропотребления, Kee(t), который даст интегральную количественную оценку эффективности использования мощности источника электроэнергии, в момент времени t, с учетом реальной текущей частоты f(t) напряжения в рассматриваемой системе. Коэффициент Kee(t), [0 Kee(t) 1], вычисляется по формуле:
Реальная текущая частота f(t) напряжения источника электроэнергии в момент времени t может быть измерена при помощи способа определения частоты, который был предложен и описан в первой главе.
Для количественной оценки качества электроснабжения (качества электроэнергии) возникает необходимость в обобщении показателей качества напряжений. Рассмотренные в пункте 2.2 показатели качества согласно [10, 38, 39], так или иначе, характеризуют изменения четырех основных параметров напряжения:
Известно [40-42], что физические величины, подверженные влиянию значительного числа случайных воздействий, почти всегда подчиняются законам нормального распределения. Из всех распределений в природе чаще всего встречаются распределения по нормальному закону. Физические процессы, происходящие в системах электроснабжения, также подчиняются нормальному закону распределения Гаусса [4] или являются близкими к таковому (распределение эквивалентных значений токов, напряжений, спектров и т.д.). С математической точки зрения нормальное распределение это не одно распределение, а целый ряд распределений, каждое из которых зависит от двух параметров математического ожидания и стандартного отклонения. Применительно к характеристикам электрических колебаний в частности к уровню или частоте напряжения, математическое ожидание соответствует эталонному (номинальному) значению уровня (частоты) напряжения, а стандартное отклонение соответствует значению принятых допустимых отклонений уровня (частоты) напряжения. Принятые допустимые отклонения и эталонные значения частоты или уровня напряжений обычно регламентируются в соответствующих нормативных документах или в государственных стандартах, например в [10]. Воспользовавшись функцией плотности Гауссовского распределения вероятностей, устремив максимально возможное ее значение к единице, а минимальное к нулю, сделав необходимые подстановки и преобразования, получим выражение для коэффициента частоты напряжения КД), который определяется по формуле:
Схемы замещения линий электропередачи переменного тока с сосредоточенными параметрами и конструктивные особенности
Проанализировав графики, изображенные на рисунках 4.2 и 4.3, делаем вывод о том, что предложенное устройство и метод компенсации искажений тока и реактивной мощности (рисунок 4.1) позволяют повысить энергоэффективность в системе «источник-посредник-приемник» электроэнергии при сложном нелинейном резкопеременном характере нагрузки и ограниченной мощности источника.
При всех отмеченных достоинствах, предлагаемое устройство имеет недостатки, присущие практически всем устройствам данного класса. Во первых, следует отметить, что максимальная эффективность и максимальное значения коэффициента энергоэффективности e(t) в системе «источник -посредник - приемник» электроэнергии при использовании устройства достигается лишь при полном совпадении частоты напряжения источника электроэнергии и номинальной заданной частоты в системе. Кроме этого, необходимо иметь ввиду, что уровень и спектр напряжения источника электроэнергии должны иметь номинальные значения, соответствующие синусоидальной форме кривой напряжения на холостом ходу.
При соблюдении этих условий коэффициент энергоэффективности стремится к значению коэффициента пропускной способности Ktp(r), определяемого выражением (2.25). Но в любом случае при потреблении реактивной мощности энергоэффективность в системе повышается, а при потреблении от источника чисто активной мощности Р(г) (случай линейной активной нагрузки) снижается в Ktp(t) раз.
Таким образом, для достижения наибольшей эффективности работы предложенного устройства компенсации, необходимо принимать меры для стабилизации параметров качества напряжения (качества электроснабжения) в рассматриваемых системах.
Известен ряд устройств [64, 65], для повышения параметров качества электроснабжения (показателей качества питающих напряжений), осуществляющих стабилизацию напряжений в точках подключения нагрузок с одновременной компенсацией реактивной мощности, за счет формирования адаптивных потоков электроэнергии. Наиболее существенные недостатки устройств данного класса, заключаются в методах стабилизации, которые учитывают не все составляющие коэффициента качества электроснабжения keqOO в частности они не учитывают коэффициент частоты напряжения КДЕ). Как следствие, согласно формулам (2.18, 2.19, 2.26), происходит неполноценное повышение энергоэффективности в рассматриваемой системе. Это связано в первую очередь с методами оценки составляющих качества напряжения и адаптационными возможностями устройств, при различных режимах работы источника электроэнергии.
В настоящей главе предлагается метод стабилизации и устройство стабилизации напряжения [19], в котором указанные недостатки сведены к первый и второй преобразователи постоянного тока в переменный, 8 - накопитель энергии (конденсатор), 9 - LC-фильтр, 10 - блок защиты и мягкого пуска, (11,12,13) - первый, второй и третий датчики тока, (14,15,16,17)-первый, второй, третий, четвертый датчики напряжения, 8 - блок АЦП, 19 - блок цифровой обработки, (20ь 202) - первый и второй блоки цифрового понижающего преобразования, 21 - блок частотного детектирования (измеритель частоты), (221, 222) - первый и второй блоки амплитудно-фазового детектирования, (231, 232) - первый и второй блоки цифрового синтеза, 24 - решающее устройство, (25і, 252) - первый и второй блоки цифровой коррекции, (261, 262) - первый и второй блоки ШИМ, (27ь 272) - первый и второй блоки ЦАП, 28 - блок регулирования, 29 - нагрузка.
Устройство подключается между источником электроэнергии 1 и нагрузкой 29 и обеспечивает повышение энергоэффективности путем повышения коэффициента эффективности электропотребления кее (і) в точке подключения источника электроэнергии и коэффициента качества keq(t) в точке подключения нагрузки (приемников электроэнергии) за счет компенсации реактивной мощности, а также стабилизации частоты, уровня и синусоидальности напряжения на нагрузке.
Нагрузка 29, подключаемая к выходу устройства стабилизации, питается напряжением и потребляет ток, мгновенные значения u(t) и i(t) которых в общем случае определяются выражениями (1.1) или (1.3). Метод стабилизации предполагает следующее. Система управления при помощи сенсоров (датчиков тока и напряжения), определяет значение текущей частоты напряжения источника электроэнергии, производит спектрально-временные преобразования и (г) и i(t) с учетом реальной частоты входного напряжения по формулам (1.4-1.7) и осуществляет синтез каждой из квазигармонических составляющих ряда (1.3).
После соответствующей обработки и формирования сигналов управления, входящие в состав устройства (рисунок 4.4) управляемые силовые преобразователи мощности (всего их два) начинают совместную работу, первый из которых создает в точке подключения источника реактивную мощность, а второй напряжение, которое суммируется с напряжением источника электроэнергии.
В результате такого взаимодействия происходит компенсация реактивной мощности в точке подключения источника, стабилизация частоты, уровня и синусоидальности напряжения в точке подключения приемника электроэнергии. За счет обратных связей, реализованных в устройстве, обеспечивается высокая точность производимых операций.
Устройство стабилизации напряжения имеет широкий диапазон функциональных возможностей и способно стабилизировать частоту и амплитуду напряжения на нагрузке с возможностью задания требуемой амплитуды и частоты, а также позволяет регулировать качество электроэнергии на входе и выходе устройства, обеспечивает электропитанием потребителей при отключении источника электроэнергии, обеспечивает электромагнитную совместимость (ЭМС) при подключении к выходу устройства групповой нелинейной нагрузки [66-68].
Рассмотрим работу устройства стабилизации напряжения (рисунок 4.4) и его элементов подробнее.
В начальный момент времени система контроля и управления при помощи решающего устройства 24, содержащегося в блоке цифровой обработки 19, подает сигналы на замыкание первого 3 и второго 4 контакторов, при этом третий контактор 5, а также контактор, входящий в БЗМП 10 разомкнуты. Происходит плавный заряд накопителя энергии 8 (конденсатора) через второй преобразователь 72 до значения равного амплитудному значению напряжения источника 1 электроэнергии, о чем свидетельствуют оцифрованные сигналы, поступающие в блок 19 цифровой обработки с первого 14 и второго 15 датчиков напряжения.
После первоначального заряда накопительного конденсатора 8, при помощи блока регулирования задаются эталонные значения частоты и амплитуды напряжения и система контроля и управления дает команду на размыкание второго контактора 4 и замыкание контактора, содержащегося в блоке БЗМП 10, и управляет первым 71 преобразователем постоянного тока в переменный. В результате, на трансформаторном блоке 6 формируется напряжение, равное разнице текущего амплитудного значения напряжения источника электроэнергии 1 и эталонного амплитудного значения напряжения. Если амплитуда напряжения источника электроэнергии меньше эталонной, то напряжение на трансформаторном блоке 6 совпадает по фазе с напряжением источника электроэнергии 1, а если превышает, то сдвинуто на 180. Происходит дальнейший заряд накопителя энергии (конденсатора) 8 через второй преобразователь 72 до эталонного значения, равного сумме напряжений источника 1 электроэнергии и напряжения на трансформаторном блоке 6. Контроль уровня напряжения накопительного конденсатора 8 всегда осуществляется при помощи второго датчика 15 напряжения.
Компенсация реактивной мощности и стабилизация показателей качества питающих напряжений и токов за счет генерации адаптивных потоков электроэнергии
Стабилизатор подключается между источником электроэнергии и нагрузкой, обеспечивает повышение коэффициента эффективности электропотребления Kee(t) в точке подключения источника электроэнергии, и качества электроснабжения Keq(t) в точке подключения приемника электроэнергии.
Нагрузка 25, подключаемая к выходу стабилизатора 2, питается напряжением и потребляет ток, мгновенные значения u(t) и i(t) которых в общем случае определяются выражениями (1.1) или (1.3).
Метод стабилизации напряжения, применяемый в данном устройстве, предполагает следующее. Система управления при помощи датчиков определяет частоту напряжения источника, производит спектрально-временные преобразования поступающих с датчиков сигналов, с учетом реальной частоты входного напряжения. После соответствующей обработки и формирования сигналов управления система выдает команды для регулирования сопротивлений реактивных колебательных контуров. В результате регулирования происходит необходимая настройка этих сопротивлений для компенсации реактивной мощности, с одновременной параметрической стабилизацией уровня и синусоидальности напряжения на нагрузке, вне зависимости от изменений частоты напряжения источника. Устройство имеет широкий диапазон функциональных возможностей и позволяет регулировать качество электроэнергии за счет селективной компенсации составляющих реактивной мощности на входе стабилизатора и регулирования напряжения на выходе стабилизатора в зависимости от индивидуальных требований подключаемых нагрузок.
Рассмотрим работу стабилизатора напряжения переменного тока и его элементов (рисунок 4.22) подробнее.
Блок 5 управления и контроля (УК) задает эталонное значение амплитуды составляющей первого порядка выходного напряжения стабилизатора 2 напряжения переменного тока, после чего напряжение с выхода источника 1 электроэнергии подается на вход стабилизатора 2. Первый датчик напряжения (ДН) 6 получает информацию о мгновенном значении входного напряжения и направляет ее в частотный детектор (ЧД) 7, где вычисляется текущее значение основной круговой частоты входного напряжения. Информация о текущем значением круговой частоты поступает в блок 5 УК. Блок 5 УК, получив соответствующую информацию, выдает сигналы управления в первый 4, второй 8, третий 15 и четвертый 23 блоки преобразования Фурье (ПФ), в блок 12 амплитудно-фазового детектирования (АФД), а также в первый 18 и второй 21 блоки амплитудного детектирования (АД) для настройки и согласования эталонных характеристик указанных блоков устройства по частоте. Такая настройка и согласование эталонных характеристик по частоте, которые происходят всегда в процессе работы, обеспечивают, стабилизацию выходного напряжения при изменении частоты напряжения источника 1 электроэнергии.
После настройки и согласования блоков 4, 8, 12, 15, 18, 21 и 23, блок 5 УК, при помощи второго блока 8 преобразования Фурье (ПФ), который вычисляет амплитудный и фазовый спектры входного напряжения, сравнивает значение амплитуды составляющей первого порядка входного напряжения с граничными значениями амплитуд рабочего диапазона напряжений стабилизатора 2, которые задаются при проектировании устройства. Если значение амплитуды входного напряжения соответствует рабочему диапазону напряжений стабилизатора 2, блок 5 УК выдает команду управления на замыкание автоматического выключателя (АВ) 9. Происходит плавный пуск, подача напряжения на вход трансформатора 16, на вход блока регулирования напряжения (РН) 19 и далее на нагрузку 25 с одновременной стабилизацией напряжения за счет регулирования проводимости блока 19 РН при помощи блока 5 УК. Регулирование проводимости блока 19 РН и регулирование выходного напряжения при помощи блока 5 УК происходит следующим образом. Используя информацию о заданном эталонном значении амплитуды составляющей первого порядка выходного напряжения, 190 с учетом информации поступающей с первого 18 и второго 21 блоков АД, четвертого 23 блока ПФ, третьего ДН 22, а также с ЧД 7, блок 5 УК определяет значение проводимости блока 19 РН, которое обеспечит заданный уровень напряжения на выходе стабилизатора 2. Контролируя текущую проводимость блока 19 РН, при помощи информации, поступающей в блок 5 УК с первого 18 и второго 21 блоков АД, а также с ЧД 7, блок 5 УК формирует и выдает команды управления в блок 19 РН для регулирования и установки необходимого значения проводимости блока 19 РН путем регулирования индуктивности, содержащейся в блоке 19 РН. При увеличении напряжения на входе стабилизатора 2 проводимость блока 19 РН уменьшается, а при уменьшении напряжения на входе стабилизатора 2 проводимость блока 19 РН увеличивается, таким образом, чтобы напряжение на выходе стабилизатора 2 оставалось равным заданному в блоке 5 УК эталонному значению напряжения. Так как введенный блок 5 УК позволяет задавать различные уровни стабилизированных выходных напряжений в зависимости от индивидуальных требований подключаемых нагрузок 25, а ЧД обеспечивает стабилизацию выходного напряжения при изменении частоты напряжения источника 1 электроэнергии, то предлагаемый стабилизатор 2 имеет широкий диапазон функциональных возможностей.
Для повышения точности стабилизации напряжения, стабилизатор 2 содержит первый 13 и второй 24 блоки снижения мощности искажения (СМИ), содержащие (п-1) последовательных регулируемых колебательных LC-контуров каждый. При этом каждый из (п-1) регулируемых колебательных LC-контуров является узкополосным фильтром для соответствующей составляющей тока и напряжения. При помощи блока 5 УК, который получает информацию о частоте входного напряжения от ЧД 7, первый 13 и второй 24 блоки СМИ, вне зависимости от частоты входного напряжения, всегда настраиваются на частоты кратные основной частоте напряжения источника 1 электроэнергии, что обеспечивает повышение точности стабилизации напряжения, за счет снижения реактивной мощности искажения, как на входе, так и на выходе стабилизатора 2.
Кроме этого блок 5 УК осуществляет регулирование и контроль ширины спектра входного тока и напряжения, а также выходного напряжения по сигналам, поступающим в блок 5 УК с первого 4, второго 8, третьего 15 и четвертого 23 блоков ПФ. При этом блок 5 УК выдает команды соответственно в первый 13 или во второй 24 блоки СМИ для подключения LC-контуров необходимых для фильтрации составляющих спектра или для отключения колебательных LC-контуров не участвующих в фильтрации. Это позволяет снизить мощность активных потерь в блоках 13 и 24 СМИ, обусловленных конечной добротностью колебательных контуров не участвующих в фильтрации.
