Универсальный регулятор качества электроэнергии на основе последовательного и параллельного активных фильтров
На правах рукописи
САЗОНОВ ВЛАДИМИР ВАЛЕРЬЕВИЧ
уНИВЕРСАЛЬНЫЙ РЕГУЛЯТОР КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО И ПАРАЛЛЕЛЬНОГО АКТИВНЫХ ФИЛЬТРОВ
Специальность 05.09.01. «Электромеханика и электрические аппараты»
АВТОРЕФЕРАТ
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук
МОСКВА 2007
Работа выполнена в Государственном Образовательном Учреждении Высшего Профессионального Образования Московском Энергетическом Институте (Техническом Университете) на кафедре Электрических и Электронных аппаратов
| Научный руководитель - | доктор технических наук, профессор Розанов Юрий Константинович |
| Официальный оппонент - | доктор технических наук, профессор Лукин Анатолий Владимирович кандидат технических наук, доцент Буре Ирина Георгиевна |
| Ведущее предприятие - | Высоковольтный научно-исследовательский центр - филиал Государственного унитарного предприятия "Всероссийский электротехнический институт имени В.И.Ленина" (ВНИЦ ВЭИ, г. Истра) |
Защита состоится « 22 » июня 2007 г.
на заседании диссертационного совета Д 212.157.15 при ГОУВПО МЭИ (ТУ)
в аудитории Е-205 в ___11____час. __00______ мин.
по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.13.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО МЭИ (ТУ).
Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по
адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.14, Ученый совет МЭИ (ТУ).
Автореферат разослан «____»___________________ 2007 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.157.15
к.т.н. доц. Соколова Е.М.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Нормальная работа современного электрооборудования, применяемого в различных сферах человеческой деятельности, и выполнение возложенных на него функций зависит от качества электроэнергии.
В связи с развитием электроэнергетики проблема улучшения качества электроэнергии приобретает все большее значение. Она усугубилась вместе с широким внедрением, как на производстве, так и в быту, силовых электронных преобразователей. Это связано с их негативным влиянием на сеть, что проявляется, в основном, в виде увеличения реактивной мощности и мощности искажения. Причиной этого является импульсный характер процессов преобразования электроэнергии посредством ключевых элементов.
Для улучшения качества электроэнергии традиционно используются устройства: тиристорные стабилизаторы, конденсаторные батареи, синхронные компенсаторы, пассивные фильтры. Кроме этого получили распространение аппараты бесперебойного питания (АБП), и регуляторы качества электроэнергии, которые, как правило, имеют несколько функций. Обладая определенными недостатками, эти устройства не позволяют в ряде случаев эффективно решать возложенные на них задачи.
Новая элементная база силовой электроники, появившаяся в 90-х годах ХХ века, позволила создавать эффективные преобразователи переменного/постоянного тока, работающих в 4-х квадрантах комплексной плоскости параметров на стороне переменного тока, что позволяет управлять потоками электроэнергии в любом направлении по заданному закону. При подключении накопителей энергии к преобразователю со стороны постоянного тока становится возможным осуществлять обмен реактивной мощностью, включающей мощность высших гармоник между сетью переменного тока и накопителем. Эта схема лежит в основе наиболее эффективных и перспективных методов регулирования качества электроэнергии, которые были применены при создании активных и гибридных фильтров, предназначенных для устранения искажений тока или напряжения.
Современные методы активной фильтрации и компенсации неактивной мощности были успешно использованы для решения других задач, связанных с обеспечением качества электроэнергии. С учетом возможностей активного фильтра, был разработан регулятор качества электроэнергии нового поколения, что нашло свое отражение в работах проводимых на кафедре ЭиЭА Розановым Ю.К., Рябчицким М.В., Кваснюком А.А. и др. Это устройство способно стабилизировать напряжение на нагрузке, обеспечивая при этом фильтрацию токов высших гармоник и компенсацию реактивной мощности нагрузки.
Оно является одним из самых перспективных на сегодняшний день, поскольку в отличие от других, выполняющих те же функции, использует однократное преобразование энергии с загрузкой силовой части регулятора пропорционально ухудшению качества электроэнергии.
Однако такой регулятор качества электроэнергии, несмотря на свои преимущества, имеет ряд недостатков. Высокая мощность силовой части регулятора, превышающая мощность нагрузки. Коэффициент мощности регулятора близок к единице только при номинальном входном напряжении, и снижается, изменяя свой характер на емкостной или индуктивный при снижениях и повышениях входного напряжения соответственно. Сетевой ток искажается если напряжение питающей сети искажено, а также невозможно обеспечить качественное питание нагрузки при несинусоидальном входном напряжении.
Актуальной является задача определения схемотехнического решения, позволяющего устранить указанные недостатки и расширить функциональные возможности регулятора качества электроэнергии, что и определило тему диссертационной работы.
Цель работы. Создание универсального регулятора качества электроэнергии (УРКЭ) с улучшенными технико-экономическими показателями, совмещающего в себе функции последовательного и параллельного активных фильтров и обеспечивающего заданное качество выходного напряжения, фильтрацию высших гармоник тока и компенсацию реактивной мощности нагрузки при различных возмущающих воздействиях нагрузки и питающей сети, включая кратковременные провалы входного напряжения и искажение его формы.
Достижение цели исследования потребовало решение следующих научно-исследовательских и практических задач:
- Проведения аналитического обзора современных научно-технических решений в области улучшения качества электроэнергии и выявление наиболее перспективных методов регулирования параметров электроэнергии с применением силовых электронных приборов;
- Разработки принципа создания универсального регулятора качества электроэнергии на основе последовательного и параллельного активных фильтров;
- Проведения анализа электромагнитных процессов в статических и динамических режимах работы и на его основе разработка методики инженерного проектирования силовой части регулятора;
- Разработки алгоритма управления и системы управления регулятором качества электроэнергии, позволяющих реализовать его функции и обеспечить своевременную защиту при возникновении аварийных ситуаций;
- Разработки математических моделей.
Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы методы математического анализа, методы теории электрических цепей, численные методы решения уравнений на ЭВМ, методы теории автоматического управления (частотные характеристики и частотный анализ качества), методы анализа преобразователей переменного/постоянного тока и математического моделирования.
Обоснование и достоверность результатов. Справедливость теоретических положений подтверждается использованием апробированных методов анализа электромагнитных процессов в силовых электронных устройствах и корректностью принятых допущений, а также результатами компьютерного и физического моделирования.
Научная новизна. На защиту выносятся:
- Принцип создания универсального регулятора качества электроэнергии на основе последовательного и параллельного активных фильтров для управления электрическими параметрами сети на основе векторного управления током и напряжением;
- Методика инженерного проектирования элементов силовой части;
- Принцип построения и алгоритм функционирования цифровой системы управления;
- Математическая модель для исследования характеристик регулятора в статических и динамических режимах работы.
Практическая ценность. В результате выполненной работы разработано новое схемотехническое решение универсального регулятора качества электроэнергии, позволяющего снизить мощность силовой части ранее разработанных регуляторов и в тоже время расширить их функциональные возможности, позволяющие обеспечить высокое качество электроснабжения потребителей, и компенсировать их негативное влияние на сеть.
Реализация работы. Полученные результаты работы использованы в работах проводимых кафедрой ЭиЭА МЭИ (ТУ) совместно с МЗЭП (Московский завод электроизмерительных приборов) по разработке макетных образцов бытовых кондиционеров сети для повышения качества электроэнергии.
Апробация. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях МКЭЭЭ -2006 (Крым, Алушта), СЭЭ-2006 (Украина) а также на заседаниях кафедры ЭиЭА.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 печатных работы и получено положительное решение ФГУ ФИПС о выдаче патента на изобретение по заявке
№ 2006108820/09(009588) от 21.03.06 «Стабилизатор напряжения».
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 171 стр. и содержит 92 рисунка, 8 таблиц, 84 наименования списка литературы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, задачи исследования, научная новизна и практическая ценность диссертационной работы.
В первой главе проведен анализ показателей качества электроэнергии (ПКЭ) на основе отечественных и зарубежных стандартов, а также выявлены наиболее часто встречающиеся случаи ухудшения качества электроэнергии. Определены группы потребителей наиболее критичных к отклонениям различных показателей качества. Показана важность стабильности питающего напряжения для надежной работы потребителей электроэнергии. Отмечено, что наиболее частым видом ухудшения качества электроэнергии, как в России, так и за рубежом является пониженное напряжение, а также кратковременные провалы (1-3 периода) напряжения сети. Показано негативное влияние нелинейных потребителей на качество электроэнергии, а также рассмотрены последствия воздействия высших гармоник на электрические машины, батареи конденсаторов, электрические и электронные аппараты.
Рассмотрены различные устройства, предназначенные для улучшения качества электроэнергии. Показаны их преимущества и недостатки. Обзор средств улучшения качества электроэнергии показал, что большинство из существующих методов направлены на улучшение одного ПКЭ, поэтому их применение не всегда эффективно и экономически целесообразно. Сделан вывод о необходимости создания новых устройств, способных комплексно решать проблему качества электроэнергии в системе питающая сеть - потребитель.
Разработанные на сегодняшний день регуляторы качества электроэнергии на базе параллельных активных фильтров (рис. 1) способны в большинстве случаев не только обеспечить качественное питание потребителей, но и скомпенсировать их негативное влияние на СЭ. Однако они имеют ряд недостатков, ограничивающий их применение с увеличением мощности нагрузки (целесообразно применение до 1 кВт). Поэтому актуальной является задача совершенствования схемы регулятора (снижение мощности преобразователя параллельного активного фильтра) и расширение его функциональных возможностей.
Рис. 1. Принципиальная схема регулятора качества электроэнергии
Регулятор качества электроэнергии состоит из параллельного активного фильтра и дросселя L (рис. 1). Активный фильтр осуществляет фильтрацию тока нелинейной нагрузки ZН за счет генерации высших гармоник тока в противофазе с токами высших гармоник нагрузки. Благодаря этому высшие гармоники тока нагрузки компенсируются в узле подключения фильтра. С другой стороны преобразователь компенсирует реактивную составляющую тока нагрузки и генерирует реактивный ток в сеть. Причем, если напряжение сети выше номинального значения сетевой ток имеет индуктивный характер, что приводит к снижению напряжения на нагрузке и наоборот, а если напряжение сети ниже номинала ток будет емкостным, что приведет к увеличению напряжения на нагрузке.
В более широком смысле активный фильтр в данном случае можно считать регулятором полной реактивной мощности, включая мощность основной гармоники и мощность искажений. При этом активный фильтр способен, с одной стороны, скомпенсировать реактивную мощность нагрузки, а с другой стороны, создать поток реактивной мощности в сеть. Таким образом, активный фильтр регулирует, в том числе, величину и характер реактивного тока сети через дроссель L.
В устройстве используется свойство недиссипативности, т.е. интеграл мгновенной мощности активного фильтра за период основной частоты равен нулю, что позволяет использовать на стороне постоянного тока преобразователя накопитель энергии в виде конденсатора.
Рис. 2. Принцип управления регулятором качества электроэнергии
Принцип управления регулятора, основан на формировании активным фильтром синусоидального напряжения с постоянной амплитудой сдвинутого относительно входного напряжения на некоторый угол . Это позволяет создать необходимый поток активной мощности из сети РС. При этом если активная мощность нагрузки РН не равна РС, то их разность компенсируется за счет энергии накопительного конденсатора преобразователя.
Изменяя угол в зависимости от напряжения на накопительном конденсаторе можно регулировать активную мощность РС.. Уменьшение напряжения на накопительном конденсаторе вызывает увеличение угла, а увеличение напряжение – уменьшение угла. Благодаря этому указанное напряжение остается в заданных пределах.
Во время работы регулятора качества электроэнергии нагрузка питается стабилизированным напряжением. Из сети потребляется синусоидальный ток при условии синусоидальности входного напряжения. Это обеспечивает фильтрацию высших гармоник тока нагрузки. Если форма входного напряжения отлична от синусоиды, то это приведет к потреблению из сети несинусоидального тока. Однако нагрузка и в этом случае будет по-прежнему питаться стабилизированным синусоидальным напряжением.
Основными недостатками регулятора, как уже было упомянуто выше, являютcя:
- Высокая мощность преобразователя активного фильтра, превышающая мощность нагрузки.
- Не осуществляется компенсация искажений напряжения сети. Ток, потребляемый из сети, имеет синусоидальную форму при условии синусоидальности входного напряжения. Если форма входного напряжения отлична от синусоиды, то это приведет к потреблению из сети несинусоидального тока.
- Входной коэффициент мощности регулятора равен единице только при номинальном входном напряжении. Его значение снижается, изменяя свой характер на емкостной или индуктивный при снижениях или повышениях входного напряжения.
Указанные обстоятельства ограничивают эксплуатационные и функциональные возможности регулятора качества электроэнергии.
В этой связи определены задачи дальнейшего исследования:
- разработать новое схемотехническое решение позволяющее расширить функции регулятора и устранить его недостатки;
- разработать методику инженерного проектирования силовой части регулятора с учетом новых режимов работы;
- разработать новый принципа управления и алгоритм функционирования в различных режимах работы;
- создать математические модели, необходимые для проектирования универсального регулятора качества электроэнергии.
Во второй главе для расширения функций регулятора качества электроэнергии а именно: фильтрации высших гармоник напряжения сети, обеспечение коэффициента мощности равного единице, а также снижения мощности силовой части регулятора и улучшения его массогабаритных показателей предложено заменить дроссель включенный между сетью и параллельным активным фильтром (АФ) (рис. 1) на последовательный активный фильтр и применить новый принцип управления. Эти изменения позволили обеспечить высокое качество выходного напряжения независимо от формы напряжения питающей сети (возможно подключение нагрузки через регулятор непосредственно к выходу инвертора) с одновременной фильтрацией токов высших гармоник и компенсацией реактивной мощности нагрузки.
На рис. 3. показана электрическая схема силовой части универсального регулятора качества электроэнергии (УРКЭ).
Рис. 3. Электрическая схема универсального регулятора качества электроэнергии
Последовательный (АФ) подключается между сетью и нагрузкой через согласующий трансформатор Т. Его задачей является компенсация высших гармоник напряжения сети и отклонения основной гармоники напряжения сети от номинального значения. Принцип действия последовательного АФ заключается в формировании на вторичной обмотке согласующего трансформатора (включенной между сетью и нагрузкой) напряжения равного отклонению напряжения сети от номинального значения. Если сетевое напряжение меньше номинального (рис. 4,а), то напряжение, генерируемое последовательным АФ, совпадает по фазе с напряжением сети, а если превышает, то сдвинуто относительно него на 180°. При искажении сетевого напряжения (рис. 4,б) на вторичной обмотке трансформатора создается напряжение, равное сумме высших гармоник напряжения сети, но противоположное по фазе. Таким образом, напряжение на нагрузке поддерживается на номинальном уровне. Фактически, исходя из принципа своего действия, последовательный АФ в предлагаемой схеме является стабилизатором, поэтому правильнее называть его последовательным компенсатором напряжения (КН).
 |  |
а) б)
Рис. 4. Диаграммы работы УРКЭ при скачках, провалах (а) и искажении (б) сетевого напряжения
Параллельный АФ, так же как и в предыдущем случае (рис. 1), осуществляет фильтрацию тока и компенсацию реактивной мощности нагрузки за счет генерации неактивного (высшие гармоники плюс реактивная составляющая) тока в противофазе с неактивным током нагрузки. Благодаря этому высшие гармоники и реактивная составляющая тока нагрузки компенсируются в узле подключения фильтра.
Параллельный АФ также поддерживает на постоянном уровне напряжение на накопительном конденсаторе С, т.к. в процессе работы последовательный КН отдаёт или потребляет активную мощность в зависимости от величины отклонения напряжения сети от номинального значения. В результате чего ток параллельного АФ содержит также небольшую активную составляющую для стабилизации напряжения на накопительном конденсаторе C. Поскольку параллельный АФ не только обеспечивает фильтрацию высших гармоник тока нагрузки (компенсацию мощности искажений), но и компенсирует реактивную мощность нагрузки, поэтому с учетом реализуемых им функций правильнее назвать его параллельным компенсатором мощности (КМ).
Во время работы УРКЭ нагрузка питается стабилизированным напряжением. Из сети потребляется синусоидальный ток равный сумме активных составляющих токов нагрузки и параллельного КМ.
Входной контактор предназначен для отключения универсального регулятора качества электроэнергии от сети при возникновении перегрузок, которые могут иметь место при некомпенсируемом ухудшении качества электроэнергии (короткое замыкание со стороны сети и др.). При этом регулятор обеспечивает питание нагрузки за счет энергии накопительного конденсатора посредством генерации параллельным КМ номинального напряжения нагрузки – автономный режим работы. После восстановления параметров сети в заданных пределах контактор осуществляет повторное включение в сеть. Время автономной работы зависит от величины емкости накопительного конденсатора и нагрузки. При наличии источника электроэнергии, который может быть подключен к устройству, время автономной работы может быть увеличено и определяться пожеланиями пользователя. Такое дополнение регулятора качества электроэнергии придает ему свойства интерактивного АБП.
Для анализа электромагнитных процессов был применен метод анализа преобразователей, базирующийся на принципе усреднения переменных. При этом предполагалось, что потери в элементах схемы равны нулю.
Схема замещения универсального регулятора качества электроэнергии для расчета основных составляющих приведена на рис. 5.
Рис. 5. Схема замещения УРКЭ для расчета основных составляющих
Для нее справедливы уравнения:
, (1)
, (2)
(3)
с учетом 
:
, (4)
где ZL=L.
Приведенные выше соотношение позволили провести анализ работы схемы в различных режимах работы. На рис. 6. приведены векторные диаграммы для
номинального (а), пониженного (б) и повышенного (в) напряжения сети, при активно-индуктивной нагрузке и постоянных значениях Uн, Iн, cos(н).
Рис.6. Векторные диаграммы: а) при номинальном напряжении сети;
б) при пониженном напряжении сети; в) при повышенном напряжении сети
Из диаграмм видно, что при номинальном напряжении сети (рис. 6,а) преобразователь параллельного КМ для компенсации реактивного тока нагрузки 
должен генерировать напряжение 
, совпадающее по фазе с напряжением сети, а по амплитуде превосходящее его на величину 
, необходимую для создания тока дросселя 
равного по амплитуде реактивному току нагрузки 
. Значение 
можно вычислить по формуле:
(5)
В результате получается, что ток дросселя 
равен реактивному току нагрузки, но противоположен ему по фазе, а ток сети содержит только активную составляющую тока нагрузки 
.
При скачках или провалах сетевого напряжения последовательный КН генерирует разницу между действительным значением и номинальным в фазе (при пониженном) или в противофазе (при повышенном) с напряжением сети, тем самым, стабилизируя напряжение на нагрузке. При этом последовательный КН отдает или потребляет активную мощность, что вызывает спад или рост напряжения на накопительном конденсаторе. Поэтому ток параллельного КМ (дросселя) кроме реактивной 
, направленной на компенсацию реактивного тока нагрузки, содержит также активную составляющую 
для стабилизации напряжения на накопительном конденсаторе. Вследствие чего, при пониженном напряжении сети напряжение преобразователя параллельного КМ отстает от напряжения нагрузки, совпадающего по фазе с напряжением сети, а ток сети превышает активный ток нагрузки на величину 
. При пониженном напряжении сети напряжение наоборот – напряжение преобразователя опережает, а ток сети становится меньше активного тока нагрузки на
величину 
.
Активная мощность отдаваемая (потребляемая) последовательным КН Pпос.КН для стабилизации напряжения нагрузки равняется активной мощности параллельного КМ Pпар.КМ для поддержания напряжения на накопительном конденсаторе на номинальном уровне
Pпос.КН = Pпар.КМ. (6)
Реактивная мощность параллельного КМ Qпар.КМ равна реактивной мощности нагрузки Qн
. (7)
Параллельный КМ кроме реактивной мощности генерирует мощность искажения, необходимую для фильтрации токов высших гармоник нагрузки Dн.
Таким образом, если пренебречь потерями активной мощности в ключах преобразователя, максимальная мощность, развиваемая параллельным КМ Sпар.КМ:
. (8)
Значения Qн и Dн определяются нагрузкой, а величина Pпос.КН определяется изменением напряжения питающей сети:
, (9)
где Uс – максимальное отклонение входного напряжения.
Поскольку реактивная мощность и мощность высших гармоник компенсируются параллельным КМ, то в установившемся режиме работы полная мощность потребляемая и сети равна активной мощности нагрузки, при этом входной коэффициент мощности (cosс) равен единице.
На рис. 7. представлена схема потоков мощностей в регуляторе.
Рис. 7. Потоки мощности в регуляторе качества электроэнергии:
а) при пониженном; б) при повышенном напряжении сети
На основании проведенного анализа разработана методика инженерного проектирования силовой части регулятора, позволяющая: оценить энергетическую загрузку полупроводниковых ключей (преобразователи последовательного и параллельного компенсаторов, входной контактор) и определить требования к их охлаждению; произвести выбор силовых элементов по предельным режимам работы c учетом требуемого времени автономной работы; определить номинальные значения параметров накопительного конденсатора, фильтрующего дросселя параллельного КМ, LC-фильтра последовательного КН и согласующего трансформатора.
В третьей главе был проведен сравнительный анализ способов управления выходным током силовых электронных преобразователей, по результатам которого для управления параллельным компенсатором мощности был выбран метод 3-х уровневой широтно-импульсной модуляции, реализуемый на основе сравнения опорного сигнала (низкочастотного) с несущим сигналом (высокочастотным). Опорный сигнал модулятора вычисляется при помощи пропорционально-интегрального (ПИ) регулирования по отклонению регулируемого тока от тока задания отдельно по каждой гармонике. При этом методе управления исходный сигнал измеряемого тока преобразуется в два сигнала. Первый (активная составляющая) совпадает по фазе с напряжением сети, а второй (реактивная составляющая) отстает от него на 90°. Затем осуществляется вычисление опорных сигналов ШИМ модулятора при помощи ПИ регулятора. В системе управления (СУ) необходимо иметь отдельный канал управления по активной и реактивной составляющей для каждой генерируемой гармоники тока. При таком методе управления возможно выборочное и независимое управление по каждой гармонике тока в отдельности. Достоинством данного метода по сравнению с релейной модуляцией является постоянная частота коммутации, что увеличивает надёжность работы ключевых элементов и уменьшает требования к фильтрам модуляционных гармоник тока, генерируемых преобразователем в сеть, а также отсутствует необходимость применения высокоточных датчиков и модулей аналого-цифрового преобразования для достижения высокого качества регулирования. Данный метод подходит также для управления последовательным компенсатором напряжения, при этом управление осуществляется по каждой гармонике напряжения сети в отдельности. Структурная схема, предложенной системы управления УРКЭ представлена на рис. 8
Рис. 8. Структурная схема системы управления регулятором качества электроэнергии
Первый канал служит для вычисления опорного напряжения модулятора последовательного КН направленного на стабилизацию выходного напряжения по отклонению напряжения нагрузки от номинального значения, которое поступает на вход регулятора основной гармоники и регулятора высших гармоник напряжения. Алгоритм реализации этих регуляторов представлен на рис. 9.
Рис. 9. Блок-схема алгоритма реализации однофазного синхронного регулятора
Входной сигнал перемножается на колебания двух генераторов (гетеродинов) синусоидальных колебаний с частотой регулируемой гармоники 0, сдвинутые по фазе относительно друг-друга на 90 (cos(0t) и sin(0t)), в результате чего происходит выделение активной и реактивной составляющих регулируемой гармоники. Результат перемножения поступает на вход ПИ регулятора, над сигналом выхода которого осуществляется операция обратного преобразования, заключающаяся в перемножении полученных сигналов на колебания гетеродинов. Сигнал на выходе системы управления uопор(t) получается в результате операции суммирования результатов перемножения.
Регулятор высших гармоник состоит из совокупности регуляторов, настроенных отдельно на каждую фильтруемую гармонику.
Второй канал (синхронизатор) предназначен для получения сигналов гетеродинов регуляторов гармоник тока и напряжения, синхронизированных с напряжением сети. Синхронизация осуществляется посредством системы «фазовой автоподстройки частоты» (ФАПЧ). Структурная схема алгоритма ФАПЧ приведена на рис. 10.
Рис. 10. Структурная схема алгоритма ФАПЧ
Принцип действия алгоритма синхронизации заключается в том, что сигнал выхода генератора (УГС) смещается по фазе относительно входного сигнала, если их частоты не равны. Процесс смещения будет происходить до тех пор, пока сигнал на входе генератора не достигнет нулевого значения, когда частота УГС равна частоте входного сигнала. Поскольку сигнал на входе генератора является средним перемножения входного сигнала и сигнала генератора, то он имеет нулевое значение, когда эти сигналы смещены друг относительно друга на 90°. Таким образом, в установившемся режиме синхронизации сигнал выхода генератора фиксируется со сдвигом в 90° по отношению к входному сигналу. Далее при помощи фазосдвигающего устройства (ФЗУ) осуществляется сдвиг этого сигнала на 90° для получения сигнала совпадающего по фазе с входным синхронизируемым сигналом. Генератор сигналов высших гармоник создает гетеродины регуляторов высших гармоник (на рис. 9. nt – обозначает, что поступает два сигнала sin(nt) и cos(nt), где n-номер гармоники), синхронизированные по фазе сигналом основной гармоники ФАПЧ.
Третий канал предназначен для вычисления опорного сигнала модулятора параллельного КМ направленного на компенсацию высших гармоник тока нагрузки.
Четвертый канал осуществляет компенсацию реактивной мощности нагрузки, для этого предварительно происходит выделение реактивной составляющей тока сети, которая подается на вход регулятора основной гармоники.
Пятый канал предназначен для поддержания напряжения на накопительном конденсаторе. Потери энергии в элементах преобразователей и активная мощность, потребляемая или отдаваемая последовательным КН для стабилизации напряжения нагрузки, вызывают снижение или повышение напряжения на накопительном конденсаторе. Поддержание напряжения на накопительном конденсаторе на номинальном уровне возможно благодаря потреблению или отдачи активной мощности параллельным КМ. Благодаря этому в статическом режиме происходит автоматическая компенсация сигналов активной мощности и в нагрузку энергия поступает непосредственно из сети.
Осуществлен анализ устойчивости системы и качества регулирования. Для этого были идеализированы реальные характеристики элементов и заменены на линейные, что позволило получить упрощенные структурные схемы регулятора. При этом существенные черты явлений, происходящие в регуляторе, не изменились.
На рис. 11. представлены упрощенные структурные схемы регулятора, где
Kp, KI – коэффициенты ПИ регулятора, UK – напряжение на накопительном конденсаторе, KТР – коэффициент передачи согласующего трансформатора, Rн – активная составляющая сопротивление нагрузки, R – внутренне сопротивление фильтрующего дросселя параллельного КМ, 0 – частота регулируемой гармоники тока или напряжения.
а)
б)
Рис. 11. Упрощенные структурные схемы регулятора:
а) параллельный КМ, б) последовательный КН
На основе анализа полученных передаточных функций установлено, что стабильность системы полностью определяется выбором пропорционального коэффициента – чем больше коэффициент 
, тем меньше запас устойчивости и выше быстродействие управления. В свою очередь интегральный коэффициент оказывает влияние на точность управления в статических режимах работы - чем больше коэффициент 
, тем точнее управление.
Сформулированы рекомендации по выбору коэффициентов ПИ регуляторов (выбор осуществляется отдельно для каждой регулируемой гармоники тока и напряжения), при этом отмечено, что окончательный выбор должен осуществляться после проведения математического моделирования.
Структура силовой части универсального регулятора качества электроэнергии позволяет реализовать три режима работы регулятора:
- работа от сети, когда последовательный КН (АФ) стабилизирует напряжение на нагрузке, а параллельный КМ (АФ) компенсирует высшие гармоники и реактивную мощность нагрузки;
- автономная работа, когда параллельный КМ осуществляет питание нагрузки за счет энергии накопительного конденсатора;
- выключенное состояние, когда отсутствует питание нагрузки.
В каждом из «рабочих» режимов (работа от сети и автономная работа) обеспечивается бесперебойное питание нагрузки. Причиной перехода из состояния в состояние является перегрузка преобразователей компенсаторов. Она может быть вызвана либо плохим качеством электроэнергии, например, отклонение напряжения сети выше предельно допустимого, короткое замыкание со стороны сети и, как следствие, ростом сетевого тока, либо чрезмерной нагрузкой. В первом случае осуществляется переход в режим автономной работы, т.е. отключение входного контактора и питание нагрузки за счет энергии накопительного конденсатора посредством параллельного КМ, с последующим повторным включением при восстановлении параметров сети в допустимых для работы УРКЭ пределах. Второй случай подразумевает отключение входного контактора и включение нагрузки пользователем после устранения причин перегрузки.
В результате анализа возможностей возникновения аварийных ситуаций при работе устройства в различных режимах получены условия перехода из одного режима работы в другой (табл. 1), а также разработаны алгоритмы управления, позволяющие обеспечить гарантированную работу устройства (выполнение возложенных на него функций) и исключить возможность возникновения недопустимых переходных процессов при смене режимов работы.
Таблица 1.
| Переход | Причина перехода |
| Работа от сети выключенное состояние | 1. Отключение пользователем; 2. Перегрузка по току преобразователей обоих компенсаторов при нахождении отклонения напряжения сети в допустимых для работы УРКЭ пределах; 3. Выход напряжения на накопительном конденсаторе за границы рабочего диапазона; 4. Авария преобразователей компенсаторов. |
| Работа от сети автономная работа | Отклонение напряжение сети превышает максимально допустимое. |
| Автономная работа работа от сети | Напряжение сети в допустимых для работы УРКЭ пределах. |
| Автономная работа выключенное состояние | 1. Отключение пользователем; 2. Перегрузка по току преобразователя параллельного КМ; 3. Напряжение на накопительном конденсаторе ниже минимально допустимого значения, обусловленного возможностью генерации параллельным КМ минимально допустимого напряжения нагрузки; 4. Авария преобразователя параллельного КМ. |
Разработанные алгоритмы управления могут быть реализованы при помощи цифровой системы управления на базе микроконтроллера. Для этого был разработан ряд требований, определяющий ресурсы цифровой системы управления и позволяющий осуществить выбор микроконтроллера.
В четвертой главе проведено математическое и физическое моделирование.
Разработанная математическая модель с импульсным управлением позволяет провести исследование динамических характеристик системы; совместно с методикой, разработанной в главе 3., осуществить выбор коэффициентов пропорционально-интегральных регуляторов, входящих в состав регуляторов основной и высших гармоник токов (для параллельного КМ) и напряжений (последовательный КН) исходя из устойчивости системы и обеспечения заданного быстродействия и точности регулирования; скорректировать параметры элементов силовой части регулятора. Ее адекватность подтверждается совпадением результатов теоретического анализа и результатов моделирования.
Для моделирования использовался программный комплекс MatLab, в котором была разработана модель регулятора качества электроэнергии мощностью 6 кВА. Математическое моделирование статических и динамических режимов работы при различных возмущающих факторах со стороны сети и нагрузки подтвердило высокую эффективность предложенного метода управления и достоверность принятых при анализе устойчивости системы и качества регулирования допущений.
На рис. 12-14. приведены диаграммы токов и напряжений полученные при скачкообразном увеличении напряжения сети, когда регулятор работал на активно-индуктивную нагрузку, мощностью 2 кВт и cos(н) = 0,8. Напряжение сети кроме основной гармоники содержит также третью, при этом коэффициент искажения по третьей гармонике составляет 10 %.
Рис. 12. Временные диаграммы напряжений при увеличении напряжения сети:
а) напряжение сети, б) напряжение нагрузки, в) напряжение на накопительном конденсаторе
 а) |  б) |
Рис. 13. Спектры напряжений сети (а) и нагрузки (б) в установившемся режиме работы при повышенном напряжении сети
Рис. 14. Временные диаграммы токов при увеличении напряжения сети:
а) ток сети, б) ток нагрузки
Рис. 15. Временные диаграммы при подключении нелинейной нагрузки и пониженном напряжении сети: а) ток нагрузки, б) ток сети, в) напряжение на накопительном конденсаторе
 а) |  б) |
Рис. 16. Спектры токов нагрузки (а) и сети (б) в установившемся режиме работы при фильтрации 3-ей и 5-ой гармоник
На рис. 15-16 приведены диаграммы токов и напряжений при подключении нелинейной нагрузки, мощностью 2 кВт (выпрямитель с емкостным фильтром), когда регулятор работал на активно-индуктивную нагрузку и пониженном напряжении сети. Система управления параллельным КМ настроена на компенсацию 3-й и 5-й гармоник тока нагрузки.
Результаты моделирования показали, что при всех рассмотренных случаях ухудшения качества электроэнергии (провал, скачок, искажения напряжения сети), а также возмущающих факторах со стороны нагрузки (сброс, наброс нагрузки) регулятор реализует выполнение возложенных на него функций, обеспечивая качественное питание нагрузки и компенсируя ее негативное влияние на сеть.
Для проведения физического эксперимента был создан макет устройства мощностью
6 кВА с микропроцессорной системой управления. В качестве измерительного средства использовался многофункциональный осциллограф на базе ЭВМ.
В результате проводимых исследований была получена экспериментальная зависимость напряжения нагрузки от напряжения сети (рис. 17, 18). Она показала, что при отклонении напряжения сети в заданном диапазоне (± 20 % относительно номинального значения) напряжение нагрузки отклоняется не более чем на 3 % (допустимое значение отклонения напряжения по ГОСТ 13109-97 – 5%).
Осциллограммы фильтрации показали, что для типовой нелинейной нагрузки (мостовой выпрямитель с емкостным фильтром) фильтрация эффективна (рис. 19). При компенсации 3-ей и 5-ой гармоник коэффициент искажения синусоидальности кривой токов нагрузки и сети составлял: для тока нагрузки – 40 %; для тока сети – 6 %.
При добавлении в программу микроконтроллера, отвечающую за формирование напряжения задания параллельного КМ, канала компенсации 7-ой гармоники коэффициент искажения синусоидальности кривой тока нагрузки составил 4.2 % (допустимое значение коэффициента искажения по ГОСТ 13109-97 – 5%).
Физическое моделирование подтвердило корректность сделанных допущений и правильность основных принципов построения алгоритма управления. По сравнению с математическими моделями расхождение в точности стабилизации и качестве фильтрации составило не более 5% во всех режимах работы.
Рис. 17. Экспериментальная зависимость напряжения нагрузки
от напряжения сети
Рис. 18. Осциллограммы напряжения сети (вверху) и
напряжения нагрузки (внизу)
Рис. 19. Осциллограммы тока нагрузки (вверху) и тока сети (внизу)
В заключении сформулированы основные результаты и выводы по диссертационной работе:
- Показано, что включение в схему регулятора последовательного активного фильтра, осуществляющего стабилизацию напряжения нагрузки позволяет снизить мощность преобразователя параллельного активного фильтра, по сравнению с предлагаемым ранее регулятором.
- Предложенная схема регулятора качества электроэнергии на основе последовательного и параллельного активных фильтров позволяет, помимо стабилизации напряжения и компенсации высших гармоник тока нагрузки, компенсировать искажения напряжения сети, при этом из сети всегда потребляется синусоидальный ток, а входной коэффициент мощности близок к 1 при любом отклонении напряжения сети.
- Разработана методика инженерного проектирования силовой части регулятора качества электроэнергии, позволяющая осуществить выбор основных силовых элементов схемы с учетом требуемого качества фильтрации высших гармоник тока нагрузки, стабилизации напряжения нагрузки и обеспечения заданного времени питания нагрузки при отсутствии сетевого напряжения
- Разработан новый принцип управления регулятором качества электроэнергии на основе обратной связи по среднему значению каждой отдельной фильтруемой гармоники тока и напряжения, позволяющий регулятору обеспечить высокое качество фильтрации высших гармоник тока нагрузки, а также заданное качество выходного напряжения при воздействии возмущающих факторов нелинейной нагрузки и сетевого напряжения, включая его исчезновение на время, не превышающее нескольких периодов.
- Разработаны математические модели регулятора качества электроэнергии в программном комплексе MatLab, позволяющие оценить эффективность его работы в статических и динамических режимах, а также обеспечить корректировку параметров силовой части регулятора.
Основные положения диссертационной работы изложены в печатных трудах:
1. Розанов Ю.К., Рябчицкий М.В, Сазонов В.В. Универсальный кондиционер электроэнергии // Техническая электродинамика. – 2006, Часть 5. – Тематический выпуск сентябрь 2006. – С. 58-59.
2. Розанов Ю.К., Рябчицкий М.В, Сазонов В.В. Регулятор качества электроэнергии на основе активных фильтров // XI-я международная конференция «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» МКЭЭЭ – 2006: Тез. докл. – Алушта, 2006.- С. 179-181.
3. Сазонов В.В. Кондиционеры сети на основе активных фильтров // Электротехника. – 2007. – №5. – С. 28-35.
Подписано в печать Зак. Тир. П.л.
Полиграфический центр МЭИ (ТУ)
Красноказарменная ул., д. 13
