CC BY
143
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013
B. Н. Горюнов [и др.] // ОмГТУ. — Омск, 2010. — 23 с. — Деп. в ВИНИТИ 08.04.10 № 198-В2010.
9. «GIS FOR ENVIRONMENTAL ENGINEERING» [Электронный ресурс]. — URL http://gis-vie.ru/ (дата обращения: 31.10.2012).
10. Исследование преимуществ усовершенствованного метода расчета потерь в воздушных линиях электропередачи при вариации токов нагрузки и погодных условий / Е. В. Петрова [и др.] // Омский научный вестник. — 2012. — № 2(110). —
C. 223-228.
КИРИЧЕНКО Николай Васильевич, аспирант, инженер кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий».
ПЕТРОВА Елена Владимировна, инженер кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий».
Адрес для переписки: kirpi4-88@pochta.ru
Статья поступила в редакцию 07.11.2012 г.
© Н. В. Кириченко, Е. В. Петрова
УДК 621316 А. Г. ЛЮТАРЕВИЧ
В. Н. ГОРЮНОВ С. Ю. ДОЛИНГЕР К. В. ХАЦЕВСКИЙ
Омский государственный технический университет
ВОПРОСЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ УСТРОЙСТВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
В статье рассмотрены вопросы моделирования устройств обеспечения качества электроэнергии в распределительных сетях. Разработана модель системы электроснабжения с нелинейной и несимметричной нагрузкой, а также модель устройства обеспечения качества электроэнергии и его системы управления. Кроме того, оценено качество электроэнергии до и после включения технического средства. Ключевые слова: качество электроэнергии, моделирование технических средств повышения качества электроэнергии.
Статья опубликована при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках выполнения соглашения № 14.В37.21.0332 от 27 июля 2012 г.
Экспериментальная проверка и анализ режимов работы устройств обеспечения качества электроэнергии представляет собой достаточно трудоёмкую и дорогостоящую задачу, которая возникает на этапе проектирования подобных сложных схем. Существенную помощь в решении данного вопроса может оказать замена реального устройства его компьютерной моделью.
В настоящее время существует большое количество универсальных программ для моделирования, ориентированных на аналоговые или цифровые схемы. Для исследования и проектирования электронных блоков хорошо зарекомендовали себя прикладные пакеты, в основе которых использовался пакет Pspice. Среди существующих программ наиболее широкими возможностями обладает пакет OrCAD 9. Он объединяет в себе возможности различного вида анализа, синтеза, расчёта и конструирования схем электронных устройств. При этом он обладает обширной библиотекой электронных компонентов, а также даёт возможность создавать модели недостающих элементов.
В данной статье основной задачей компьютерного моделирования является подтверждение результатов теоретического анализа энергетических процессов, протекающих в устройстве обеспечения
качества электроэнергии, а также основных принципов построения системы управления и принятых при этом допущений. Поэтому в качестве оптимальной среды для моделирования компенсирующего устройства в данной работе был выбран программный комплекс МАТЬАВ.
Программный комплекс МАТЬАВ является мощной средой для проведения математических вычислений, основанной на матричном представлении данных [1]. Помимо командного режима МАТЬАВ имеет графическую среду Simulink, предоставляющую исследователю самые различные возможности: от структурного представления системы, до генерирования кодов для программирования микропроцессора в соответствии со структурной схемой модели. Simulink, так же как и ОгСАБ 9, позволяет создавать математические модели из элементов библиотек.
Преимуществом программного комплекса МАТЬАВ по сравнению с другими специализированными пакетами для моделирования электрических схем является большой выбор алгоритмов, как с переменным, так и с фиксированным шагом расчета. Это позволяет сократить время расчёта при сохранении высокой точности, за счёт подбора более подходящего алгоритма.
Рис. 1. Модель трёхфазной системы с нелинейной и несимметричной нагрузкой в среде МАТ^В
Рис. 2. Блок трёхфазной нелинейной нагрузки (Non-Linear Load)
Вопросы эффективности использования различных технических средств обеспечения качества электроэнергии в системах электроснабжения рассмотрены в различных работах [2, 3]. При этом большое внимание уделяется непосредственно системам управления [4, 5], именно в этом направлении идет совершенствование многофункциональных средств обеспечения качества электрической энергии.
На рис. 1 представлена модель трехфазной системы с нелинейной и несимметричной нагрузкой, к которой подключено устройство обеспечения качества электроэнергии, реализованная в приложении Simulink программного комплекса MATLAB.
Для моделирования трёхфазной сети в среде MATLAB используем из базы данных SimPo-werSystems блок AC Voltage Source и блок Series RLC Branch. С помощью данных блоков мы задаём на-
пряжение и индуктивное сопротивление питающей сети.
Для оценки эффективности работы устройства рассмотрим все возможные изменения в узле нагрузки. В данной модели реализована изменяющаяся во времени несимметричная и нелинейная активно-индуктивная нагрузка, что позволяет более точно оценить качество фильтрации кривой тока нагрузки.
В качестве нагрузки представлены два блока, один из которых моделирует нелинейную нагрузку (Non-Linear Load) (рис. 2), а другой — несимметричную активно-индуктивную нагрузку (Asymmetrical Load) (рис. 3).
Нелинейная нагрузка (Non-Linear Load) состоит из двух трёхфазных диодных выпрямителей, подключённых через трансформаторы с различным со-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013
ВгеакегЗ
Рис. 3. Блок моделирования трёхфазной несимметричной активно-индуктивной нагрузки
единением обмоток, для создания режима работы 6-пульсного или 12-пульсного преобразователей. Коэффициент трансформации равен 1.
Для моделирования трёхфазного мостового диодного выпрямителя в среде MATLAB используем из базы данных SimPowerSystems\Power Electronics блок Universal Bridge. В модели данный блок используется для моделирования несинусоидальности системы. Блок (Asymmetrical Load) необходим для создания активно-индуктивной несимметричной нагрузки в системе электроснабжения. Система содержит по три активно-индуктивных нагрузки на каждую фазу. Включение каждой из нагрузок по отдельности задаётся блоками управления выключателями Signal Builder. Активно-индуктивная нагрузка моделируется блоком Series RLC Load. А включение и отключение выполняется с помощью управляемого выключателя Breaker.
Модель компенсирующего устройства состоит из восьми блоков IGBT-транзисторов, катушек индуктивностей, двух конденсаторов на стороне постоянного тока и системы управления. Компенсирующее устройство использует блок Control для модуляции управляющего сигнала силовой частью. Благодаря коммутации силовых ключей по заданному алгоритму компенсирующее устройство генерирует сигнал
ошибки в сеть с небольшой задержкой во времени, тем самым обеспечивая близкую к идеальной форме синусоиды тока нагрузки, и, как следствие, обеспечивает требуемое качество электрической энергии.
Основные элементы, входящие в состав блока компенсирующего устройства, представлены на рис. 4.
Система управления (рис. 5) включает в себя два блока: Тга^_Р-1 и D-mod. Реализованный алгоритм работы системы управления компенсирующего устройства можно описать следующим образом:
1) производится измерение мгновенных значений напряжения иС1 и иС2 в произвольный момент времени t. Полученные данные от измеряющих датчиков передаются в блок обработки данных;
2) вычисляется мгновенное напряжение на dc-шине в момент времени ^
3) определяется изменение энергии на конденсаторах;
4) рассчитывается среднее значение мгновенной активной мощности потребляемой нагрузкой в момент времени ^
5) выполняется преобразование трёхфазной системы координат аЬс в систему координат а, в, 0, для напряжения нагрузки;
Рис. 4. Модель компенсирующего устройства в среде МАТ^В
Рис. 5. Модель блока системы управления, генерирующего управляющий сигнал для силовых ключей
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013
Рис. 6. Ток нагрузки до включения компенсирующего устройства
Рис. 7. Ток нагрузки после включения компенсирующего устройства
6) выделение постоянной составляющей напряжения нагрузки в а, Р-координатах.
7) определяются мгновенные значения справочных токов сети в а, Р-координатах;
8) преобразование справочного тока сети из системы координат а, р, 0 в трёхфазную систему координат аЬс;
9) измерение мгновенных значений тока нагрузки ІLaЬc в момент времени £
10) определяется расчетный ток компенсирующего устройства, представляющий собой разность между током нагрузки и справочным током сети;
11) измерение мгновенных значений тока устройства обеспечения качества электрической энергии ІFa Ьс в момент времени £
12) вычисляется разница между расчетными и фактическими значениями тока компенсирующего устройства;
13) генерация полученного сигнала в сеть с задержкой времени At, обусловленная временем, затраченным на производимые микроконтроллером вычисления тока фильтра и работу ключей. В результате сложении тока сети (в момент времени t+Дt) с током устройства, полученным в результате измерений в момент времени t, происходит подавление высших гармоник и симметрирование тока нелинейной нагрузки с небольшой погрешностью. Эта погрешность сводится к минимуму с увеличением скоростью обработки данных. В последующем система повторяет цикл заново.
Для проверки эффективности работы полученной модели устройства обеспечения качества электроэнергии и его системы управления смоделируем различные режимы нагрузки, а также оценим качество фильтрации кривой тока.
Режим с изменяющейся во времени несимметричной нагрузкой — в данном режиме нагрузка изменяется во времени и на второй ступени, после изменения, является несимметричной. Компенсирующее устройство в данном режиме не только компенсирует несинусоидальность кривой тока, но и устраняет несимметричный режим. График изменения тока нагрузки представлен на рис. 6.
До включения компенсирующего устройства коэффициенты искажения синусоидальности кривой
тока были равны Кт=7,76 % и Я/=9,72 % соответственно, до изменения нагрузки и после. Коэффициент несимметрии тока по нулевой последовательности в режиме несимметричной нагрузки равен 11,46 %.
На рис. 7 представлен график изменения тока нагрузки после включения компенсирующего устройства.
Качество компенсации высших гармоник в режиме с изменяющейся во времени несимметричной нагрузкой можно оценить по коэффициентам искажения синусоидальности кривой тока, которые после включения устройства равны К7=0,60 % и Кт=0,81 % соответственно до и после изменения несимметричной нагрузки. Коэффициент несимме-трии тока по нулевой последовательности в режиме несимметричной нагрузки стремится к 0 %.
В целом проведённый анализ работы модели трёхфазного четырехпроводного компенсирующего устройства демонстрирует корректность и эффективность его работы во всех смоделированных режимах. Коэффициент искажения синусоидальности кривой тока после включения компенсирующего устройства снижается в среднем до уровня 1 %, а несимметрия тока нагрузки компенсируется полностью, что говорит об эффективности разработанной системы управления.
Библиографический список
1. Черных, И. В. Моделирование электротехнических устройств в МАТЪАБ, SimPowerSystems и Simulink / И. В. Черных. — СПб. : Питер, 2008. — 288 с.
2. Лютаревич, А.Г. Оценка эффективности использования активного фильтра гармоник в системах электроснабжения для улучшения качества электроэнергии / А. Г. Лютаревич,
С. Ю. Долингер // Омский научный вестник. — 2010. — № 1(87). - С. 133- 136.
3. Куско, А. Качество энергии в электрических сетях / А. Куско, М. Томпсон ; пер. с англ. А. Н. Рободзея. — М. : Додэка-ХХ1, 2008. — 336 с.
4. Лютаревич, А. Г. Применение вейвлет-анализа для определения показателей качества электрической энергии / А. Г. Лютаревич, С. Ю. Долингер // Омский научный вестник. — 2010. — № 1(87). — С. 136— 140.
5. Розанов, Ю. К. Силовая электроника: учебник для вузов / Ю. К. Розанов, М. В. Рябчинский, А. А. Кваснюк. — М. : Издательский дом МЭИ, 2007. — 632 с.
ЛЮТАРЕВИЧ Александр Геннадьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий».
ГОРЮНОВ Владимир Николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Электроснабжение промышленных предприятий», декан энергетического института.
ДОЛИНГЕР Станислав Юрьевич, аспирант, ассистент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий».
ХАЦЕВСКИЙ Константин Владимирович, доктор технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий», секция «Промышленная электроника».
Адрес для переписки: l.alexander@inbox.ru
Статья поступила в редакцию 14.11.2012 г.
© А. Г. Лютаревич, В. Н. Горюнов, С. Ю. Долингер,
К. В. Хацевский
УДК 621.316
А. А. ПЛАНКОВ Д. С. ОСИПОВ В. А. ПЛАНКОВА В. Л. ЮША
Омский государственный технический университет
Омский филиал Института математики им. Соболева
СО РАН
МОДЕЛИРОВАНИЕ КРИТИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ УЗЛОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ С АСИНХРОННОЙ НАГРУЗКОЙ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ СТАТИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ НА ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЕ____________________________________
В данной статье говорится о создании алгоритма исследования статической устойчивости узлов электроэнергетических систем с асинхронной нагрузкой. Асинхронный двигатель представлен Т-образной схемой замещения, что позволяет более точно определять параметры двигателя.
Также в статье говорится о разработке современного программного комплекса для расчета значений параметров критических режимов в узле нагрузки. Ключевые слова: критерии устойчивости, статическая устойчивость, асинхронная нагрузка, критическое напряжение.
Статья опубликована при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках выполнения соглашения № 14.В37.21.0332 от 27 июля 2012 г.
В связи с актуальностью задачи анализа статической устойчивости узла электроэнергетической системы с асинхронной нагрузкой [1, 2] важное значение приобретает этап определения параметров схемы замещения асинхронного двигателя (АД). Несмотря на то что для определения параметров АД целесообразно использовать Т-образную схему замещения (рис. 1) [1 — 3], в инженерных расчетах используют Г-образную или упрощенную Г-образную схему замещения.
В настоящее время большинство программных продуктов при возможности использования мощных ЭВМ разрабатываются для упрощенных схем
замещения АД, что вносит дополнительную погрешность при моделировании аварийных режимов и определении значения критического напряжения [3, 4]. Поэтому задача создания современного программного комплекса, позволяющего выполнять компьютерное моделирование аварийных режимов электроэнергетических систем с целью анализа статической устойчивости узлов с асинхронной нагрузкой, является актуальной и необходимой для современных промышленных предприятий.
Анализ литературы позволил составить алгоритм оценки статической устойчивости узлов электроэнергетических систем с асинхронной нагрузкой (рис. 2).
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
