CC BY
48ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА
УДК 621.314
С.М. Дмитриев1, А.С. Плехов2, В.Г. Титов1, Д.Ю. Титов1, С.Н. Яшин1
АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ АКТИВНЫМИ ФИЛЬТРАМИ ГАРМОНИК В СОСТАВЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева1,
ООО «Энергосбережение»
Предлагаются энергосберегающие системы электрооборудования для предприятий промышленности и жилищно-коммунального хозяйства. Обсуждаются комплексные технические решения с использованием компенсационного выпрямителя в звене постоянного тока частотно-управляемого электропривода. Обсуждаются вопросы синтеза алгоритмов управления работой активных фильтров гармоник. Предложены технические решения для их реализации.
Ключевые слова: компенсационный преобразователь частоты, компенсация гармонических искажений, формирование сигналов управления активными фильтрами гармоник.
Принципиальная однолинейная схема узла нагрузки распределительной сети электроснабжения приведена на рис. 1. На ней представлены условные группы потребителей Z/|/=i,...5, которые соответственно характеризуются:
• избыточностью потребляемой мощности;
• потреблением реактивной мощности;
• наличием нелинейностей - генерацией высших гармоник;
• несимметрией нагрузок;
• разным качеством электроснабжения.
©
Uc=E0
X0
pnrrj Rl
Rl+R'2+Рл
Х1+Х'2+Хл R0
Z1
Z2
Z3
Z4
Z5
Рис. 1. Принципиальная однолинейная схема узла нагрузки
На рис. 1 использованы обозначения: ис = Е0 - принимаемое неизменным напряжение питающей сети, совпадающее с э.д.с. трансформатора в Г-образной схеме замещения; Х0, Я0 - индуктивное и активное сопротивление контура намагничивания; Х1,Я1; Х'2,Я'2; Хл,Ел - индуктивные сопротивления рассеяния и активные сопротивления соответственно первичной, вторичной обмоток трансформатора и линии (токопровода);
- комплексные сопротивления условных нагрузок. Эти параметры позволяют известными методами определить ущерб от потребления электроэнергии ненадлежащего качества, вызванный особенностями условных нагрузок.
© Дмитриев С.М., Плехов А.С., Титов В.Г., Титов Д.Ю., Яшин С.Н., 2012.
Нивелировать перечисленные недостатки нагрузок потребителей возможно посредством применения средств регулируемого интеллектуального электропривода, в частности, компенсационных преобразователей [1].
Реактивная мощность оказывает отрицательные воздействия на сеть, выражающиеся в увеличении тока нагрузки, что приводит к росту потерь, а также к увеличению оплаты за потребленную электроэнергию.
Применение энергосберегающей технологии управления компенсационным преобразователем частоты открывает широкие возможности для применения частотно-управляемого электропривода переменного тока благодаря его быстрой окупаемости за счет экономии потребляемой электроэнергии при компенсации реактивной мощности и других известных свойств энергосберегающих компенсационных преобразователей электроэнергии [1]. Однако такие преобразователи нагружают сеть токами высших гармоник, которые необходимо учитывать как при расчете необходимой установленной мощности, так и при формировании сигналов, управляющих ключевыми приборами преобразователя [2].
Развитие современных технологий полупроводников ведет к росту количества электроустановок, управляемых тиристорными и транзисторными коммутаторами, регуляторами напряжения и конверторами. Однако конверторы увеличивают значение индуктивной реактивной мощности и ухудшают форму кривой сетевого напряжения за счет высших гармоник тока.
Но и при синусоидальном периодическом изменении активной проводимости нагрузки появляются «неканонические» гармоники [3]. Например, если мощность потребителя регулируется с частотой юр, которая значительно меньше частоты сети ю, то при этом для сети изменяется проводимость нагрузки 7(0 по отношению к ее среднему значению У0:
7(0 = 70[1 + 8т(Юр Г)] | Юр << ю,
тогда при активной мощности, потребляемой такой нагрузкой, Р=3ис2У0 из сети будет потребляться полная мощность £=3ис/=3-1,22-ис2У0. То есть нестационарные процессы даже в линейных цепях приводят к появлению несинусоидальных токов, которые содержат дополнительные гармоники, с частотой некратной частоте сети.
Эти помехи в питающей сети ведут к повреждениям и ошибочным включениям оборудования и приборов:
• появляются дополнительные потери в электрических машинах, трансформаторах и сетях;
• затрудняется компенсация реактивной мощности с помощью батарей конденсаторов, которые могут длительно работать при перегрузке их токами высших гармоник (ВГ) не более, чем на 30%;
• сокращается срок службы изоляции электрических машин и аппаратов;
• ухудшается работа устройств автоматики, телемеханики и связи.
При работе асинхронного электродвигателя в условиях несинусоидального напряжения несколько снижаются его коэффициент мощности и вращающий момент на валу. При этом можно назвать катастрофическим влияние ВГ на изоляцию электрических машин и конденсаторов, измерительные приборы и устройства автоматики, а также на системы управления вентильными преобразователями, вызывающее автоколебания в таких системах. Кроме того, учет электроэнергии при несинусоидальных режимах сопряжен со значительными погрешностями, например, при нелинейных нагрузках происходит «переучет» электроэнергии: положительные погрешности измерения энергии, потребляемой тиристорными преобразователями, могут достигать 4-6%. Исследования показывают, что использование электронных счетчиков не решает проблему измерений энергии при несинусоидальных режимах [4].
Стандартом России ГОСТ 13109-97 нормируются значение коэффициента несину-
соидальности kHCU по напряжению и отдельных гармоник напряжения в электрических сетях трехфазного и однофазного тока общего назначения.
Активные фильтры гармоник в составе преобразователей частоты позволяют снизить отрицательные воздействия путем компенсации как реактивной мощности, так и гармонических составляющих, как высших, так и неканонических.
Алгоритмы управления активным фильтром гармоник (АФГ) можно разделить на две группы:
1) алгоритмы, основанные на преобразованиях во временной области;
2) алгоритмы, основанные на преобразованиях в частотной области.
К первой группе относят алгоритмы, основанные на теории мгновенной мощности. Одна из таких теорий - p-q теория мгновенной мощности [5]. Эта теория основана на преобразовании мгновенных значений электрических переменных в фазах питающей сети к трем ортогональным осям apO. P-Q теория позволяет преобразовать токи и напряжения из abc координат к «PO координатам и далее определить мгновенную мощность в этих координатах.
Структурная схема (алгоритм) расчета компенсационного тока основанная на p-q теории мгновенной мощности, приведена на рис. 2.
Приведем описание блоков структурной схемы:
1. Блок CT - прямое преобразование Кларка:
rUai _ |w3J ~
LlßJ
1 1 "
2 V3 2 иь _ис
2 2 .
1 1 " la lb
2 V3 2
2 2 . ¿с-
(1)
(2)
Рис. 2. Структурная схема (алгоритм) расчета компенсационного тока, основанная на р-д теории мгновенной мощности
2. Блок расчета мгновенных мощностей:
[ Ц] = [и р - "а][ / р ]. (3)
3. Блок выбора режима работы в зависимости от управляющего сигнала с блока
«Анализатор ПКЭ» (ПКЭ - параметры качества электроэнергии) выбирает мощности для компенсации: р, р, ц ил и Ц,
где р - колебательная составляющая активной мощности; р - постоянная составляющая активной мощности; Ц - колебательная составляющая мнимой мощности; Ц - постоянная составляющая мнимой мощности.
Из 14 возможных комбинаций для компенсации мощностей подходящими являются три:
- р + Ц - компенсация ВГ;
- Ц + Ц - компенсация реактивной мощности;
- р + ц + Ц - компенсация ВГ и реактивной мощности.
4. Блок расчета токов компенсации:
и„+и1
гиа Щ п Г
[ир - иа\ [
5. Блок ICT - обратное преобразование Кларка:
1 0
иъ и г
г 1
1
2 1
2
1
2 1
2
2
2 ]
о
£
2
2 ]
[UsJ,
(4)
(5)
(6)
Модель, выполненная в среде Matlab Simulink, реализующая данный алгоритм расчета тока компенсации АФГ, приведена на рис. 3.
Рис. 3. Модель «активный фильтр гармоник - сеть» с блоком расчета тока компенсации,
основанного на теории мгновенной мощности
На рис. 4 приведены осциллограммы токов в фазе А без компенсации искажений.
ta i.« so« си aie о 12 i,M on о il o»
Рис. 4. Ток фазы А без компенсации
Рассмотрим результаты моделирования режимов работы схемы при формировании
токов компенсации посредством алгоритма, основанного на р-ц теории, приведенные на рис. 5 - рис. 10.
1. Режим компенсации ВГ.
(.1: !р4 1.М «Я 1.1« 1.1] ПК 11« 1,11 ».И
Рис. 5. Рассчитанный по р-д теории ток компенсации для фазы А
Рис. 6. Ток в фазе А после компенсации высших гармонических
2. Режим компенсации реактивной мощности. -!-1-1-1-1-1-1-1-
_1_' \ I ■ ' ■ I ■
еда омïm M» aieoïj ou Fl««Il RM
Рис. 7. Рассчитанный по p-q теории ток компенсации для фазы А —I-1-1-1-1-1-1-1-1-
_5]_X_X_X_X_-I_X_X__
Р 6м ш :л ОГ м* а.1* м» м
Рис. 8. Ток в фазе А в режиме компенсации реактивной мощности
3. Комплексный режим компенсации реактивной мощности и ВГ.
Рис. 9. Рассчитанный по р-д теории ток компенсации для фазы А
Рис. 10. Ток в фазе А после компенсации в комплексном режиме
Из приведенных диаграмм видно, что в результате компенсации ВГ ТИБ, в фазе А снизился с 23,5 до 1%, коэффициент мощности в результате компенсации реактивной мощности возрос с 0,68 до 0,99.
Ко второй группе относят алгоритмы, использующие преобразование Фурье (ПФ). Алгоритм расчета компенсационного тока, основанный на ПФ, приведен на рис. 11.
К 1
<: а 1
1ь БПФ Устрансннс гармоники |1„}/п-1 Расист 1сь
¡с ОСНОВНОМ частоты компенсационного тока ¡{'с'
Щ
Рис. 11. Алгоритм расчета компенсационного тока, основанный на преобразовании Фурье
Описание блоков структурной схемы:
1. БПФ - блок преобразования Фурье - сигнал, поступающий на вход блока, по формуле (7) представляется на выходе в виде амплитуды и начальной фазы п-й гармоники:
а0
[ (= — + апс о 5(пы 1) +Ьп5 1 п(поо 1)),
(7)
71=1
где п - номер гармоники.
2 Гт
а-п = I /(Ь) со з(пшЬ) йЬ, Т Л-г
2 Гт
Ъп= — + I /(О Б1 п(псо0 йЬ,
т Л-т
Т = — , Д - частота основной гармоники.
Л
Амплитуда и фаза определяются следующим образом:
1Нп 1 = V ап ЪП,
/.Нп = Мап2
\ъп)ш
На рис. 12 приведена модель системы «активный фильтр гармоник - сеть» с блоком расчета тока компенсации, основанного на преобразовании Фурье.
Рис. 12. Модель «активный фильтр гармоник - сеть» с блоком расчета тока компенсации,
основанного на преобразовании Фурье
2. Из спектра полученных гармоник выбираем необходимые для компенсации, т.е. нужно исключить гармонику основной частоты.
3. Из полученных амплитуд и начальных фаз гармоник восстанавливаем синусоидальный сигнал для каждой гармоники по формуле (8), а затем суммируем эти синусоидальные сигналы, формируя задание на ток компенсации (9).
/п = Нп с о 5(поо t + Z Нп), ¿*= 2/п-
Результаты моделирования иллюстрируются на рис. 13 - рис. 15.
(8) (9)
Рис. 13. Ток фазы А без компенсации
ас ом ей м» 1,м от ел* е,н <,м оле
Рис. 15. Ток в фазе А после компенсации
В результате компенсации под управлением алгоритма, основанного на преобразовании Фурье, ТИБ] в фазе А так же, как в случае использования алгоритма, основанного нар-ц теории, снизился с 23,5 до 1%, а коэффициент мощности возрос с 0,68 до 0,99.
Результаты проведенного исследования предназначены для использования в системе управления АФГ, реализованных не только на основе автономных инверторов напряжения (АИН), но и на основе автономных инверторов тока (АИТ). Авторами реализован АФГ с релейными регуляторами компенсационного тока в фазах сети [1], позволяющий компенсировать гармоники в полосе частот до 2 000 Гц.
Ранее были рассмотрены АФГ для компенсации нелинейных искажений напряжения в узле нагрузки питающей сети. Однако в составе рассматриваемых электроприводов применяются двухзвенные преобразователи частоты с компенсационным выпрямителем в звене постоянного тока. Наиболее массовые из электроприводов не предъявляют повышенных требований к быстродействию в процессе регулирования скорости вращения и могут иметь структуру «компенсационный выпрямитель с раздельным управлением группами вентилей - автономный инвертор тока» [1]. Применение АФГ для компенсации гармоник на выходе автономного инвертора тока позволит избежать использования широтно-импульсной модуляции при управлении ключевыми приборами инвертора тока для улучшения гармонического состава тока приводимого двигателя. Установленная мощность такого АФГ не превысит 5% от мощности инвертора тока, а последний будет характеризоваться низкими коммутационными потерями и полным использованием по напряжению ключевых приборов.
Выводы
1. Динамическое управление реактивной мощностью, генерируемой в питающую сеть, обеспечивает значения показателей качества электрической энергии в допустимых пределах, но требует сопутствующей компенсации искажений формы сетевого напряжения.
2. Сетевой активный фильтр гармоник, благодаря наличию в его составе предложенной системы управления инвертором тока или напряжения, реализующих процессы генерации компенсационных токов в трехфазных сетях, позволяет повысить точность компенсации высших гармоник и реактивной мощности.
Библиографический список
1. Титов, В.Г. Комплексные технические решения для энергосберегающих электроприводов / А.С. Плехов, М.Н. Охотников, В.Г. Титов // Актуальные проблемы электроэнергетики. Нижний Новгород, 2010. С. 44-53.
2. Плехов, А.С. Учет мощности искажений при энергосберегающем управлении электроприводами / А.С. Плехов, В.Г. Титов, К.А. Бинда // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. Нижний Новгород, 2011. № 4(91). С. 203-210.
3. Чаплыгин, Е.Е. Теория мощности в силовой электронике: учеб. пособие для вузов / Е.Е. Чаплыгин, Н.Г. Калугин. - М., 2006. - 56 с.
4. Жежеленко, И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий / И.В. Жежеленко. - 4-е изд. перераб и доп. - М.: Энергоатомиздат, 2000. - 331 с.
5. Iravani, M. R. and Karimi-Ghartemani, M., 'Online Estimation of Steady State and Instantaneous Symmetrical Components'. Proceedings of the IEE on Generation, Transmission and Distribution, 150(5). September 2003. Pp. 616-622.
Дата поступления в редакцию 27.04.2012
S.M. Dmitriev, A.S. Plehov, V.G. Titov, D.U. Titov, S.N. Yaschin
ALGORITHMS OF MANAGEMENT ACTIVE FILTER HARMONICAS OF THE SYSTEM ELECTRICAL DRIVE ALTERNATING CURRENT
Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.Y. Alekseev, Company "Energy saving"
They Are Offered power-saving systems electrical equipment for enterprise of industry and housing-public facilities. The complex technical decisions are Discussed with use the compensation rectifier in section of the direct current frequency operated электропривода. The questions of the syntheses algorithm work control active filter of the harmonicas are Discussed. The technical decisions are Offered for their realization.
Key words: compensation converter of the frequency; the compensation of the harmonic distortion, shaping signal control active filter harmonicas.
