CC BY
56
Программно - аппаратная реализация системы повышения качества электроэнергии на судах
1 2 А.М. Прохоренков , В.М. Ремезовский
1 Электромеханический факультет МГТУ, кафедра судовой автоматики и вычислительной техники
2Электромеханический факультет МГТУ, кафедра электрооборудования судов
Аннотация. В настоящей работе рассматриваются вопросы компенсации высших гармоник напряжения и тока в судовых электрических сетях. Показано применение метода импульсно-волновых функций для реализации алгоритма управления силовыми активными фильтрами (САФ) высших гармоник. Предложены программно-аппаратные средства для формирования компенсационного тока САФ.
Abstract. In present work questions of the indemnification of máximum harmonios of a voltage and current in ship networks are considered. Application of a method of wave functions for realization of algorithm of a management by power active filters (PAF) of maximum harmonics is shown. The programme for formation of a current of the indemnification of the power active filter is offered.
1. Введение
Рост энерговооруженности судов, расширение номенклатуры потребителей электрической энергии, их относительной и абсолютной единичной мощности, увеличение суммарной относительной мощности электроприводов переменного и, особенно, постоянного тока, получающих энергию от судовой электростанции через управляемые статические полупроводниковые преобразователи, а также ряд других факторов привели к резкому ухудшению качества электроэнергии. Это вызвано появлением широкого спектра гармонических составляющих напряжения сети.
Схемные решения минимизации гармоник первичного тока тиристорных преобразователей (ТП), предлагающие повышение фазности выпрямления, введение специальных законов управления тиристорами, применение широтно-импульсных способов преобразования переменного напряжения в постоянное, обладают целым рядом недостатков, препятствующих их внедрению. Наибольшее распространение нашли фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ), позволяющие одновременно повысить коэффициент мощности в судовой сети. Но последнее оказывается их единственным преимуществом, поскольку резонансные явления, возникающие при случайном характере изменения эквивалентной проводимости сети, вызывают повышение амплитуд канонических гармоник напряжения.
Экспериментальные данные, полученные авторами в результате исследований работы электроэнергетической системы с мощными тиристорными приводами на ППБУ типа "ШЕЛЬФ" указывают на случайный нестационарный аддитивно-мультипликативный характер распределения амплитуд и спектра гармоник тока и напряжения в судовой сети.
Реакция СЭС на воздействие гармоник тока ТП с учетом случайного нестационарного характера переключений в ее сложной структуре и изменения параметров нагрузки не может быть проанализирована на уровне детерминированных методов. В связи с этим становится невозможным синтез классической системы регулирования качества электроэнергии с помощью набора типовых регуляторов, воздействующих на элементы СЭС (генераторы, ТП, ФКУ). Поэтому пока что основным средством компенсации гармоник напряжения в судовой сети является широкополосный фильтр, подключенный к шинам на входе ТП.
Исследования (Анисимов, Васильев, 1990) показывают, что при достаточно эффективном сглаживании канонических гармоник первичного тока установленная мощность конденсаторов фильтра становится равной мощности ТП. На эффективность пассивных широкополосных фильтров влияет разброс параметров судовой сети как случайной функции времени. Расчетный пример, приведенный в той же работе, показывает, что ошибка в выборе параметров широкополосного фильтра при пренебрежении случайным
Прохоренков A.M., Ремезовский В.М. Программно - аппаратная реализация системы
процессом изменения эквивалентного импеданса судовой сети может достигать 40%. Применение на судах ФКУ с управляемым импедансом неперспективно для СЭС ввиду наличия резонансных явлений в реальном диапазоне изменения импеданса сети.
2. Постановка задачи
Задача компенсации высших гармоник в судовой сети при наличии случайного процесса изменения ее импеданса и случайной последовательности генерирования гармоник ТП может быть решена при использовании силовых активных фильтров (САФ). Основные преимущества САФ - быстродействие и возможность управления процессом компенсации группы высших гармоник при изменении эквивалентного импеданса и частоты сети, а также рабочих параметров ТП. Другой отличительной особенностью САФ является то, что применяемый реактивный накопитель энергии (дроссель или конденсатор) не оказывает влияния на частотную характеристику судовой сети и, следовательно, не вызывает явления резонанса. Указанные преимущества САФ обуславливают необходимость исследования вопросов применения их в СЭС.
Инвертирование реактивного тока в судовую сеть сопряжено с решением двух основных задач:
- необходимостью подзарядки источника реактивной энергии индуктивного или емкостного накопителя;
- формированием реактивной составляющей инвертирующего тока, равной и противоположной по фазе реактивной составляющей тока сети.
3. Метод формирования базовой функции
В САФ на основе резонансных инверторов и полностью управляемых инверторов (ШИМ) базовый сигнал, пропорциональный реактивной (гармонической) составляющей тока сети, формируется за счёт разности сигналов, пропорциональных полному току сети и его активной составляющей. Регулирование тока накопителя в этих САФ осуществляется в режиме выпрямления. Применение САФ на базе тиристорных инверторов (с общим коммутационным узлом) позволяет осуществить независимое регулирование тока накопителя и отказаться от достаточно сложных методов формирования базовых функций, заменив их более простыми способами формирования ступенчатых функций. В работе (Головацкий и др., 1990) показан метод описания ступенчатых функций, базирующийся на Фурье-анализе.
Поскольку синусоидальный ток характеризуется периодом Т и четвертьволновой симметрией, практический интерес представляют импульсно-волновые аппроксимирующие функции (рис. 1).
4 АХ
р1 р2 р3 я/2 к wt
Рис.1. Условно-оптимальная трехступенчатая импульсно-волновая функция.
Импульсно-волновая функция с четвертьволновой симметрией и любым числом ступеней может
быть представлена рядом Фурье относительно любо^гармоники как_
s
In ( cot) = 8 / лп ^ A¡ sin ( nAx¡) sin ( nf¡¡ ), (1)
1
где n - номер гармоники; A¡ - амплитуда импульсов тока; s - число импульсов на интервале; In -амплитуда тока n-ой гармоники; Ax¡ - ширина импульса; Д - координата импульса.
Условие оптимальности ступенчатой функции тока сети, содержащего минимум высших гармоник:
A= I1sm (Д), (2)
где I1 - амплитуда тока основной гармоники сети. Поэтому, она может быть представлена как:
s
iopt = 8/л n ^ I1 sin (nAx¡) sin (пД ) sin (Д ). (3)
1
Ступенчатая функция первичного тока тиристорного преобразователя, работающего в режиме непрерывного тока, согласно (1):
s
i„p = 8/rn ^ Id sin (n Ах-) sin (пД ). (4)
1
Формирование ступенчатой функции тока активного фильтра с координатами импульсов /3i и шириной A xi позволяет также применить для него выражение (1):
s
if = 8/лп ^ If sin (n Axi) sin (пД ). (5)
Согласно закону Кирхгофа для точки подключения активного фильтра:
topt t пр + If'
(6)
Уравнения (3), (4), (5) и (6) позволяют находить выходные параметры силового активного фильтра при заданных координатах Д.
Для случая условно-оптимального синтеза ступенчатой формы тока на интервале 0 к/2 количество ступеней определяется (исходя из потребности исключения заданных гармоник) как:
* = ( ^ + 1) / 4 ,
где: Л* - номер первой низшей из высших нескомпенсированных гармоник тока, оставшихся в сети.
В таблице 1 показан алгоритм переключений А^ инвертора САФ при заданном числе ступеней *, соответствующем реализуемым номерам гармоник "и" компенсационного тока. Знак ( - ) соответствует выпрямительному режиму (заряд накопительной индуктивности), а знак ( + ) - инверторному режиму работы САФ.
Таблица 1
1
s n A f
3 5,7 (-1;1;-1)
5 5,7,11 (-1;-1;1;-1;-1)
6 5,7,11,13 (-1;-1;1;1;-1;-1)
3. Аппаратная реализация метода импульсно-волновых функций
Процедура вычисления амплитуды импульсов компенсирующего тока Af на каждой ступени состоит из следующих этапов:
1. Определение амплитудного значения первой гармоники первичного тока I1.
2. Вычисление амплитудного значения тока каждой ступени условно-оптимальной четвертьволновой функции: А1 = I1 * sin pi.
3. Вычисление среднего значения первичного тока тиристорного преобразователя: Id = К * I1.
4. Вычисление амплитуды компенсационного тока на каждой ступени переключения инвертора САФ: (AI -
Id) = Af .
Прохоренков A.M., Ремезовский В.М. Программно - аппаратная реализация системы ...
Поскольку sin^ i и К суть постоянные коэффициенты, реализация вычислений на каждой ступени может быть предоставлена микропроцессору.
На рис.2 представлена блок-схема, включающая набор аппаратуры, необходимый для формирования компенсационного тока заданного гармонического ряда.
Рис.2. Базисная концепция компенсации гармоник тока в сети.
Измерительный канал включает в себя датчик - трехфазный трансформатор тока Т и измерительный преобразователь, на выходе которого имеется фильтр Ф основной гармоники тока с нулевым фазовым сдвигом. Сигналы, пропорциональные основной гармонике, каждый для своей фазы тока, поступают на устройство ввода микропроцессорного комплекта МП. Задача МП - выдача цифровой информации 2 о величине амплитуд компенсационного тока на каждой ступени импульсно-волновой функции. Эта информация преобразуется в системе управления (СУИ) инвертора в последовательность прямоугольных импульсов, длительность которых АХ пропорциональна вычисленной амплитуде тока ступени. Силовой элемент САФ - "инвертор - ШИМ" формирует ток компенсации необходимой величины, предел которой зависит от мощности реактивного накопителя.
4. Заключение
Описание гармонического тока сети с помощью импульсно-волновых функций позволяет реализовать алгоритм управления САФ на основе достаточно точной информации о величине основной гармоники тока сети. Предложенная в работе базисная концепция фильтрации высших гармоник в судовой электрической сети может быть реализована простыми программно-аппаратными средствами.
Литература
Анисимов Я.Ф., Васильев Е.П. Электромагнитная совместимость полупроводниковых преобразователей и
судовых электроустановок. Л., Судостроение, 264с., 1990. Головацкий В.А., Гулякович Г.Н., Конев Ю.И., Малышков Г.М., Мелешин В.И., Полянин К.П., Соловьев И.Н. Опадчий Ю.Ф., Юрченко А.И., Мосин В.В. Источники вторичного электропитания. М., Радио и связь, 280с., 1990.
