CC BY
367
X моделирование систем и процессов
УДК 681.5
система автоматического управления
гэс малой мощности
методом частотного регулирования
A. А. Миленин,
аспирант
B. Ф. Шишлаков,
доктор техн. наук, профессор Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения
Приводится один из подходов к разработке системы управления гидроэлектростанцией малой мощности методом частотного регулирования. Дается сравнительный анализ с существующей системой управления методом управляемой нагрузки. Показано моделирование системы управления малой гидроэлектростанцией в МАТНІАБ, Бітиііпк.
Ключевые слова — малые ГЭС, частотное регулирование, моделирование, МАТНІАБ.
Одним из наиболее эффективных направлений развития нетрадиционной энергетики является строительство микро- и малых гидроэлектростанций (МГЭС). Это объясняется значительным экономическим потенциалом малых рек (в России он составляет до 60 млрд кВт • ч, а используется менее чем на 0,5 %) при сравнительной простоте его реализации. Именно поэтому в 50-60-е гг. в стране работало до 8 тыс. МГЭС. Сегодня же их количество едва достигает 300 [1, 2].
Необходимость снабжать электроэнергией труднодоступные районы, в которые прокладка линий передач предполагает большие сложности или требует серьезных денежных вложений, позволяет ставить вопрос о целесообразности использования электростанций малой мощности. При этом возникает потребность к развитию нетрадиционной или возобновляемой энергетики.
В отличие от других экологически безопасных возобновляемых источников электроэнергии, таких как солнце, ветер, МГЭС практически не зависит от погодных условий и способна обеспечить устойчивую подачу электроэнергии потребителю.
Таким образом, малая гидроэнергетика — это в настоящее время наиболее экономичное решение энергетических проблем для территорий, относящихся к зонам децентрализованного электроснабжения, которые составляют более 70 % территории России.
Задачей данной работы является разработка системы автоматического управления (САУ) гидроэлектростанцией мощностью 250 кВт. Необходимо обеспечить требуемые параметры выходной мощности, стабилизации напряжения и частоты в соответствии с ГОСТ 28171 (МЭК 60034-1).
Для системы управления входным воздействием в данном случае будет являться информация о требуемой частоте и амплитуде напряжения, а также текущие параметры этих значений, а выходным — сигналы управления силовыми ключами преобразователя тока. Необходимо, чтобы система управления обеспечивала работу ГЭС как в автономном режиме или параллельно с энергосистемой, так и на сеть, в том числе функции защиты и оперативного управления агрегатами ГЭС. Станция должна обладать автономностью.
Существуют разные способы стабилизации напряжения и частоты. К ним относятся: использование насыщенной индуктивности; управление напряжением путем регулирования скорости потока воды; регулирование напряжения с помощью управления емкостью; регулирование напряжения и частоты с помощью управляемой нагрузки, преобразователя частоты и некоторые другие способы. Наиболее предпочтительными методами являются регулирование с помощью управляемой нагрузки и частотное регулирование.
В данный момент реализован принцип постоянства нагрузки. Мощность, вырабатываемая ге-
нератором, распределяется между полезной нагрузкой и балластной. В результате за счет постоянства нагрузки и мощности выполняются требования к параметрам электрического тока.
Рассмотрим микроГЭС мощностью 15 кВт, использующую асинхронный генератор. Для управления данной микроГЭС разработана серия устройств автоматического регулирования (УАР) (рис. 1).
В качестве генератора Г в микроГЭС применяется асинхронная машина, которая возбуждается от остаточного магнитного потока статора при раскручивании турбины. Конденсаторная батарея (устройство возбуждения УВ) подключается с помощью выключателя В к выводам генератора. Для того чтобы сделать напряжение на выходе генератора постоянным и не зависящим от нагрузки, используется устройство управления УУ, представляющее собой широтно-импульсный модулятор ШИМ.
Работа УАР основана на принципе постоянства выходного напряжения, которое во многом зависит от нагрузки и может меняться в широких пределах. Мощность генератора перераспределяется между балластом (блоком балластной нагрузки ББН) и полезной нагрузкой таким образом, что выходное напряжение остается постоянным. Мощность, развиваемая генератором, также остается постоянной:
^ ^ ^ = ^ах = С0П^, (1)
где Pг, Pн, Pб — мощность, развиваемая на выходе генератора, отдаваемая в нагрузку, рассеиваемая балластом соответственно.
Рассмотрим работу разрабатываемой САУ МГЭС (рис. 2).
Неуправляемый трехфазный мостовой выпрямитель В выпрямляет переменное напряжение, вырабатываемое генератором Г (напряжения на
■ Рис. 1. Функциональная схема УАР
---► Силовая часть
► Управление ■ Рис. 2. Функциональная схема САУ
выходе выпрямителя U2лm = 1,41 • 380 = 536 В при номинальном режиме работы генератора). Реверсивный широтно-импульсный преобразователь тока (частоты) ШИП осуществляет реализацию заданного закона управления (амплитуда напряжения может изменяться в диапазоне от -500 до 500 В, частота — от 1 до 500 Гц).
Выходной фильтр Ф предназначен для подавления высокочастотных составляющих напряжения нагрузки Н. Цифровые измерители сети ведут непрерывный анализ параметров тока и напряжения и позволяют использовать эти данные в микропроцессорной системе управления МСУ, которая в свою очередь, исходя из полученных данных, управляет силовыми ключами. Также МСУ управляет приводом предтурбинного затвора З с помощью преобразователя частоты и системой возбуждения СВ генератора. В целях управления потоком воды, поступающей в гидротурбину, привод должен регулировать положение задвижки на малых оборотах вращения.
Таким образом, МСУ МГЭС обеспечивает регулирование напряжения и частоты в широком диапазоне, что позволяет без изменения конфигурации системы применять ее в различных странах с различными стандартами напряжения и отклонения частоты.
Основным силовым элементом системы является ШИП, который и преобразует полученный ток с генератора с переменной частотой и амплитудой напряжения в ток постоянной частоты и амплитуды.
Применение ЮВТ с более высокой частотой переключения в совокупности с МСУ в преобразователях частоты снижает уровень высших гармоник, характерных для тиристорных преобразователей [3-5].
Для реализации преобразователя частоты, выполненного на ЮВТ-транзисторах, были выбраны ЮВТ-модули ЕиРЕС FZ1600R12KE3 с напряжением коллектор-эмиттер 1200 В и током коллектора 1600 А (при 80 °С) и 2300 А (при 25 °С) [6, 7]. Расчет суммарных потерь на плече преобразователя частоты составил 3,7 кВт.
В состав любого мощного преобразователя обязательно входит драйвер — устройство, осуществляющее передачу логических сигналов управления, вырабатываемых контроллером, к входам силовых ключей [5].
В настоящей работе был выбран драйвер International Rectifier [5, 8]. IR2113 — драйверы высоковольтных, высокоскоростных МОП-транзисто-ров или IGBT-транзисторов с независимыми выходными каналами нижнего и верхнего уровней. Собственная HVIC-технология и стойкая к защелкиванию КМОП-технология позволили создать монолитную конструкцию [8].
Логический вход совместим с стандартными КМОП- или LSTTL-выходом. Выходы драйверов отличаются высоким импульсным током буферного каскада, что выполнено для минимизации встречной проводимости драйвера. Задержка при распространении сигналов согласована для применения в высокочастотных приложениях. Выходной канал может быть использован для управления N-канальным силовым МОП-транзистором или IGBT-транзистором с напряжением питания верхнего уровня до 600 или до 1200 В [8].
В качестве выходных фильтров в инверторах используются преимущественно электротехнические устройства, схемы которых представляют собой пассивные четырехполюсники, состоящие из индуктивных и емкостных реактивных элементов [4]. Основные функции фильтра заключаются в максимальном уменьшении напряжений высших гармоник при минимальном ослаблении первой (основной) гармоники выходного напряжения.
Наиболее простым фильтром является однозвенный Г-образный LC-фильтр. Принцип действия его основан на том, что для высших гармоник напряжения индуктивность представляет большое сопротивление, а емкость — малое. В результате высшие гармоники ослабляются в большей степени, чем первая (основная) гармоника напряжения [4].
Для ориентировочного расчета параметров фильтра следует исходить из условий резонанса и далее проверять параметры фильтра на модели.
Емкость С конденсатора принимаем равной 700 мкФ, а индуктивность дросселя находим из условия равенства волнового сопротивления фильтра сопротивлению нагрузки для исключения резонансных явлений на одной из высокочастотных гармонических составляющих. По расчетам индуктивность дросселя L = 26 мкГн.
С помощью модели проверяем параметры выходного фильтра (рис. 3, а—в).
Видим, что напряжение на нагрузке имеет синусоидальный характер с некоторыми незначительными искажениями, которые не влияют на качество тока.
а) U2 9 х 102
-10
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2
в) U2 Зх 102
■ Рис. 3. Результаты моделирования параметров выходного фильтра: а — выпрямленное напряжение; б — напряжение на нагрузке без выходного фильтра; в — напряжение на нагрузке с применением выходного фильтра
Исходя из функций разрабатываемой МСУ, а также представляя себе функции, ложащиеся на устройство управления, т. е. на микроконтроллер, мы выбрали микроконтроллер Atmel серии Mega, а именно Mega6490. Это устройство обладает достаточными ресурсами для управления ГЭС малой мощности, минимальной стоимостью
среди устройств подобного класса, малыми габаритами, является простым в использовании.
Микроконтроллер Mega649 имеет центральный 8-разрядный процессор; память программ объемом 64 КБ; память данных объемом 2 КБ; 53/68 программируемых ввода/вывода; два 8-битовых и один 16-битовый многорежимных таймера/счетчика; систему прерываний с пятью векторами и двумя уровнями; последовательный интерфейс; тактовый генератор [9-11].
Рассмотрим алгоритм генератора синусоидального сигнала, который необходим для реализации всей работы.
Алгоритм целиком реализован внутри прерывания таймера, которое возникает с частотой 250 кГц, т. е. каждые 4 мкс. Столь малое значение времени потребовало предельной оптимизации обработчика. 1 КБ объема памяти программ контроллера отведен для хранения таблицы функции sin. Для экономии места хранится только 1/4 часть периода, так как функция sin обладает свойствами симметрии. Однако в результате несколько усложнился алгоритм. Для увеличения скорости работы в таблице хранятся 8-разрядные отсчеты. Поскольку на 1/4 периода знак функции не меняется, это позволило знаковый разряд в таблице не хранить.
В разных четвертях периода sin обработчик прерывания работает по различным веткам. Очень важно при этом обеспечить равное время выполнения каждой ветки.
Мгновенная фаза хранится в регистрах PhaseK, L, M, N. Из 32 бит используются только 28 младших. Приращение фазы (код частоты) хранится в регистрах FreqK, L, M, N. Поскольку таблица функции sin имеет размер 1024 Б, необходим 10-разрядный адрес. Он формируется из разрядов 16-25 мгновенной фазы (рис. 4).
Разряд 26 определяет, длится первая или вторая половина полупериода. На второй половине полупериода направление изменения функции
PhaseN PhaseM PhaseL PhaseK
D7 DO D7 DO D7 DO D7 DO
|31|30|29|28|27|26|25|24| |23|22|21|20|19|18|17|16| [T^JF| Г^£1~0І
Not Used
Table Address
to
eq
0ч
Рис. 4. Схема приращения фазы
Л
Рч
должно меняться на противоположное, для чего в этом случае адрес инвертируется. Разряд 27 определяет, длится положительный или отрицательный полупериод. По сути, это знаковый разряд.
Работа САУ смоделирована с помощью программных пакетов MATHLAB Simulink и System Blockset. Модель, работающая параллельно с генератором 250 кВт, показана на рис. 5. Система возбуждения моделируется блоком Excitation System. Частота и напряжение задаются блоком гидротурбины (HTG). Напряжение с выхода генератора поступает на модель 3-фазного неуправляемого выпрямителя. Форма напряжения определяется блоком PWM Generator, который подает управляющие импульсы на PWM IGBT Invertor. Сглаживающие фильтры моделируются блоками Series RLC Branch. Блок RLC Load является моделью нагрузки [12].
Результаты исследования модели МГЭС и графики переходных процессов по напряжению представлены на рис. 6. На третьем графике — закон управления. Как видно из графиков, время переходного процесса при включении генератора
Сглаженное напряжение 9 х 102 неуправляемого выпрямителя
■ Рис. б. Переходные процессы МГЭС
t1 = 0,078 с, в течение которого в системе устанавливаются незатухающие колебания заданной амплитуды и частоты (р = 500 В, f = 50 Гц). Моделирование работы САУ рассматривалось при различной скважности импульсов. На интервале t2 скважность составляла 1, затем в процессе работы САУ на интервале t4 скважность равна 0,38 (чтобы обеспечить амплитуду выходного напряжения U = 220 В), причем время переходного процесса t3 = 0,008 с; t5 — минимальное значение скважности, равное 0; t6 — значение скважности, равное 1.
Результаты моделирования показали, что система обеспечивает установившиеся автоколебания заданной амплитуды и частоты. Изменение скважности управляемых импульсов позволяет регулировать амплитуду выходного напряжения при постоянной частоте.
Литература
1. Безруких П. П. Нетрадиционная возобновляемая энергетика состояние и ближайшая перспектива // Нетрадиционные возобновляемые источники энергии: Сб. / Под общей ред. П. П. Безруких / МЭИ (ТУ); ВИЭН. — М.: Амипресс, 2002. — 354 с.
2. Бляшко Я. И. Состояние и перспективы развития малой гидроэнергетики в России // Энергетическая безопасность и малая энергетика. XXI век: Материалы Всерос. науч.-техн. конф., Санкт-Петербург, 3-5 декабря 2002 г. С. 135.
3. Джонс М. Электроника — практический курс. — М.: Техносфера., 2006. — 510 с.
4. Семенов Б. Ю. Силовая электроника от простого к сложному. — М.: Солон-Пресс, 2005. — 416 с.
5. Силовые полупроводниковые приборы: Пер.
с англ. / Под ред. В. В. Токарева. — Воронеж, 1995. — 606 с.
6. Розанов Ю. К. Основы силовой электроники. — М.: Энергоатомиздат, 1992. — 296 с.
7. Сайт компании Infineon Technologies AG. http:// www.infineon.com
8. Сайт компании Atmel Corporation. http://www. atmel.com
9. Голубцов М. С. AVR от простого к сложному. — М.: СОЛОН-Пресс, 2003. — 288 с.
10. Трампер В. Измерения, управление и регулирование с помощью AVR микроконтроллеров. — М.: МК-Пресс, 2006. — 208 с.
11. Сайт компании Atmel Corporation. http://www. atmel.com (дата обращения: 01.06.2009)
12. Герман-Галкин С. Г. Силовая электроника. — СПб.: Корона Принт, 2002. — 256 с.
