Регулятор качества электроэнергии для однофазных локальных систем электроснабжения

Синтезированная структурная  схема СУ РКЭ (вместе с его силовой  частью и системой контроля) показана на рис.5. СУ РКЭ является алгоритмическим устройством, которое производит управление силовыми транзисторами РКЭ на основе информации о полярности входного сигнала (КЗ – компаратор знака в распределителе импульсов РИ) и о значении коэффициента заполнения на выходе компаратора. Описана работа схемы, сформулированы требования к её элементам.

 

Рис.5 Структурная схема системы управления и силовой части РКЭ

 

Проведён анализ адаптивных методов управления, как наиболее перспективных для решения проблемы регулирования качества электроэнергии.

Разработана идеология построения адаптивной системы управления (АдСУ), проиллюстрированная на рис.6, где ООК – объектно-ориентированный контроллер; СОК – системно-ориентированный контроллер; ТОП – точка общего присоединения.

Рис.6 Структурная схема РКЭ в составе СЭС

В качестве критерия, характеризующего степень искажения, принят коэффициент формы кривой питающего напряжения в точке подключения РКЭ к сети.

Описан процесс адаптивной настройки. Подстройка первой гармоники на выходе адаптивного фильтра осуществляется по сигналу рассогласования выходного напряжения РКЭ, а подстройка высших гармоник - по рассогласованию коэффициента формы  на k-м шаге адаптивного процесса. Описан итеративный процесс градиентного поиска в АдСУ по методу наименьших квадратов Уидроу-Хоффа.

Синтезирована структурная  схема системы компенсации мощности искажений и коррекции коэффициента мощности, использующей АдСУ (рис.7).

 

Рис.7 Адаптивная система компенсации мощности искажений 
и коррекции коэффициента мощности

 

На выходе адаптивного  фильтра АФ в k-тые моменты времени  формируется ведущий сигнал , который образует широтно-модулированную последовательность импульсов на k-ом интервале импульсной модуляции. При этом следящий источник тока (СИТ) потребляет из СЭС такой ток, чтобы форма кривой напряжения в точке подключения РКЭ к СЭС имела минимальные отклонения от синусоиды и соответствовала =1,111, а выходное напряжение РКЭ соответствовало заданному. Таким образом, на выходе АФ формируется ведущий сигнал, позволяющий получить закон ШИМ, обеспечивающий минимальную ошибку на нагрузке (закон ШИМ адаптируется к нагрузке и к СЭС). Скорость настройки и сходимость процесса адаптации определяется значениями матрицы и особенностями СИТ.

Проведено численное  моделирование работы АдСУ для случая соизмеримых мощностей источника  и потребителей (25 кВА).

Получены кривые переходного процесса адаптации для разных значений коэффициентов сходимости. Характер переходных процессов, их скорость и статическая ошибка адаптации зависят от коэффициентов сходимости неявным образом: при некоторых значениях наблюдается апериодический процесс в канале регулирования коэффициента формы, в то время как в канале регулирования выходного напряжения РКЭ переходный процесс отличается перерегулированием.

При настроенном канале регулирования выходного напряжения время регулирования коэффициента формы в точке подключения РКЭ может быть менее 40 шагов, что соответствует 20 с.

Увеличение значений коэффициентов сходимости в значительной степени ускоряет процесс настройки, но увеличивает ошибки регулирования и колебательность переходного процесса.

В данных режимах обеспечивает КПД РКЭ не хуже 0,92.

В четвёртой главе приведены материалы численного и физического моделирования работы РКЭ. 

Разработаны методика и  алгоритм численного моделирования работы РКЭ.

В результате моделирования  РКЭ получены следующие результаты:

1. Исследование зависимости значений параметров РКЭ от характеристик питающей сети (для разных типов силовых трансформаторов).

Расчеты показали, что  при мощностях 500…3300 Вт в сетях  с высоким значением полного сопротивления цепи «фаза-нуль» (это характерно для сетей, питающихся от силовых трансформаторов мощностью до 100 кВА) суммарная индуктивность входной цепи отличается более чем на 30% от расчетного значения; при нагрузке мощностью 7,2 кВт (питание от трансформатора 630 кВА) - на 50%. В последнем случае рассматривался вариант удаленной установки РКЭ.

2.   Расчеты зависимости  коэффициентов передачи объектно-ориентированного  контроллера (ООК) от нагрузки для разных значений сопротивлений петли «фаза-нуль» и нагрузки показали, что при малых нагрузках (до 500 Вт) мощность силового трансформатора не имеет практического значения: собственные частоты и коэффициенты передачи ООК примерно совпадают, (расхождения не превышают 3…5%) как для режима стабилизированного источника напряжения, так и для источника тока. С ростом мощности нагрузки собственная частота системы по отношению к собственной частоте РКЭ снижается и расчет параметров коэффициентов передачи без учета параметров СЭС может привести к ошибочным результатам: коэффициенты передачи отличаются более чем в два раза. Это особенно заметно для мощностей нагрузки свыше 4,2 кВт при малой мощности силового трансформатора (25 кВА).

С ростом мощности трансформатора разница между рассчитанными  значениями для коэффициентов передачи ООК нивелируется, т.к. мощность нагрузки существенно меньше мощности трансформатора. Расхождения между коэффициентами передачи контроллера, определенными с учетом параметров СЭС и без учета таковых, примерно одинаковы  для всех видов полиномов.

3. Для полученных значений коэффициентов ООК проведена оценка процессов преобразования в установившемся режиме с использованием системы PSpice 5.1.

А)     Рассогласование между ведущим сигналом и выходным напряжением (статическая ошибка регулирования) при всех формах полиномов в режиме стабилизированного источника напряжения составляет менее 4% в диапазоне до 4,2 кВт. При мощности выше 4,5 кВт статическая ошибка возрастает до 5,5% независимо от параметров электрической сети и коэффициентов полинома стандартной формы. При этом уровень пульсаций выходного напряжения не превышает 5% в диапазоне мощностей нагрузки до 4,5 кВт и 8% при мощности нагрузки 7,1 кВт.

Б)     Получены формы выходного напряжения и входного тока для режима источника напряжения при мощности нагрузки соответственно 500 Вт и 4,2 кВт. В этом режиме форма выходного напряжения практически не зависит от формы сетевого напряжения; но форма тока отличается от гармонической, хотя и достаточно близко повторяет ее.

В)    Наивысшая частота переключений вентилей при следящей асинхронной ШИМ наблюдается при использовании в качестве полинома стандартной формы полинома Бесселя; наименьшая - биноминального полинома. С ростом мощности преобразования частота переключений увеличивается для всех форм полиномов.

Г)      Исследования влияния ширины зоны переключений показали следующее.

Уменьшение порогового напряжения практически не изменяет значения коэффициентов передачи ООК, но снижает коэффициент пульсаций и значительно увеличивает частоту переключений силовых вентилей и, как следствие, динамические потери в силовой схеме (на переключение в вентилях и на перемагничивание в дросселе РКЭ). Это особенно сказывается при мощностях нагрузки более 2,5 кВт.

Увеличение ширины зоны переключений приводит к появлению  искажений вида «ступенька» при переходе кривой напряжения через нуль. Это объясняется тем, что в момент переключения диагоналей силовой схемы (смена полярности входного напряжения) силовой транзистор выключен. Ошибка регулирования по току может достигать 5…10% от амплитудного значения входного тока.

Экспериментально установлено, что для рассматриваемых значений мощностей (500 Вт…7,2 кВт) приемлемым (с точки зрения пульсаций и частоты переключений) является диапазон порогового напряжения от 30 мВ до 120 мВ.

Д)      Значение амплитуды ведущего сигнала выбрано из условия реализуемости на обычной элементной базе. Моделирование в PSpice показало, что наиболее приемлемым значением сигнала задания является уровень 3…6 В. В этом случае диапазон изменения сигналов ошибки и обратной связи составляет ±7 В и аналоговые устройства ООК работают в линейном режиме.

Численное моделирование  проводится при значении порогового напряжения 50 мВ и при амплитуде ведущего сигнала для режима источника тока – 5 В.

Е)  Исследование динамических характеристик показало, что с ростом мощности нагрузки колебательные свойства силовой части РКЭ (без обратной связи) изменяются незначительно в сторону снижения частоты собственных колебаний. Аналогичная тенденция наблюдается и при увеличении сопротивления петли «фаза-нуль». Это позволяет сделать вывод, что влияние мощности нагрузки и сопротивления петли «фаза-нуль» гораздо существеннее на значение коэффициентов передачи ООК, чем на колебательные и инерционные свойства силовой части РКЭ.

Рассмотрен режим следящего  источника тока с инжекцией в питающую сеть высших гармоник потребляемого тока таким образом, чтобы обеспечить: минимальные искажения кривой выходного напряжения; коэффициент мощности, близкий к единице; компенсацию мощности искажений.

Сформулированы задачи на экспериментальные исследования физической модели РКЭ. Описана экспериментальная установка (система контроля, преобразовательный модуль, аппаратное и алгоритмическое сопряжение модуля с ЭВМ).

Рассмотрен вариант  построения системы контроля параметров РКЭ. Предложена схемотехническая реализация и программно-алгоритмическая поддержка системы контроля параметров РКЭ на аналоговой элементной базе.

Разработана схема преобразовательного  модуля с подключенными измерительными приборами и контрольными точками. Устройство выполнено на основе блочно-модульной конструкции. Изготовленный преобразовательный  модуль позволяет исследовать процессы преобразования электроэнергии при различных величинах нагрузки, напряжениях питания и формы ведущего сигнала.

Разработаны функциональные схемы и алгоритмы работы узлов системы управления преобразователем на базе ЭВМ. Изготовленные устройства формируют импульсные последовательности независимо от центрального процессора.

Осуществлена программно-аппаратная стыковка преобразовательного модуля с компьютером класса IBM. Аналоговая информация транслируется в реальном масштабе времени через устройства ввода-вывода, установленные в слоты материнской платы компьютера. Ошибка ввода-вывода информации не превышает 0,7% при времени обработки менее 20 мкс (в реальном масштабе времени).

Рассмотрены вопросы  схемотехнической реализации некоторых  основных узлов РКЭ, в частности - драйверов (устройств согласования системы управления и силовой части), управляющих силовыми транзисторами.

Разработанные схемы  драйверов используются в действующих макетах активных РКЭ. Первый вариант драйвера работает на два параллельно соединенных транзистора MOSFET SPW47N60S5 (фирмы "Infineon Technologies"), второй вариант – на два силовых транзистора IGBT BUP314D (фирмы "Siemens") в схеме РКЭ мощностью 1,5 кВт.

Регулятор качества электроэнергии на IGBT непрерывно устойчиво проработал в течение 75 часов при частоте модуляции не выше 15..22 кГц.    РКЭ устойчиво работал при мощности 2100 Вт ( =210...225 В, =375 В). При более высоких значениях мощности (2200...2800 Вт) наблюдались сбои в работе РКЭ (в первую очередь - за счет неоптимального режима выключения силовых транзисторов).

Получены осциллограммы  тока и напряжения РКЭ. Кривая тока имеет высокочастотную пульсацию (на уровне 3...8 %) и искажения за счет снижения частоты ШИМ до значения 18 кГц (период тактовой частоты ШИМ составляет 55 мкс).

Применение транзисторов MOSFET SPW47N60S5 позволило получить мощность до 3,5 кВт. Частота преобразования достигала 45 кГц, что вызвало дополнительный разогрев вентилей за счет динамических потерь на переключение. Испытания такого РКЭ проходили в течение 48 часов в тяжелом тепловом режиме, когда температура корпусов транзисторов составляла примерно 70...80^ОС.

Форма кривой тока достаточно точно повторяет форму входного напряжения РКЭ (рис.8) для обоих типов  вентилей, т.е. задача коррекции коэффициента мощности в физической модели РКЭ решается успешно.

При исследовании работы РКЭ в диапазоне изменения мощностей от 0,5 до 3,5 кВт установлено, что внешняя характеристика является достаточно жесткой, и обеспечивается стабилизация выходного напряжения не хуже 4%.

Получены зависимости  КПД РКЭ, нестабильности и коэффициента пульсаций выходного напряжения РКЭ от мощности нагрузки.

С ростом выходной мощности РКЭ до 3,5 кВт его КПД снижается  до значения 0,85: рабочая температура  теплоотводящих радиаторов для такой  мощности составляет примерно 70^ОС.

Сложность построения генератора ведущего сигнала с высоким уровнем гармоник (выше 4) не позволила в полной мере оценить количественную и качественную сторону инжекции высших гармоник в питающую сеть.

Подключение к точке  общего подключения РКЭ в режиме коррекции коэффициента мощности только для нагрузки РКЭ практически не изменяет ПКЭ в этой точке. В режиме инжекции из РКЭ в СЭС высших гармонических составляющих (режиме компенсации мощности искажений) (рис.9) коэффициент несинусоидальности в точке общего присоединения снижается с 4,32% до (3,55…3,7)%. Ограниченное число гармонических составляющих, генерируемых в сеть, не позволило лучше сгладить (компенсировать) искажения тока в СЭС.