Регулятор качества электроэнергии для однофазных локальных систем электроснабжения

В качестве примеров приведены  фактически измеренные значения ПКЭ  в одном из офисных зданий г. Краснодара и их сравнение с требованиями ГОСТ 13109-97. На основе анализа приведенных данных сделан вывод, что во многих  реальных ситуациях ПКЭ  выходят за установленные пределы.

Проанализированы технико-экономические  показатели КИВЭП,  причины и следствия их снижения и пути их улучшения. Сделан вывод, что улучшение показателей КИВЭП целесообразно вести в направлении коррекции коэффициента мощности и разработки "прозрачного" преобразователя, потребляющего из сети ток, повторяющий по форме напряжение питания. Более того, необходимы КИВЭП, которые не только корректируют собственный коэффициент мощности, но и уменьшают искажения в СЭС. Такой подход позволяет решить вопросы энергосбережения, улучшения электромагнитной обстановки и помехоустойчивости (исключение высших гармоник тока в сети) и экономии материальных средств на этапе введения в строй новых СЭС.

Критерием для оценки искажений, вносимых КИВЭП, выбран коэффициент мощности , определяемый активной мощностью, потребляемой из сети, и величиной искажений потребляемого тока.

Проанализированы принципы построения и схемы современных  и перспективных регуляторов качества электроэнергии (РКЭ).  Для силовой части РКЭ мощностью около 10 кВт выбрана однокаскадная полумостовая схема коррекции коэффициента мощности и компенсации мощности искажений с пониженной вдвое (по сравнению с двухкаскадной схемой) загрузкой силовых элементов.

В качестве элементной базы для силовой части разрабатываемого РКЭ рекомендуется полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET); биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT); быстро восстанавливаемые диоды серии EMCONTM или высоковольтные диоды с барьером Шоттки.

В качестве принципа управления силовыми ключами (вентилями) выбрана  следящая широтно-импульсная модуляция (ШИМ).

Во второй главе разработана математическая модель силовой части РКЭ в составе однофазной локальной СЭС.

Сформулированы цель и задачи математического моделирования, основные особенности рассматриваемого объекта моделирования, требования к разрабатываемой математической модели. Сделан вывод, что для данной работы наиболее подходят принципы моделирования, основанные на упрощенном аналитическом описании электромагнитных процессов с учётом целей моделирования и специфики схемы конкретного объекта при использовании численных методов, применяемых в пакетах программ MathCad, MathLab и т.п.

Проанализированы методы моделирования  электромагнитных процессов в силовых полупроводниковых преобразователях электроэнергии (далее - преобразователях), основанные на упрощенном аналитическом описании, с точки зрения их применимости для моделирования подсистемы преобразования электроэнергии (силовой части) разрабатываемого устройства (РКЭ). Сделан вывод, что для этого в наибольшей степени подходит  метод усреднённого пространства состояний.

В данной работе рассматривается преобразователь, работающий в составе локальной СЭС (фрагмента однофазной СЭС общего назначения). Параметры СЭС влияют на работу РКЭ и наоборот, параметры РКЭ оказывают влияние на работу СЭС. Поэтому для наиболее полной оценки электромагнитных процессов рассмотрена схема локальной СЭС и параметры её элементов; произведена классификация факторов, влияющих на режимы работы РКЭ; и детально (до числовых значений) проанализировано влияние параметров элементов СЭС.

При моделировании силовой части разрабатываемого РКЭ предполагаются следующие основные допущения:

1. Незначительные пульсации входного тока и выходного напряжения.
2. Время переключения диодов и транзисторов пренебрежительно мала.
3. Идеальный источник питания, соединительные провода РКЭ не имеют потерь.
4. Цепи постоянного и переменного тока содержат только линейные элементы.                                          
5. За период ШИМ напряжение сети представляется квазипостоянным, изменение его среднего значения незначительно относительно пульсаций.

На основе метода усредненного пространства состояний разработана  математическая модель силовой схемы РКЭ в составе СЭС (Рис.1). Используя законы электротехники записаны системы уравнений в матричной форме для двух состояний ключевого элемента РКЭ (на интервале "замкнуто" длительностью , когда происходит накопление электроэнергии в дросселе и расход энергии из конденсатора в нагрузку;    и на интервале "разомкнуто" длительностью , когда происходит рекуперация электроэнергии из дросселя в конденсатор и её расход в нагрузку; при этом + = ; эти интервалы времени определяются полярностью входного фазного напряжения и состояниями полностью управляемых вентилей).

 

Рис.1 Схема локальной СЭС с активным однокаскадным РКЭ

 

      Получена осредненная система уравнений состояния в матричной форме:

 

,         (1)

где

;

;       ;        ;

      - коэффициент заполнения импульсов ШИМ.

 

В этой системе уравнений  нестационарной при переключениях  силовой схемы является только матрица  как функция коэффициента заполнения σ. Полученная система уравнений не является линейной, поскольку в выражения входят произведения переменных вектора возмущений и коэффициента заполнения. Рассматриваемая система записана относительно мгновенных значений всех входящих в нее переменных, хотя для практических целей целесообразно иметь две системы уравнений – по основе и по пульсации , причем .

Система уравнений для  модели измерений в матричной форме имеет вид:

 

,         (2)

где С – матрица измерения состояния системы;

       D – матрица влияния со стороны возмущающих воздействий;

;           .

 

Объединяя уравнения  состояния (1) и уравнения модели измерения (2) в одну систему получим математическую модель СЭС с РКЭ:

.        (3)

Получено выражение, связывающее  закон изменения входного тока РКЭ и коэффициент заполнения для произвольной формы входного тока.

 

,                                  (4)

 

.                                   (5)

 

Сформулированы потенциальные  условия коррекции коэффициента мощности и компенсации мощности искажений рассматриваемой силовой схемы:

• в общем виде в силовой схеме РКЭ может быть сформирована произвольная форма входного тока;
• условие получения заданной (желаемой) формы входного тока РКЭ совпадает с условием получения стабильного выходного напряжения;
• в случае синусоидальной формы входного тока имеется возможность изменения фазового сдвига кривой тока относительно кривой напряжения.
• режим работы преобразователя следует выбирать так, чтобы выходное напряжение всегда было выше амплитудного значения входного напряжения;

Из первого уравнения системы (3) получен оператор вектора состояния силовой части при определенном законе управления , напряжении питания , токе нагрузки :

 

;      (6)

;  ,     (7)

где I – единичная матрица; - вектор возмущающих воздействий.

 

Отсюда получена матричная  передаточная функция силовой части РКЭ:

 

;   .   (8)

 

В установившемся режиме силовая часть РКЭ представляет собой матрицу К пропорциональных звеньев, связывающую вход и выход силовой части РКЭ:

 

;      .   (9)

 

Получены  аналитические  выражения коэффициентов передачи силовой части РКЭ , , , и их зависимости от значений мощности нагрузки и от коэффициента заполнения s .  Их анализ позволяет сделать следующие выводы:

• коэффициенты передачи силовой схемы РКЭ , , , являются нелинейными функциями и зависят от нагрузки и коэффициента заполнения;
• коэффициенты , и имеют экстремумы, что ограничивает регулирующие свойства РКЭ, т.к. область изменений должна быть на монотонном участке.

Зависимости КПД от величины нагрузки и коэффициента передачи для разных значений мощности нагрузки Р_н приведены на рис.2.

На рис.3 приведены зависимости коэффициента заполнения для разных значений мощности нагрузки на интервале полупериода питающего напряжения.

 

         

 

  Рис.2 Зависимости коэффициента                Рис.3 Временные зависимости коэффи-

  полезного действия от коэффи-               циента заполнения  для разных зна-       

 циента передачи по напряжению             чений мощности нагрузки

 

Анализ полученных кривых показывает следующее:

• снижение питающего напряжения и рост мощности нагрузки определяют предельный режим работы устройства с точки зрения обеспечения коррекции коэффициента мощности и компенсации мощности искажений;
• снижение напряжения питания РКЭ (увеличение коэффициента передачи силовой схемы) приводит к снижению КПД при любых нагрузках;
• рост мощности нагрузки снижает КПД тем быстрее, чем больше отдаваемая мощность.

Проведен анализ составляющих потерь мощности в РКЭ и их долевой  вклад в снижение КПД РКЭ.

Исследование силовой  части РКЭ, выполненное численными методами по приведенным формулам, дало возможность:

• оценить энергетическую загрузку полупроводниковых вентилей и определить требования к охлаждению силовых элементов;
• произвести выбор силовых элементов по предельным режимам работы;
• определить номинальные значения параметров дросселя и конденсатора.

Проанализированы кривые медленных составляющих (средних  значений на интервале ШИМ) для режимов минимальной и максимальной нагрузки.

Полученные зависимости  для потерь мощности в РКЭ и  в СЭС на активном сопротивлении петли «фаза-нуль» в зависимости от мощности нагрузки позволяют сформулировать требование к питающей сети и произвести выбор сечения проводов, исходя из отклонений питающего напряжения и мощности нагрузки.

Проведена количественная оценка загрузки активных и пассивных  элементов силовой части РКЭ. Численный анализ РКЭ был проведен в диапазоне нагрузок 0,1...7,0 кВт при напряжении питающей сети в пределах 180...240 В.

Окончательное уточнение  параметров силовой части РКЭ  проводится на этапе синтеза системы  управления с целью обеспечения  требуемого соотношения между частотой задающего сигнала, резонансной частотой фильтра и частотой широтно-импульсной модуляции: . Нестационарный характер переключений в силовой схеме РКЭ приводит к тому, что резонансная частота фильтра РКЭ является функцией коэффициента заполнения, что определяет итерационный характер расчета реактивных элементов.

В третьей главе разработана система управления РКЭ, позволяющая стабилизировать напряжение на значительно изменяющейся нелинейной нагрузке; поддерживать заданную форму тока, потребляемого из СЭС,  и компенсировать высшие гармоники тока, имеющиеся в СЭС.

Проанализированы задачи, которые должна решать система управления (СУ) разрабатываемого РКЭ. Рассмотрены  типовые схемы СУ интегрального  исполнения (контроллеров). Проанализированы известные методы и узлы систем управления РКЭ. Сделан вывод, что улучшить характеристики контроллеров позволяет использование модальной стратегии управления, которая подразумевает использование обратной связи по состоянию и предполагает воздействие на собственные значения матрицы объекта (изменение мод) или на коэффициенты при степенях производных характеристического уравнения.

Требуемая динамика преобразователя  достигается расположение полюсов, а  инвариантность к возмущениям  со стороны нагрузки - расположением нулей передаточной функции системы в требуемых точках комплексной плоскости. Контроль токов в дросселях и напряжений на конденсаторах является необходимым условием обеспечения требуемых показателей качества выходного напряжения РКЭ.

Проведён анализ силовой  части РКЭ как объекта управления с учётом отклонений и возмущений. Разработана соответствующая структурная схема (рис.4).

Импульсная система  с широтно-импульсным преобразователем (ШИП) приведена к линейной непрерывной модели, что даёт возможность дальнейшие исследования силовой части РКЭ проводить соответствующими методами. Релейное регулирование предполагает задание достаточно малой зоны переключений по отношению к значениям сигнала задания и сигнала обратной связи .

 

 

Рис.4 Структурная схема силовой части РКЭ как объекта управления

 

Матричное уравнение  линеаризованной модели силовой  части РКЭ имеет следующий вид (выражение в скобках характеризует установившийся режим):

 

,   (10)

где                           ;           = .

Здесь обозначены:  - матрица коэффициентов передачи ШИП;

   - матрица управления РКЭ, причем = ;

     -   сигнал ошибки регулирования по входу ШИП.

 

Определены схема построения системы контроля и звенья системы управления, обеспечивающие достижение требований к характеристикам РКЭ. Проведен выбор контролируемых параметров. Определены параметры регулятора (звена замкнутого цикла) и корректора (звена разомкнутого цикла). Определены их рабочие точки и диапазоны изменения параметров. Рассмотрены условия обеспечения требуемой внешней характеристики РКЭ и его инвариантности к возмущениям.