автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Анализ и синтез быстродействующих систем компенсации реактивной мощности в электрических сетях с резко-переменными нагрузками методом частотных характеристик

РГ6 од

, 2 МАГ| 1993

На правах рукописи

ТРОПИН ВЛАДИМИР ВАЛЕНТИНОВИЧ

УДК 621.316.727

АНАЛИЗ н СИНТЕЗ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ

СИСТЕМ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ в ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ с РЕЗКО-ПЕРЕМЕННЫМИ НАГРУЗКАМИ МЕТОДОМ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

05.14.02 - ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ (ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ), СЕТИ, ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И УПРАВЛЕНИЕ ИМИ

АВТОРЕФЕРАТ

ДИССЕРТАЦИИ на СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ ДОКТОРА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Ноьсчеркасск-1998

Работа выполнена в Кубанском госагроуниверситете

Научный консультант - доктор технических наук, профессор ЧАЙКИН В.П.

Официальные оппоненты - доктор технических, наук, профессор КРАСНОПОЛЬСКИЙ А.Е.

доктор технических наук, профессор КУЖЕКОВ С. Л.

- доктор технических наук, профессор БОГДАН А.В.

Ведущее предприятие - Всесоюзный научно-исследовательский институт Электроэнергетики (г. Москва)

Защита диссертации состоится « __»_ 1998 г.в

_часов на заседании Диссертационного Совета Д 063.30.01 при

Новочеркасском государственном техническом университете по адресу: 346401, Новочеркасск, ГСП, ул.Просвещения,132, ауд. 106 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новочеркасского государственного технического университета.

Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять по адресу: 346401, Новочеркасск, ГСП, ул. Просвещения, 132, Ученому секретарю Совета Д063.30.01

Автореферат разослан «____» __1998 г.

Учёный секретарь Диссертационного Совета Д 063.30.01

Н.А. ЗОЛОТАРЁВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Компенсаторы реактивной мощности (РМ) осуществляют один из основных технологических процессов электрических сетей - управление величиной и знаком РМ, формируемой при передаче электроэнергии трансформаторами, линиями электропередач и нагрузками потребителей. При этом наиболее рационально решается важная техническая задача снижения энергопотенциальных потерь в электрических сетях. Из всех возможных мероприятий по снижению энергетических потерь компенсация РМ (КРМ) является наиболее эффективной, - со сроком окупаемости 1,3 года ( по данным ведущего специалиста в области КРМ ЮС. Железко). Показатели потенциальных потерь (качества напряжения) электрических сетей общего назначения нормируются стандартами в ведущих странах мира, в том числе и России - ГОСТом 1310987. И, как показывает зарубежная и отечественная практика, выполнение подобных норм в большинстве случаев невозможно без КРМ и адекватных ей процессов симметрирования и уравновешивания нагрузок электрических сетей, в особенности, - резко-переменных (РП - нагрузок), создающих колебания напряжения распределительной сети в диапазоне частот 0,1. ..25 Гц, доля которых по мощности составляет примерно 20 %. К таким нагрузкам относятся элекгротехнологические установки использующие нагрев электрической дугой (дуговые печи, электросварка), электропривод колебательного движения (барабанные мельницы различного назначения, станки-качалки, прокатные станы), тяговые подстанции железных дорог, Мощные энергофизические установки (бустеры) и др.

■ Исследования и разработки компенсаторов РМ, составляющих совместно с РП - нагрузкой и конкретным участком электрической сети быстродействующую систему (БС)> КРМ, начаты отечественными учёными В.А. Вениковым, Цовьяновым А.Н., Худяковым В.В. в середине 50-х годов. В настоящее время накоплен большой дпыт по разработке и внедрению БС КРМ. Основной вклад в этом направлении внесли учёные и специалисты МЭИ, ВЭИ им.В.И.Лешша, ВНИИЭ, ЭНИН им.Г.М.Кржижановского, НИШИ, ЛПИ, ВНИПИ «Тяжпромэлекгропро-ект», Энергосетьпроект, ВНИИ «Преобразователь» (г.Запорожье) и др. За рубежом следует выделить фирмы «Wesiingliouse Electric», «Noicia», «Ansaldo», «Nissin denki». По данным ведущего американского специалиста J1. Жужи в мире создано более 300 БС КРМ на базе тиристорных компенсаторов (ТКРМ) суммарной установленной мощностью более 20000 Мвар. Например, только итальянская ф. «Ansaldo» за 18 лет построила 25 ТКРМ суммарной мощность 1850 Мвар (7 компенсаторов в Италии и 18 - за её пределами). За последние 20 лет стоимость ТКРМ на

мировом рынке снизиласьвдвое и достигла 18 долларов США за 1 квар установленной мощности. По оценкам специалистов ВНИИ «Преобразователь» экономический эффект использования ТКРМ в конце 80-х годов составлял 6,44 рубля на квар и срок окупаемости - 3 года. В настоящее время определить экономический эффект ТКРМ и, соответственно, - БС КРМ в народном хозяйстве России весьма проблематично, хотя согласно расчётов ведущих специалистов ВЭИ им.В.И.Ленина имеется насущная необходимость установки только в одной Тюменской энергосистеме 10 таких компенсаторов суммарной мощностью 1500Мвар.

Несмотря на значительный опыт использования БС КРМ, позволивший решить многие проблемы надежной эксплуатации тиристорного, реакторного и конденсаторного оборудования, важные вопросы теории управления ими, в частности, -определение реактивной мощности нестационарного режима сети, удовлетворяющее и сущности эдеиромагшгг-ного процесса, и общепринятым представлениям о векторной физически однородной взаимосвязи с активной мощностью ( или «ортомощноегь» -по терминологии акад. Демирчана К.С.), - закономерности взаимосвязи симметричных составляющих токов нагрузки и ортогональных составляющих токов Измерительного (ИО) и Исполнительного (Исп.О) Органов БС КРМ, - постановка и решение задачи синтеза Регулирующего Органа (РО) в соответствии с выбранным критерием, - выбор установленной мощности и её связь с быстродействием, рассмотрены с различной полнотой в относительно немногочисленных публикациях.

Данная работа выполнена в соответствии с целевой комплексной научно-технической программой 0.01.11 Государственного комитета по науке и технике (постановление N 526/260 от 22.12.80) часть 03. Построить системы электроснабжения промышленных предприятий содержащих источники реактивной мощности; а также - отраслевой научно-технической программой Минвуза «Экономия электрической энергии» (Пр. N 101 от 9.02.91).

Ц с'я ь ю работы является создание универсального частотного метода анализа и синтеза регулятора БС КРМ, на основе представления объектов и способов исследования: закономерность - анализ; модель -идентификация; критерий - алгоритм - синтез, в единой частотной форме, что позволяет наиболее наглядно решать основные задачи исследования:

- определение структуры электротехнического сигнала создаваемого РП - нагрузкой, что приводит к постановке задачи аналитического решения дифференциального уравнения для тока Ш - цепи с переменным параметром в биде акгавного сопротивления Я(();

- определение структуры БС КРМ в классе частотных следящих систем с амплитудно-фазовой модуляцией;

- анализ динамических погрешностей ИО и Исп.О БС КРМ;

- синтез оптимального РО идеальной модели БС КРМ, что ведёт к постановке задачи решения интегрального уравнения Гильберта;

- синтез квазиоптимального РО БС КРМ на основе дисперсного и частотного критериев динамической погрешности, допускаемой государственным стандартом на качество напряжения сети, что приводит к постановке задачи приближённого решения интегрального уравнения связывающего амплитудную (АЧХ) и фазовую (ФЧХ) частотные характеристики БС КРМ;

- синтез алгоритмов управления Исп.О компенсаторов токов нулевой, обратной и прямой последовательностей РП - нагрузки на основе ортогональных составляющих токов фаз сети;

- определение алгоритмов адаптивного управления Исп.О БС КРМ;

- создание инженерной методики синтеза регулятора БС КРМ.

Методы исследования. Для решения поставленных задач

использованы методы математического анализа - теорий рядов Фурье, функций Бесселя и Чебышева, дифференциальных уравнений, функций комплексного переменного с использованием функциональных преобразований Фурье, Лапласа, Гильберта; метод преобразования координат теории трёхфазных электрических цепей; методы робастиости (параметрической чувствительности), инвариантности, адаптации теории автоматического регулирования; методы моментов и характеристических функций теории случайных процессов; метод подобия математического (аналогового и цифрового) и физического моделирования.

Научная новизна. Разработаны основные положения частотной теории быстродействующего регулирования реактивной мощности в электрических сетях общего назначения:

- установлены закономерности формирования реактивной составляющей тока /¿¿-цепи в нестационарном режиме с изменяющимся активным сопротивлением, и прежде всего - сохранение функциональной ортогональности с активной составляющей тока, основывающиеся на результатах аналитического решения дифференциального уравнения с переменным параметром, математического и физического моделирования;

- определён единственный способ измерения без методической погрешности реактивной мощности нестационарного режима - синхронное детектирование ( в отличие от множества методически точных способов измерения реактивной мощности стационарного режима );

- выявлены и исследованы особенности динамических характеристик известных ИО и Исп.О БС КРМ и по единому критерию методической частотной погрешности проведён их сравнительный анализ;

- установлена взаимосвязь между ортогональными и симметричными составляющими (переменными) систем координат трёхфазной сети, что создаёт алгоритмическую основу проектирования РО БС КРМ, поскольку техническая задача компенсации РМ в трёхфазных сетях ставится в терминах симметричных составляющих, а измерение и регулирование РМ осуществляется ортогональными составляющими;

- определена методическая частотная погрешность синхронного фиксатора уровня сигналов (СФУС), являющегося адекватной моделью большинства ИО и Исп.О систем сетевой автоматики;

- определена полная : динамическая характеристика тиристорно-регулируемого реактора (ТРР) на основе результатов математического (цифрового, аналогового) и физического моделирования;

- найдено решение задачи синтеза оптимального РО идеальной модели БС КРМ в классе передаточных функций с ФЧХ арктангенсного типа;

- поставлена и решена задача синтеза квазиоптимального РО реальной БС КРМ по дисперсному и частотному критериям - требуемого снижения дисперсии колебаний (флуктуации) реактивного тока или напряжения сети; допустимого ГОСТом уровня дозы колебаний (фликера) напряжения сети; обеспечение требуемой АЧХ динамической погрешности компенсации РМ;

- доказана невозможность получения в классе дробно-рациональных функций передаточной функции форсирующего звена, создающего фазовое приращение, превышающее в эквивалентных единицах динамической погрешности компенсации собственную амплитудную погрешность, что указывает на необходимость компромиссного подхода при формировании АЧХ и ФЧХ регуляторов БС КРМ;

- предложены алгоритмы снижения параметрической чувствительности, повышения точности и энергетической эффективности регулятора БС КРМ на основе сигнальной, параметрической и структурной адаптации.

Практическая ценность. Выявленные закономерности поведения реактивной и активной мощностей в электротеской сети позволяют создавать быстродействующие датчики ортогональных составляющих (ДОС) не только для БС КРМ, но и других систем автоматического управления режимами электрических сетей, в частности - релейной защиты. Выявленные закономерности взаимосвязи ортогональных и симметричных составляющих токов трёхфазной сети позволяют создавать измерители показателей качества электроэнергии без применения традиционных фазосдвигающих помехочувствительных преобразователей, определять параметры трёхфазных электроприёмников-трёхполюсников с помощью четырёх ДОС, выбирать наиболее рациональные алгоритмы

управления компенсаторов негативных составляющих токов сети и пред-сказывагь требуемую установленную мощность Исп.О БС КРМ при известных вероятностных законах распределения мощностей негативных составляющих. Заложены основы инженерных расчётов динамических характеристик регуляторов БС- КРМ, а предложенные конкретные варианты АЧХ и ФЧХ регулятора открытой архитектуры могут служить фундаментом дальнейшего проектирования с учётом особенностей динамических характеристик сети с РП - нагрузкой.

Апробация1 работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих научно-технических заседаниях:

- Всесоюзная конференция «Новая техника в электроснабжении промышленных предприятий», Московский дом научно-технической пропаганды, Москва, 1983г.;

- Всесоюзное совещание «Преобразовательная техника в энергетике», НИИПТ, Ленинград, 1984 г.;

- семинар «Повышение качества и эффективности использования электроэнергии», Институт Электродинамики АН УССР, Киев, 1984 г.

- семинар «Вопросы измерения реактивной мощности», ВЭИ им.В.И. Ленина, Москва, 1984 г.;

- Всесоюзная конференция «Проблемы электромагнитной совместимости силовых преобразователей», Таллин, 1986 г.;

- семинары АН России «Кибернетика электрических систем», 15-19-я сессии, Новочеркасский государственный технический университет, 1993-1997 г.г.;

- конференция «Повышение эффективности работы систем электроснабжения и электрооборудования Кубани», Кубанский государственный технологический университет, 1995 г.;

- заседание кафедры Систем Автоматического Управления Таганрогского радиотехнического университета, 1995 г.;

- заседание кафедры «Электроснабжение промпредприятий» Нозо- • черкасского государственного техшиеского университета, 1995 г.;

- заседание кафедры Электротехники Кубанского государственного технологического университета, 1995 г.;

- объединённое заседание кафедр ф-та Электрификации. Ставропольской государственной сельхозакадемии, 1996 г.;

- расширенное заседание кафедры «Автоматизированных электроэнергетических систем и электроснабжения» Ставропольского государственного технического университета, 1996 г.;

- семинара кафедры Элеетротехнюси Московского государственного института стали и сплавов, 1996 г.;

- семинара лаборатории статических тиристотных компенсаторов реактивной мощности ВНИИ Электроэнергетики, Москва, 1996 г.

Внедрение результатов работы.

По ход)' выполнения научных исследований результаты внедрялись следующим образом:

- частотный метод оценки динамической точности БС КРМ использован в крупномасштабном физическом моделировании на МИС Тольят-тинского отделения ВЭИ им.В.И.Ленина при натурных испытаниях опытного образца советско - финского ТКРМ 10 Мвар. Для этого разработаны Программа и методика испытаний и нестандартизованные средства измерений, прошедшие метрологическую аттестацию (тема ВЭИ Е 1483081-4Е78 «Исследование устройств для повышения качества электроэнергии и надёжности комплексов оборудования, испытываемого на МИС г.Тольятга»);

- определение частотным методом динамических погрешностей быстродействующих датчиков реактивной мощности и реактивного тоха регулятора БС КРМ «NCC-10» фирмы «Nokia» с помощью разработанного универсального пульта-имитатора-контроллера, используемого также для проверки функционирования и определения динамических погрешностей основных узлов регулятора БС КРМ сети 35кВ на Молдавском передельном металлургическом заводе (ММЗ);

- синтез фильтров электротехнических сигналов напряжения синхронизации ТРР и мгновенной реактивной мощности РП - нагрузки регулятора ТКРМ, разработанного в ВЭИ по теме Е 1482032-3E71 «Система управления, регулирования, защиты и автоматики тиристорного компенсатора для Молдавского металлургического завода»;

- методика определения запасов устойчивости замкнутого контура регулирования ТКРМ сети 10 кВ ММЗ;

- синтез РО, обеспечивающего заданное подавление фликера (колебаний напряжешгя), схемотехническая реализация его режекгорных и форсирующих звеньев, анализ допусков энергетической характеристики Исп.О и адаптация его рабочей точки ТКРМ установленной мощностью 42 Мвар, разработанного ВНИИЭ для электрической сети 33 кВ Нанкинско-го металлургического завода;

- регулятор тиристорно-реакторного стабилизатора сетевого напряжения CT-i в системе электроснабжения тесто-дозирующей машины DE 2000 фирмы MIMAC (Италия) с управлением формовкой от микро-ЭВМ, чувствительной к 3-5 % - ым колебаниям напряжения сети 0,4 кВ Краснодарского хлебозавода N 6;

- анализатор режима электрической сети (АРС-1 ), разработанный по алгоритмам преобразования переменных систем координат симметричных и ортогональных составляющих для определения 9 основных показа-

телей режима: активной и реактивной мощностей, относительного значения отклонения напряжения, абсолютных значений токов и напряжений нулевой, обратной последовательностей и высших гармоник без разрывов цепей; что позволяет выбирать мероприятия по их нормализации в сетях промышленных и сельскохозяйственных предприятий; внедрён на предприятии ПКФ «Энергосбережение» г.Краснодара; экспонировался на выставке «Экономия топлива, электрической и тепловой энергии в народном хозяйстве» (ВДНХ - ВВЦ Москва, 1992);

- автоматический регулятор батареи конденсаторов ( АРБК-1 ), разработанный по принципу «управление по возмущению», что позволяет иметь одинаковые коэффициенты возврата на каждой ступени регулирования, уменьшая частоту коммутации секций батареи, с тиристорно - реакторным управлением магнитными пускателями, снижающим коммутационные перегрузки в 2-3 раза;

- методика кусочно-линейной аппроксимации статических характеристик функциональных преобразователей, позволяющая без определения координат узлов аппроксимации определять требуемые аппаратурные затраты, и устройства в наибольшей степени соответствующие её реализации типа «идеальный транзистор» и «дифференциальный сумматор токов с потенциально-стабильным входом» использованы при разработке прецизионного трёхпараметрического линеаризатора статической характеристики термоанемометра (тема N А - 71 - 374 - 76 Краснодарского отделения ВНИИ Источников тока);

' - фильтро-компенсирующее устройство мощностью 20 квар на осно-|ве разработанного силового фильтра Повышенной эффективности (почти I в 4 раза снижены потери в реакторах по сравнению с традиционной схемой), позволившее в 3 раза уменьшить коэффициент несинусоидальности напряжения сети 0,4 кВ, к которой была подключена фотоэлектрическая станция мощностью 25 кВт пос. Солнечный (Северский р-он, Краснодарский край ), разработанная, изготовленная и пущенная в эксплуатацию Краснодарским отделением ВНИИ Источников тока в 1986 году;

- режекторный фильтр промышленной частоты, используемый в РО БС КРМ для подавления апериодической помехи, был адаптирован к гиб-

■ ридной интегральной технологии и в виде толсто-плёночной микросхемы применяется в блоке спектрального анализа сейсмоприёмника геофизической разведки, разработанного Краснодарским НПО «Нефтегеофизпри-бор» в 1990 году;

- система автоматического управления силовой конденсаторной установки 140 квар с минимизацией числа коммутаций секций в сети 0,4 кВ Краснодарской опытно-показательной птицефабрики (разработана по хоздоговору N 72/90, внедрена в 1991 году);

- тиристорно-реакгорный регулятор подсушки реактивным током и высшими гармониками изоляции асинхронного электродвигателя в технологической паузе цеха дезъинфецирующих растворов Краснодарской опытно-показательной птицефабрики (разработан по хоздоговору N 107/89, внедрён в 1989 году).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 45 работ, из них 10 - авторские свидетельства на изобретения и патенты. Имеются публикации в научно-технических журналах Известия вузов Энергетика, Промышленная энергетика, Измерительная техника, Метрология, Известия вузов Электромеханика, Инструктивные указания по проектированию электротехнических промышленных установок. Девятнадцать работ, выполненные в соавторстве, подчинены общей проблеме развитая БС КРМ и концепции её решения, разрабатываемой соискателем, сформулировавшим основные идеи динамической идентификации и управления реактивной мощностью электрической сети с РП - нагрузкой.

Всего же опубликовано 70 работ, из них - 20 авторские свидетельства на изобретения и патенты.

Основные научные положения.

1. Теоретическое обобщение проблемы определения реактивной мощности нестационарного режима электрической сети с РП - нагрузкой и доказательство векторно - функциональной ортогональности реактивной и активной мощностей, что позволяет их измерять без методической погрешности только корреляционным методом и единственным способом -синхронным детектированием (или фазочувствительным выпрямлением).

2. Методологические основы построения требуемых динамической и энергетической характеристик БС КРМ - метод преобразования координат, метод векторов небаланса ортогональных составляющих, метод плоскости амплитудно-фазовых погрешностей.

3. Сравнительный анализ по единому критерию методической частотной погрешности компенсации динамических характеристик известных ИО и Исп.О БС КРМ.

4. Закономерности взаимосвязи симметричных и ортогональных со. ставляющих токов обобщённой РП - нагрузки.

5. Синтез оптимального РО идеальной модели БС КРМ в классе дробно-рациональных передаточных функций с ФЧХ аркгангенсного типа, формируемой только «полюсами» передаточных функций.

6. Синтез квазиоптимального РО реальной БС КРМ в классе дробно-рациональных передаточных функций с ФЧХ, формируемой и «полюсами», и «нулями» передаточных фунхций.

7. Синтез регулятора замкнутой БС КРМ по критерию 1(апкииста и достижения максимальной граничной частоты компенсации.

8. Закономерность взаимосвязи амплитудно-фазовых погрешностей форсирующего звена с передаточной функцией дробио-рационалыюго типа и динамической погрешностью компенсации БС КРМ.

9. Закономерности формирования методических погрешностей быстродействующих систем уравновешивания и симметрирования токов сети, пропорциональных начальным значениям коэффициентов неуравновешенности, несимметрии н реактивной мощности.

10. Алгоритмы снижения параметрической чувствительности, статической и динамической погрешностей, и повышения энергетической эффективности регулятора БС КРМ методами сигнальной, параметрической и структурной адаптации.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 7 разделов, заключения, приложения из 7 пунктов, подробнее раскрывающих детали содержания и внедрения результатов работы, библиографического списка из 404 наименований (55 - из зарубежных источников - оригиналов); общий объём работы составляет 5 страниц, из них 155 рисунков.

Автор выражает признательность сотрудникам кафедры ТОЭ Кубанского госагруниверситета и сектора СТК ВЭИ им.В.И.Ленина за помощь оказанную при проведении исследований и оформлении результатов работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении определена научно-техническая проблем а, решению которой посвящена работа, обосновывается её актуальность с учётом ширины фронта исследований, проводимых отечественными и зарубежными учёными в области КРМ. Указываются основные государственные научно-технические программы инициировавшие разработки БС КРМ. Формулируется цель работы и ставятся соответствующие задачи исследования. Показано в чём заключается научная новизна работы. Высказана научная гипотеза - наиболее адекватной (с позиции количественной оценки погрешности регулирования) формой представления реактивной мощности РП - нагрузки будет частотная, что также позволяет предположить инвариантность ортогональных соотношений не только составляющих полной мощности двухполюсника, но и симметричных составляющих полной мощности многополюсника, в частности -трёхполюсника и четырёхполюсника.

В первом разделе излагаются результаты общетеоретических исследований закономерностей поведения токов и напряжений электрической сети с РП -нагрузкой, содержащие:

- краткий обзор известных теоретических построений понятия реактивной мощности, их противоречивость в контексте решения важной научно - технической проблемы и гипотезу её разрешения;

- доказательство гипотезы на основе единства и методической точности результатов, полученых математическим и физическим моделированием тока Щ)Ь- цепи и аналитическим решением дифференциального уравнения с переменным параметром изменяющимся по гармоническому закону;

- анализ энергопотенциальных характеристик сета с РП - нагрузкой в частотной форме;

- преобразование переменных систем координат ортогональных и симметричных составляющих токов трёхфазной сети - как основу алгоритмизации БС КРМ;

- анализ взаимосвязи ортогональных и симметричных составляющих токов обобщённой РП - нагрузки с целью выявления закономерностей построения энергетической характеристики Исп.О БС КРМ.

Краткий обзор известных теоретических построений понятия реактивной мощности проведён по предложенной классификации в двух направлениях, диктуемых анализом любого понятия объективного~по содержанию и субъективного по форме. Так, по форме представления, выделяются векторные, спектральные, интегральные построения; а по содержанию - геометрической и формальной аналогии с активной мощностью, энергопотоковые, корреляционные.

Отмечено, что, чем больше фактов (несинусоидальность, несимметричность, нестационарность) пытались учесть исследователи в определении реактивной мощности, тем больше возникало противоречие между формой и содержанием. В результате, например, оказалось, что на основе . идеи повышения размерности векторного построения невозможно реализовать быстродействующего измерителя реактивной мощности, поскольку вычисление мощности искажения займёт время, как минимум, равное периоду учитываемой компоненты с наименьшей частотой из спектра субгармоник. Аналогичная проблема возникает при использовании интегральных по форме определений, имеющих наглядную геометрическую интерпретацию в виде динамических вольтамперных характеристик или графиков мгновенной мощности, отрицательный участок которых идентифицируется как реактивная мощность.

Важный вклад в решение проблемы определения реактивной мощности внёс 3. Новомейски, выдвинувший гипотезу о единственности адекватного оператора ортогонализании электротехнических сигналов тока и напряжения сети - оператора Гильберта, который в отличие от широкоис-пользуемых операторов ортогонализании интеграла и дифференциала при сдвиге всех спектральных составляющих на 90 эл. град, не изменяет их амплитуд. Но корреляционное по содержанию, определение 3. Новомейски осталось интегральным по форме, в чём по нашему мнению и кроется «корень» проблемы. Операция интегрирования, выполняя необходимую роль сглаживания методической помехи -синусоидальной составляющей частотой 100 Гц сигнала мгновенной реактивной мощности, как функционально-временная операция одновременно искажает и амплитуды, н фазы всех составляющих нестационарного сигнала огибающей мгновенной реактивной мощности, которые и.несут полезную информацию. Указанное противоречие возможно разрешить введением специального оператора сглаживания - низко-частотной фильтрации (НЧФ), выполняющего одновременно две функции - и подавления всех помех в диапазоне частот выше 25 Гц (методической, апериодической 50 Гц, высших гармоник), и пропускание без искажений полезного с Игната - огибающей мгновенной мощности в частотном диапазоне 0...25 Гц. Таким образом выдвигается гипотеза, что реактивная мощность в общем случае должна определяться следующим образом

£>(/)= НЧФ {¿(/)- Я [«(/)]}, где и(1) - мгновенные значения тока и напряжения ;

Н [ ] - оператор Гильберта.

Для доказательства данной гипотезы используются результаты математического и физического моделирования, поскольку природу явления и закономерности его развития возможно понять только обращаясь к его модели, отражающей наиболее существенные его стороны с возможностью абстрагирования от - несущественных. Такой достаточной моделью является неразветвлёиная цепь переменного тока с источником синусоидального напряжения и(() частотой со, с нндуктивностями сети ¿с и -нагрузки ¿я , а также - нагрузочным резистором, величина сопротивления [Щ которого модулируется по гармоническому закону с частотой хсо и амплитудой гнц-Ио , где тц<1 и Ко - величина статической составляющей, что даёт возможность сохранить методически важную величину щ<Ро = аз(Ьс + Ьц) 11(д - сот. Данная модель использовалась и отечественными, и зарубежными исследователями при качественном и количествен-

ном анализе комбинационных гармоник токов частотного детектора, угольного микрофона, дуговой электропечи.

Дифференциальное уравнение для тока ¡(1) цепи соответствует линейному уравнению с переменным параметром, решение которого в квадратурах известно. После преобразований получено известное выражение 1(1) в форме суммы основной и комбинационных гармоник, причём амплитуды комбинационных гармоник с частотами равноотстоящими от несущей частоты о не равны, поскольку более высокочастотные составляющие сильнее подавляются индуктивностью цепи. По этой причине тригонометрические суммы комбинационных гармоник непосредственно не приводятся классическими преобразованиями к произведениям, одним из сомножителей которого была бы синусная или косинусная функция несущей частоты.

Как известно, энергетическая структура переменного тока состоит только из двух составляющих: активной - синфазной и реактивной - пара-фазной. Чтобы к такой структуре свести выражение для ¡(1), предложено введение асимптотического ряда в дробно-рациональные функции амплитуд комбинационных гармоник. При этом знаменатели двух пар сопряжённых функций амплитуд комбинационных гармоник с частотами соответственно (/ - ¡а)со и (7 | кх)со преобразуются к виду

где к - целое число;

Як = )2/{1 + (й>Г)2 •[) + (Ьг)2]}

Максимальное значение Ци равно (юг)/^1 + {а)т)2 и всегда меньше 1. Следовательно, дробно-рациональная функция (I + д ¡. У1

может бьпъ представлена асимптотическим рядом 1 + £ (± 1)" д" .И тогда

»=1

все коэффициенты комбинационных гармоник с частотами равноотстоящими от несущей имеют одинаковые знаменатели, а числители отличаются только знаками, что и позволяет свести суммы сопряжённых пар комбинационных гармоник по классическим формулам к произведениям, одним из сомножителей которого будет либо синусная, либо косинусная функции несущей частоты. В результате получено выражение для иско-

мого тока в форме, соответствующей энергетической структуре электротехнического сигнала,-

/(/) = ^(í)cos cot + E(t)sin at,

qp

где A(t)= A0 + cos vxai + a2v sin vxtot). активная -

S(t)~ Б o + ¿ eos vxcot + b2v sin vxat) -реактивная

. >-=i

составляющие при напряжении источника u(t) - U\¡ coscot;

Ад, Бо - постоянные составляющие зависящие от х, т, г;

а, Ь- амплитуды гармонических составляющих зависящие отх, т, г, v.

По полученным формулам синтезированы функции A(t) и E(¡) для некоторых значений задаваемых параметров сот = 1; х = 0,1; тц = 0,25; 0,50; 0,75; 1,0. Их сравнение с аналогичными вторичным! электротехническими сигналами, полученными низкочастотной фильтрацией, в соответствии с вышеприведённым определением, первичных электротехнических сигналов тока, сформированных на цифровой и аналоговой моделях указывает на отсутствие методической погрешности корреляционного метода измерения реактивной и активной мощностей на основе низкочастотной фильтрации. Отметим, что инструментальные погрешности, вызванные в основном отклонением от нуля ФЧХ цифрового трёхкас-кадного «косинусного» программного сглаживающего фильтра и аналогового - пятнкаскадного, были учтены расчётным путём. Критерием оценки динамической погрешности измерения ортогональных составляющих тока (мощности) принят динамический коэффициент реактивной мощности Q/P =tgqifY={tg(po)l{\ xojí). Нарушение данного критерия с относи-

тельной погрешностью не более 5,5 % объясняется неточностью в оцифровке контрольных осциллограмм и суммарной погрешностью операций умножения сигналов трёх интегральных перемножителей сигналов типа К525ПС2Б аналоговой модели R(t)L - цепи и физической модели двух идентичных датчиков активной и реактивной мощностей. Любой другой .способ сглаживания электротехнических сигналов мгновенной мощности - интегрирование или синхронная фиксация уровней, нарушая данный критерий, будет создавать методическую погрешность.-

Знание аналитической функции электротехнического сигнала РП -нагрузки позволяет оценить погрешность подавления колебаний модуля вектора напряжения сети без учёта динамики активной мощности нагрузки. В наихудшем случае, при /п« = 1 и ха>= 8,8 Гц ; значение размаха колебаний напряжения будет не более 0,3 %, если отношение мощностей КЗ

ссти и технологического КЗ нагрузки не менее 20. Реально это значение будет в 3...5 раз меньше, поскольку среднестатистическое значение т-0,5. В сетях с РП - нагрузками такое отношение мощностей всегда соблюдается, поэтому подавление колебаний напряжения может опираться на управление только по реактивной мощности нагрузки.

Показано, что энергетическая структура электротехнического сигнала сохраняет свою форму и при несинусоидальном периодическом изменении Пренебрежение нелинейным характером вольтамперной характеристики Щ1) и её неоднозначностью позволяет использовать полученные аналитические результаты с погрешностью примерно 6 % для реактивной мощности и с точностью до токов высших гармоник с частотами кратными 50 Гц.

Анализ частотных характеристик энергопотенциальных показателей электрических сетей с различными РП - нагрузками систем электроснабжения сельскохозяйственных, промышленных, транспортных, горнодобывающих предприятий, полученных многими исследователями как дисперсно-корреляционными расчётами, так и аппаратными средствами, показал, что с позиции компенсации реактивной мощности их рационально разделить на ^ве группы - с граничными частотами 5 Гц и 25 Гц. А в качестве образцового, наиболее характерного по форме электротехнического сигнала следует принять «фликер-шум», спектральная плотность которого обратнопропорциональна частоте флуктуации со случайным характером причины возникновения. Именно с такой формой сигнал имеет равные дисперсии на частотных участках, для которых отношение ширины полосы пропускания к центральной частоте постоянно.

Знание частотных характеристик электротехнических сигналов РП -нагрузок позволяет ставить задачу проектирования регулятора БС КРМ методом частотных характеристик по четырём критериям эффективности: по степеням снижения дисперсий флуктуаций реактивного тока или напряжения сети; по достижению допустимого стандартом (ГОСТ 13109-87) значений дозы колебаний напряжения (фликера); по степени подавления колебаний реактивной мощности заданной частоты или определённого участка спектра.

Дисперсные критерии предлагается применять для РП - нагрузок первой группы с граничной частотой спектра 5 Гц. Отмечается, что метод частотных характеристик позволяет формировать «открытую» архитектуру регулятора БС КРМ, что значительно упрощает его доводку и настройку введением корректирующих звеньев. с заранее известными частотными характеристиками.

В работе установлена важная с позиции алгоритмизации регулирующего органа БС КРМ закономерность трёхфазной электрической сети-функционально-векторная связь между наблюдаемыми координатам» РП-нагрузки (ортогональными составляющими токов или мощностей; и выходными координатами системы (симметричными составляющими токов или мощностей сети). Эта связь наглядно представляется на плоскости небаланса ортогональных составляющих (НОС), оси ординат и абсцисс которой используются для нанесения активных и реактивных состав^ ляющих токов сети 1л ,1в ,?с ■ (рис.1-1). Центр «тяжести» (пересечение медиан) треугольника образованного концами векторов этих токов, является концом О вектора тока прямой последовательности /; . Вектор тока нулевой последовательности 1о равен полусумме векторов А!) и С'С. Вектор С'С равен по модулю (]/\/з)вс и отстаёт по фазе на 90 град, от вектора ВС. Вектор тока обратной последовательности находится из очевидного равенства 1о'+ Ь = ЛО . Если треугольник НОС равносторонний, то либо вектор нулевой, либо - обратной последовательности равны нулю, в зависимости от хода чередования вершин треугольника, поскольку при этом АО — ВО = СО = (1/\/з)йС . Отсюда для определения модуля I] в сети без нейтрали достаточно знать только расстояние (в масштабе) I между концами двух векторов токов, т.е. |/2| = //л/з . На основе этой зависимости получена формула =0,605Л/та.г, где А1тах - максимальное значение из трёх разностей между ортогональными составляющими токов, позволяющая строить соответствующие измерители с приведённой среднеквадратической методической погрешностью 4,2 %.

Установленные закономерности позволили найти важную с позиции -выбора энергетической характеристики Исп.О БС КРМ зависимость модуля тока обратной последовательности обобщённой РП - нагрузки (с произвольными несимметричными активными сопротивлениями фаз) I //1 , приведённого к значению тока технологического КЗ, от относительной величины реактивного тока прямой последовательности /*г. На рис.1-2 показаны графики граничных значений функции |/г| = /(/>), определяемые режимами обрыва фазы - ^¡1 *, /2 и двухфазного КЗ - ^/(1 -1', )/2 . В режиме однофазного КЗ взаимосвязь осуществляется по кривой элипсоидального вида - I"' )/ 2.

Во втором разделе представлен анализ частотных характеристик измерительных органов БС КРМ, основу которого составляет структурная классификация и определение динамических погрешностей по единому критерию - частотной погрешности измерения

С1т = 35

в *о = 0,5САО + С^С)

.____ _А „ V у / !\ 12 = 0.5СМ) - С?0

Г V ' / 1

л*/ / / V / /У' / // 1 / // 1 /1 ! { /X V \ 1 \\1 ^^л > ^т! 1 1 с ( I 1 1 1 1 С* |свс|=с1/-{зз- в: &

Рис. 1-1. определение симметричных составляющих посредством известных ортогональных на плоскости небаланса ортогональных составлящш с НОС}

Рис. 1-2. Зависимость модуля тока обратной последовательности от величины реактивного тока обобщенной РП-нагрузки

реактивной составляющей нестационарного тока сети, модель электротехнического сигнала которого получена в первом разделе.

Измерительные органы БС КРМ являются относительно новым подклассом большого класса ИО сетевой автоматики, предназначенные для быстродействующего определения параметров режима элекгрггческой сети с целью последующего управления им по заданному закону. Под быстродействующим определением параметров режима нами понимается такой процесс измерения (наблюдения), в течение которого за минимально-возможное время,, соизмеримое с периодом сетевого напряжения, с наперёд заданной погрешностью идентифицируется электротехнический сигнал адекватно отображающий состояние сети. Под параметрами сигнала понимаются показатели его оценки, определяемые либо физическими операторами (дискретной выборки или фиксации мгновенных значений, непрерывного сглаживания или низкочастотной фильтрации), либо - математическими (дифференцирования, интегрирования, преобразования п ряда Фурье).

Исходным в структурной классификации ИО БС КРМ является функциональная законченность пяти независимых узлов или звеньев. Первый узел ИО - первичные преобразователи токов и напряжений сети, на выходе которых формируются первичные электротехнические сигналы с номинальными величинами 5 (1) А и 100 В. Их динамическими погрешностями по условиям БС КРМ можно пренебречь, поскольку в диапазоне частот от 25 Гц и до 1000 Гц их АЧХ не отличаются от 1 на величину большую, чем основная погрешность, а ФЧХ не превышает + 0,3 рад на частоте 25 Гц, практически не отличаясь от нуля в наиболее важном диапазоне частот от 35 до 65 Гц.

Второй узел ИО - вторичные преобразователи токов и напряжений, масштабирующие первичные электротехнические сигналы по модулю до единиц милигмпер и воль т. Использование «активных» трансформаторов, являющихся замкнутыми системами регулирования с отрицательной обратной связью по магнитному потоку сердечника, позволяет иметь динамические погрешности соизмеримые с погрешностями первичных преобразователей.

Третий узел ИО - амплитудно-фазовые корректоры (АФК), предназначенные для коррекции АЧХ и ФЧХ первичных электротехнических сигналов, как напряжения, так и тока.

Четвёртый узел ИО - перемножитель сигналов (ПС) тока и напряжения в датчиках ортогональных составляющих (ДОС) или - сигнала и его «сигнум-функции» в измерителях модуля. Выходной сигнал ПС- вторичный электротехнический сигнал или сигнал мгновенной мощности (при

непрерывном перемножении ), полезная компонента которого определяющая его качество (активная или реактивная) зависит от фазы опорного сигнала формируемого из напряжения сети и её спектр заключён в диапазоне частот от 0 до 25 Гц. Все другие сигналы - помехи. Методическая - с центральной частотой 100 Гц, «апериодическая» - с центральной частотой 50 Гц , высших гармоник - с центральными частотами (2£+1)50Гц. При дискретном перемножении, когда опорный сигнал обозначает только начальную фазу напряжения сети формируется сигнал ортогональной составляющей тока с теми же частотными соотношениями полезной компоненты и помех.

Пятый узел ИО - усреднитель выходного сигнала ПС предназначен для подавления помех. Данный узел вносит наиболее заметные динамические погрешности.

Проведён анализ динамических погрешностей АФК двух типов. Полосовых фильтров (ПФ) первичных электротехнических сигналов тока и напряжения, которые используются в ИО БС КРМ фирм «Nokia», «Jeumont Schneider»; и фазовых корректоров (ФК), реализующих идею подавления методической помехи на основе расщепления и биполярного фазового смещения первичных электротехнических сигналов тока и напряжения, которые используются в ИО БС КРМ некоторых ведущих фирм. Основными причинами динамической погрешности ПФ являются отклонение АЧХ от 1, причём - несимметрично относительно центральной частоты 50 Гц, и отклонение ФЧХ от 0, причём несимметрично относительно центральной частоты не только по величине, но и знаку. И чем более помехоустойчив (избирательнее или селективнее) ПФ, тем выше его динамическая погрешность. Расчёт конкретного ПФ ф. «Nokia» показал, что относительная динамическая погрешность измерения амплитуды переменной компоненты реактивной составляющей тока частотой 10 Гц имеет величину 35 %, а - 25 Гц - 100 %.

Те же причины являются основными в формировании динамической погрешности ФК, выполняющих роль компенсаторов методической помехи. Кроме того дополнительная погрешность возникает от разбаланса знаков и крутизны наклона АЧХ двух каналов расщепления сигналов тока и напряжения и их биполярного фазового смещения на + 45 эл.град. и минус 45 эл.град. Расчёт показал, что относительная динамическая погрешность измерения реактивной мощности с частотой огибающей 10 Гц равна 5 %,- 25 Гц - 15 %. Но полностью пропускается апериодическая помеха и возникает паразитный эффект «пролазания» методической помехи: при частоте модуляции 10 Гц погрешность достигает 10 %, при 25 Гц - 35 %.

Аналогичны динамические погрешности измерения амплитуды переменной составляющей реактивной мощности ИО с ФК на основе фазового смещения по двум каналам соответственно 0 и минус 90 эл. град. Но в этом случае фазовая погрешность в два раза больше, - на частоте 10 Гц -0,1 рад, на - 25 Гц - 0,25 рад.

По результатам исследования АфК на базе ПФ и ФК сделан вывод о нерациональности каких-либо амплитудно-фазовых преобразований первичного электротехнического сигнала тока до операции перемножения с опорным сигналом напряжения сети, поскольку при этом возникают нелинейные (интермодуляционные) искажения огибающих ортогональных составляющих измеренного нестационарного тока РП - нагрузки.

Исследованы пять распространённых способов усреднения выходного сигнала ПС. В трёх из них применяется синхронный фиксатор уровня сигналов (СФУС), для которого в частотной форме найдены основная и дополнительная динамические погрешности, что позволило определить методические погрешности ДОС тока на основе двухпозиционного точечного умножителя и циклического усреднителя - фиксатора, используемого в разработках БС КРМ ф.»Оепега1 Electric», «Mitsubishi» и других; -ДОС мощности на основе| аналогового умножителя и циклического усреднителя - фиксатора, применяемого в БС стабилизации активной мощности; - ДОС тока на основе двухпозиционного интервального умножителя и циклического усреднителя - интегратора, применяемого в регуляторе БС КРМ ф. «Westinghouse Electric». Расчётные основная и дополнительная динамические погрешности этих трёх ДОС оказались на уровне 40...60 % уже при чгстоте модуляции 10 Гц, что подтверждено результатами проведённых нами экспериментальных исследований ДОС данного типа ф. «Nokia».

Промежуточное место между дискретными (циклическими) и непрерывными усреднителями занимает «скользящий интегратор» (СИ). Его математическая модель была описана акад.А.А.Красовским, но реализован СИ был специалистами ф. «Westinghous Electric» для ИО БС КРМ РП -нагрузок типа дуговых печей. Анализ частотных характеристик СИ показал, что его динамическая погрешность равна основной динамической погрешности СФУС, т.е. на частоте 10 Гц - 31 %, на частоте 25 Гц -75 %. Таким образом, СИ имеет наименьшую динамическую погрешность из всех дискретных усреднителей.

Пятым наиболее перспективным типом усреднителей или, в данном случае, сглаживателей выходного сигнала ПС являются фильтры низкой частоты (ФНЧ). Их перспективность состоит в ток', что их АЧХ и ФЧХ допускают корректировку, хотя и с определенными ограничениями, на-

кладываемыми преобразованием Гильберта для минимально-фазовых цепей (неминимально - фазовые четырёхполюсники не рассматриваются из-за худших фазовых характеристик) и известной теоремой Ланнэ-Живица.

Цель проектирования усреднителя - ФНЧ состоит в получении единичной АЧХ и нулевой ФЧХ в диапазоне частот 0...25 Гц и нулевой АЧХ выше 25 Гц. Неучёт возможностей коррекции ФЧХ усреднителя - ФНЧ породил у многих пользователей ДОС негативное отношение к ФНЧ. В частности, при испытаниях серийных однофазных преобразователей активной и реактивной мощности типов М 1051... 1056, выполненных на базе ФНЧ 4-го порядка с аппроксимацией АЧХ полиномом Батгерворта получено время задержки отклика не менее 30 мс, что, конечно, хуже времени чистой задержки 5 мс у СИ. Но отметим разницу в подходах к полученным временным оценкам, - для СИ это групповое время задержки (ГБЗ), а дня ФНЧ - параметр переходной функции. Для данного ФНЧ в диапазоне частот 0...15 Гц ГВЗ не превышает 12 мс, что уже в принципе сопоставимо. К тому же надо учесть, что СИ не подавляет апериодическую помеху, а ФНЧ её подавляет в 10 раз (20 дБ).

В связи с подобной противоречивостью оценок проанализированы переходные функции и АЧХ, и ФЧХ различных ФНЧ; пасивных - как на базе лестничной RC - структуры с прогрессивно изменяющимися параметрами звеньев, так и - LC- структуры согласованной с нагрузкой; активных и цифровых ФНЧ. Отмечена перспективность для ИО БС КРМ только активных и цифровых ФНЧ. Наиболее плодотворными идеями повышения их динамической точности являются:

1. Введение в полиномиальный фильтр режекторного фильтра 2-го порядка (РФ-2) с передаточной функцией дробно-рационального вида

H(jx)^a+jxD-x2)/a+jxd-х2), (2.1)

где х =о) /сод- относительное значение частоты;

Шо - частота квазирезонанса («нуля» и «полюса»);

D,d- коэффициенты демпфирования «нуля» и «полюса». Цель - подавление методической помехи (100 Гц) в ДОС ИОБСКРМ ф. «Jeumont Schneider» (1979 г.), реализация на базе пасивного RC-четырёхполюсника («TT- мост») с низкодобротным «полюсом»(^ = 4) и высокодобротным «нулём» (D <<d) ;

2. Введение нескольких РФ-2 имеющих среднедобротные «полюса» (d=2) и высокодобротные «нули», подавляющие помехи: - и методическую, и апериодическую, и высших гармоник, что позволило сдвинуть

часюты «полюсов» полиномиальных звеньев ФНЧ за 50 Гц, заметно уменьшив их влияние на отрицательный фазовый набег;

3. Целенаправленная коррекция АЧХ и ФЧХ ФНЧ введением форсирующих звеньев (ФЗ) с низкодобротными «нулями» (D > 2) и средне-добротными «полюсами» (d = 2), что позволило реализовать заданный коэффициент компенсации флуктуации реактивной мощности частотой 10 Гц;

4. Введение высокодобротных РФ-2 (d < 1) со среднедобротными «нулями» (D/d = 0,5), что позволяет реализовать АЧХ ФНЧ подавляющие помехи с необходимой погрешностью при минимально-возможной фазовой погрешности;

5. Целенаправленная коррекция введением ФЗ с высоко добротными «полюсами» (d< 1) и минимально-возможным коэффициентом форсиров-ки (D/d = 1,1), что позволило реализовать максимально-возможное быстродействие БС КРМ пря компенсации флуктуаций реактивной мощности в широком диапазоне частот от 0 до 25 Гц.

Устройства по n.2U5 разработаны автором и реализованы на базе активных ÄC-цепей для БС КРМ ф. «ВЭИ» и «ВНИИЭ».

Проведён сравнительный анализ цифровых ФНЧ используемых в БС релейной защиты («синусный»фильтр 13 порядка разработки МЭЙ), КРМ ( «косинусный» фильтр с бесконечным числом высокодобротных «нулей» ф. «Hokkaido Danreyku») и измерительной техники (нерекурсивный фильтр - скользящий усреднитель ). Определены амплитудно-фазовые погрешности этих фильтров, показано, что цифровой скользящий усреднитель является аналогом СИ, а «косинусный» фильтр нельзя использовать для целей КРМ РП - нагрузок, т.к. он не подавляет апериодической помехи и помех от 3,5,7- ой высших гармоник тока сети. (На особые динамические свойства «косинусного»фильтра обратил внимание ещё в 1960 году проф.Уланов Г.М. используя его структуру для перевода системы регулирования в инвариантную к возмущению с улучшением переходного процесса.)

Приведены результаты экспериментальных исследований динамических характеристик в частотной и временной формах датчиков реактивной мощности QP-401 А на базе циклического усреднителя - интегратора, реактивного тока ЗСМ01 на базе циклического усреднителя - фиксатора (используемых в ИО БС КРМ ф. «Nokia») и датчика реактивной мощности на базе непрерывного усреднителя -ФНЧ, разработанного автором. Наглядная и объективная сравнимость результатов обеспечена единством алгоритмов задания входных воздействий и получения оценок динамических погрешностей с помощью разработанного автором источника поверочного сигнала пульта-имитатора-контроллера. Подтверждены уста-

новленные закономерности возникновения амшппудно - фазовых погрешностей ИО н их взаимосвязь с динамической погрешностью компенсации, составившей для указанных датчиков на частоте 10 Гц соответственно 50,30 н 20 %,

В третьем разделе дан анализ частотных характеристик Исп.О БС КРМ с целью определения их потенциальных возможностей по реализации требуемого быстродействия. Критерием оценки как;И в анализе ИО принята граничная частота динамической погрешности компенсации. И, поскольку для Исп.О любой системы регулирования важным показателем является управляемость, вторым критерием оценки Исп.О БС КРМ приняты характеристики управляемости, формируемые методом параметрической чувствительности.

С целью выделения наиболее важных и общих признаков Исп.О принята их классификация по физической сущности процесса формирования реактивной мощности. Выделены два вида Исп.О - генераторные и параметрические. Генераторные, принцип действия которых основан на создании в контуре с сетью протаво - ЭДС, подразделяются на два подвида: непрерывные (синхронные компенсаторы (СК)) (предложены в «конце 19 века М.О.Доливо-Добровольским) и дискретные (синхронные электронные автономные инверторы напряжения (ИН)) (предложены проф. Зиновьевым Г.С. и Л.Жужи в 1975 году). Они могут генерировать в сеть реактивную мощность обоих знаков. Параметрические, действие которых основано на создании тока, вектор которого ортогонален вектору сетевого напряжения, за счёт действия магнитной или электрической индукции, подразделяются на два подвида: индуктивные и емкостные. Индуктивные Исп.О создают реактивную мощность положительного знака, емкостные -отрицательного ( предложены в начале века Ч.П.Штейнмецем и П.Бушеро).

Аналитически исследованы динамические характеристики непрерывно-регулируемых Исп.О по отклику на амплитудно-модулированное воздействие. Ток СК кроме полезной реактивной составляющей содержит и паразитную - активную, причём - знакопеременную. На ротор СК кроме уравновешенных синхронного и реактивного моментов действует знакопеременный момент, приводящий к раскачиванию. Возникают дополнительные потери энергии и при некоторой амплитуде происходит потеря устойчивости. Регулирование СК по принципу «управление по возмущению» ( без обратной связи по току) сопряжено с нелинейным эффектом -зависимостью амплитуды динамической составляющей от частоты модуляции. Знание постоянной времени динамической модели СК в виде апериодического звена позволяет определить основную динамическую погрешность компенсации д=\-Щса) . При этом граничная частота Уг ком-

пенсации, определяемая по уравнению <> (/г) = 0,5 составляет 1 Гц. Недостатком СК является невозможность симметрирования токов.

Ток конденсатора переменной емкости кроме полезной реактивной составляющей также содержит паразитную - активную, причём знакопеременную. Конденсатор обменивается энергией с источником механической работы на частоте модуляции по валу электропривода, что не разрешает применение данного Исп.О в БС.КРМ.

Ток управляемого реактора (УР) не содержит паразитной активной составляющей, но несинусоидален. По известным результатам, полученным отечественными и зарубежными исследователями, определена /г величиной 3 Гц. ''

Таким образом, непрерывно-регулируемые Исп.О способны подавлять колебания реактивной мощности с граничной частотой спектра менее 3 Гц.

Исследованы динамические погрешности дискретно - регулируемых Исп.О. В частности для генераторных - на основе результатов, полученных зарубежными специалистами, предложившими математическую модель Исп.О на базе НН в форме дифференциального уравнения 3-го порядка или в частотной форме передаточной функции полиномиального вида, два комплексно-сопряжённых «полюса»которой отображают относительно высокую частоту искусственной коммутации вентилей ИН не оказывающих заметного воздействия на динамику огибающей реактивного тока, установлена /г равная ,30 Гц.

Емкостные дискретно - регулируемые Исп.О или контакторно - и тиристорно - регулируемые батареи конденсаторов (ТРБК) адекватно моделируются в динамике СФУС с периодом дискретности 1 с и 20 мс, соответственно. При этом /г контакторных и ТРБК имеет величины 0,16 Гц и 8 Гц, соответственно, что позволяет рекомендовать ТРБК для использования с такими нагрузками как электропривод колебательного движения.

Индуктивные дискретно - регулируемые Исп.О в .однофазном исполнении - тиристорно - регулируемый реактор (ТРР), в трёхфазном ти-ристорно-реакторная группа (ТРГ). Кроме того в трёхфазном исполнении применяются две «мостовые» схемы - с реактором в цепи постоянного тока и - с фазными реакторами, а также - «лучевая» трёхреакгорная схема с управлением тиристорным «треугольником». «Лучевая» схема в динамике адекватно моделируется СФУС с временем дискретности 10 мс. Поэтому её /г равна 16 Гц. Аналогично моделируется мостовая схема с фазными реакторами. Более динамична мостовая схема с реактором в цепи постоянного тока, поскольку её время дискретности составляет 3,3 мс. Но

недостатком трёх последних Исп.О является невозможность симметрирования токов сети.

Именно возможность симметрирования делает ТРГ наиболее перспективным Исп.О БС КРМ, поэтому исследованию динамической характеристики ТРР, как основы ТРГ, посвящено значительное количество работ. Анализ результатов семи наиболее известных работ показал их достаточную противоречивость. Поэтому динамические погрешности ТРР исследованы с помощью имитационной математической модели и подтверждены физическим моделированием. С погрешностью не более 10 % динамическая характеристика ТРР в диапазоне частот 0...25 Гц может отображаться одной из передаточных функций следующих звеньев: апериодического, СФУС, «косинусного» цифрового фильтра. С целью выбора передаточной функции наиболее соответствующей ТРР в диапазоне частот до 50 Гц проведены эксперименты с интегральным контуром автоподстройки ТРР, позволившие определить по критерию устойчивости Найк-виста фрагменты АЧХ и ФЧХ в области частоты 50 Гц из условия возникновения автоколебаний. С погрешностью не более 12 % по АЧХ и 5% по ФЧХ в области частот 0...50 Гц передаточная функция ТРР аппроксимируется передаточной функцией СФУС. При этом погрешность нелинейности оценивается фазовой погрешностью от нучёта модуляции периода дискретности или максимальным фазовым расхождением от девиации угла управления тиристора величиной (+/-) 2,5 эл.град, в области частоты 25 Гц.

Анализ управляемости по показателям стабильности (робастности, чувствительности) и функционального качества статической характеристики Исп.О показал, что генераторные Исп.О имеют высокую чувствительность к отклонению напряжения сети и значительную крутизну статической характеристики, что делает невозможным их жёсткое управление вычислительного типа без обратной связи. А введение обратной связи по реактивному току приводит к установке ДОС, имеющего как показано выше, значительные динамические погрешности. Все эксперименты проведённые зарубежными специалистами с Исп.О на базе ИН выполнялись с замкнутой системой регулирования тока и обеспечивали /г не более 5 Гц. Поэтому единственным Исп.О для БС КРМ РП - нагрузок создающих спектр флуктуаций тока до 25 Гц может быть ТРР.

Выполнен анализ чувствительности реактивной мощности ТРР к отклонению напряжения сети для 6 вариантов линеаризации статической характеристики управления и её синхронизации с сетью. Показано, что лучшую стабильность обеспечивает непрерывная синхронизация и линеаризация управляющего сигнала. Для построения Исп.О инвариантного к основным возмущающим факторам ( отклоненче напряжения сети, от-

клоненне индуктивности реактора от расчётной, отклонение коэффициента передачи системы импульсно-фазового управления (СИФУ)) предлагается мишшизатор токовой погрешности ТРР с быстродействующим идентификатором и введение сигнала адаптации как аддитивно, так и мультип-лякзтито. В последнем случае заметно уменьшается «время подтягивания» контура адаптации.

Исследованы энергетические характеристики ТРР. Структурная и параметрическая оценка эффективности Исп.О показали, что наиболее рациональной структурой ТРР является структура из двух параллельных биполярных тиристорно-реакторных ветвей ТРР - 2. Она позволяет расширить линейную область работы и повысить устойчивость синхронизации, поскольку открытие одного тиристора не зависит от закрытая другого. Согласно предложенного интегрального критерия оценки нелинейных искажений тока определён оптимальный диапазон изменения углов управления тиристоров - 65 эл.град, (от минус 20 до + 45 эл.град.), что соответствует рабочему диапазону реактивного тока 1В дБ (кратностью - 8 ), приведённой погрешности от высших гармоник не более 9,5 %.

В четвёртом разделе проводится частотный анализ и синтез регулирующего органа (РО) БС КРМ в два этапа: сначала на идеализированной модели (ИМК) без учёта динамических погрешностей ИО и Исп.О, а затем - с учётом этих погрешностей. На рис.4-1 представлена рассматриваемая 1-|МК, являющаяся системой автоматического регулирования инвариантной к возмущению определённого вида - ортогональной составляющей тока. Её построение основано на принципе даухканально-сти акад. Б.Н. Петрова. В теории фильтров данная структура называется параметрическим или синхронным режекторным фильтром, принцип действия которого предложен в 1941 году советским инженером В.И. Юзвинским. В теории следящих систем на несущей переменного тока динамические свойства подобных преобразователей с модуляцией и демодуляцией определяются передаточной функцией РО по отношению к огибающей полезного сигнала.

Используя векторное уравнение реактивных токов сети, нагрузки и компенсатора определена динамическая погрешность компенсации как скалярная функция АЧХ и ФЧХ РО ИМК

#(й))= л/1 -2Я(й>)соэ(р{со)+Н2(со) ,, (4.1)

где Н(а>), у{в>) - АЧХ и ФЧХ РО.

Рис. k~i - Идеализированная модель быстродействующей системы компенсации СУИЮ ортогональной составлящей тока сети

Н(Х)......

\ ...........

i\

i'M А

1Í и V I

п Щ\ лПА* А X

w \ V V У \ ч 10 13

Г

Т-" '

Рис. 4-2. частотные характеристики необходимой части дробного фильтра РО, подавляющего помехи вторичного электротехнического сигнала, БС KFM РП-нагруэки-тапа злектродугоеой печи. Единица масштаба частот - 100 Гц

Постановка задачи синтеза оптимального РО ИМК.

Динамические свойства ИМК описываются передаточной функцией РО /i(jft>), динамическая погрептость компенсации <5(й>) связана уравнением (4.1) с Н(со) и <р(а>), амшпггуды входных и выходных сигналов не превышают границ рабочих диапазонов всех звеньев ИМК и сети. Требуется определить параметры реализуемой передаточной функции РО, которая бы удовлетворяла требуемой основной погрешности компенсации.

Решение поставленной задачи базируется на известной теореме Лаинэ-Живица, обосновывающей возможность построения минимально-фазового четырёхполюсника с одновременно заданными в некоторой полосе частот АЧХ и ФЧХ произвольной формы за счёт неконтролируемого поведения АЧХ и ФЧХ на других интервалах частот. Но дашгая теорема не даёт методики такого построения.

Учитывая сложность задачи поиск её решеши разбит на две части. В первой - определяется H(ja>) исходя только го требований минимизации динамической погрешности. Во второй - вносятся коррективы по допускаемому уровню подавления методической и апериодической помех.

Исследованием на экстремум (4.1) установлено, что динамическая погрешность ¿Цсо) минимизируется при условии #(й>)= cos р((о) и для оп- . тимальной передаточной функции РО тогда справедливо равенство fX<w)=sinp(ffl). Указанная функциональная связь между АЧХ и ФЧХ оптимизирует ИМК как с позиции минимальности погрешности компенсации при заданной ФЧХ, так и с позиции минимальности рабочей мощности Исп.О при заданной погрешности компенсации. В общем случае определение (f{a) через Н(а>) может быть выполнено на основе интегрального уравнения Гильберта, устанавливающего взаимо-однозначное соответствие между мнимой.и действительной частями аналитической функции. Но общего аналитического решения ''данного уравнения нет, поэтому для . определения его частных решений используется метод подстановок.

Пусть ФЧХ Ю линейная функция частоты ( gi.a>) - - wT). После преобразовании получена передаточная функция «косинусного» цифрового фильтра. Коэффициент Т (время дискретизации) находится из условия подавления методической помехи. Серьёзным недостатком данного РО являются значительные дополнительные динамические погрешности, анализ которых дан во 2-ом разделе.

Пусть ФЧХ РО нелинейная функция частоты.

1. <р(а) = - arctgiof. Получена передаточная функция апериодического звена 1-го порядка. Величина коэффициента Т определяется из условия требуемого подавления помех.

2. <f(co) - - arctg юГ; -arctg£t>7>. В этом случае получена передаточная функция низкодобротного РФ - 2. Рассматривается только случай Г/ = Т2 , минимизирующий динамическую погрешность. Величина Г находится из условия подавления методической помех.

3. = -п arctgозТ. Получена АЧХ РО, выраженная через функцию Че-бышева 1-го рода, - #(«) = Тп [cos arctg(&I)]. После перевода в полиномиальную форму определено, что передаточная функция является дробно-рациональной функцией с равным числом «нулей» и «полюсов». Характеристическое уравнение РО с такой АЧХ имеет биноминальную стандартную форму, поскольку все его корни одинаковы. Переходная функция такого ГО - монотонная, что указывает на низкую добротность «полюсов». Реализация должна производится каскадом из и/2 низкодобротных РФ-2. С ростом числа каскадов динамическая погрешность асимптотически приближается к величине 13 % на частоте 10 Гц.

4. (¡^со) = -п aicXglaTd/il-cfT2), где d - коэффициент демпфирования. Поскольку динамическая погрешность пропорциональна величине ncoTd, то возможно уменьшить погрешность выбирая соответствующие значения d. Но при этом значительно сужаются полосы режекции ГО, частоты «нулей» не кратны 50 Гц и дополнительные динамические погрешности от боковых лепестков помех имеют значительные величины.

Таким образом оптимальный по критерию требуемой основной динамической погрешности РО не удовлетворяет требованию необходимого подавления помех.

Постановка задачи синтеза квазиоптимального РО ИМК.

Найти параметры передаточной функции РО, удовлетворяющие требованию максимальной граничной частоты компенсации ИМК с учётом дополнительной динамической погрешности от пропускания методической помехи.

Предварительно получены и исследованы квазиоптимальные РО па базе полиномиальных фильтров k-го порядка Ньютона, Баттерворта, Бесселя и Чебышева. Показано, что максимально достижима граничная частота компенсации 8...9 Гц при небольших порядках фильтров (3...5) и допустимых коэффициентах пропускания методической помехи. Синтез квазиоптимального РО ИМК на базе дробных фильтров (ДФ) (каскадное соединение звеньев с передаточной функцией вида (2.1)) выявил преимущество последних, заключающееся в том, что подавление помех осуществляется избирательно в заданных областях частот за счёт действия «нулей» передаточной функции, не вносящих отрицательного фазового сдвига.

Показано, что РО с ДФ обладает в 2...3 раза большей граничной частотой компенсации, чем РО на базе полиномиальных фильтров при одинаковых подавлениях методической помехи. Приводятся методика реализации дробных фильтров, примеры реализации с рассчитанными и экспериментальными коэффициентами параметрической чувствительности.

Синтез квазиоптимального РО реальной БС КРМ, основываясь на предыдущих результатах, опирается и на результаты идентификации электротехнических сигналов создаваемых РП - нагрузками, которые разбиты на 4 наиболее типичные группы и для них синтезированы соответствующие РО БС КРМ. Учитывая открытость архитектуры РО, построенного методом частотных характеристик, в каждом конкретном случае возможно введение дополнительной коррекции с помощью звена с известной частотной характеристикой.

К 1-ой группе отнесены РП - нагрузки создающие только флуктуации тока основной гармоники в диапазоне частот 0...5 Гц. Такую нагрузку обычно формирует асинхронный привод колебательного движения. Ко 2-ой группе отнесены РП - нагрузки вызывающие колебания в диапазоне частот 0...5 Гц тока основной и нечётных высших гармоник. Такую нагрузку формирует вентильный электропривод. К 3-ей группе отнесены РП

- нагрузки генерирующие дополнительно и чётные гармоники. Такой спектральный состав характерен для электросварочных установок. К 4-ой группе отнесены РП - нагрузки вызывающие спектр флуктуации реактивной мощности в диапазоне частот от 0 до 25 Гц с помехами всех видов. Такую нагрузку на сеть создают электродуговые печи. Спектральная плотность флуктуации реактивной мощности всех РП - нагрузок принята в форме «фликер- шума».

Постановка задачи синтеза РО БС КРМ в частотной области помех выше 25 Гц

Определить параметры аппроксимирующей функции Н (со) ограничивающей сверху АЧХ РО в области боковых лепестков спектра помех таким образом, чтобы соблюдалось равенство допустимых действующих значений помех с центральной частотой и боковых лепестков.

Действующие значения помехи боковых лепестков определяются известным интегральным выражением статистической электротехники, а

- помехи с центральной частотой - по коэффициенту подавления применяемого ДФ. Таким образом были получены необходимые АЧХ и ФЧХ РО обеспечивающие требуемое подавление помех, содержащихся во вторичных электротехнических сигналах РП - нагрузок 4-х групп. На рис.4-2 в качестве примера представлены АЧХ и ФЧХ РО для РП - нагрузок 4-ой

группы. Эти графики наглядно демонстрируют преимущество синтеза в классе дробно-рациональных функций - согласно интегральных соотношений Гильберта и Боде крутизна наклона ФЧХ (значит и - время задержки) будет тем меньше, чем больше будет площадь под кривой АЧХ.

Постановка задачи синтеза РО БС КРМ в частотном диапазоне полезного сигнала - 0...25 Гц

Определить параметры требуемых АЧХ Н (со) и ФЧХ (р (си) РО, удовлетворяющих одному из 4-х критериев требуемой динамической погрешности компенсации:

- заданной степени снижения дисперсии огибающей флуктуирующего реактивного тока (реактивной мощности) сети;

- заданной степени снижения среднеквадратического значения флуктуации огибающей амплитуд напряжения сети;

- обеспечения допустимого по ГОСТ 13109-87 уровня дозы колебаний огибающей амплитуд напряжения сети (дозы фликера);

- заданной степени подавления колебаний реактивного тока (мощности) в определенных диапазонах частот.

Дисперсные критерии использованы для синтеза РО БС КРМ РП - нагрузок с граничной частотой спектра 5 Гц, частотные - 25 Гц. Весовая функция зрительного анализатора задаваемая ГОСТ 13109-87 аппроксимирована кусочно-линейной ступенчатой функцией на 8 интервалах диапазона частот от 0 до 25Гц, что позволило производить интегрирование спектральных функций флуктуации напряжения в аналитическом виде поин-тервально с целью получения суммарной дозы фликера. С помощью предложенного графоаналитического метода плоскости амплитудно-фазовых погрешностей компенсации показано, что для получения требуемой динамической погрешности компенсации РМ при сохранении необходимых АЧХ и ФЧХ в частотной области помех необходима коррекция ФЧХ в диапазоне частот полезного сигнала. Коррекция должна производится с целью уменьшения отрицательной крутизны ФЧХ за счёт некоторого допуска на подъём АЧХ до получения допустимых амплитудно-фазовых погрешностей компенсация, т.е. - требуемой динамической точности.

Произведённый анализ способов и устройств фазовой коррекции выявил важную закономерность форсирующих звеньев (ФЗ). Коэффициент эффективности форсировки, равный отношению максимально дости-* жимого фазового приращения к возникающей при этом амплитудной погрешности всегда меньше 1. Предлагаема! методика синтеза РО основывается на анализе пяти необходимых для подавления помех АЧХ и ФЧХ, скорректированных пятью 10-каскадными корректирующим и элементами на базе ФЗ, имеющих одинаковые частоты квазирезонанса (25 Гц), с 5-ю

различными значениями добротности (козффвдиенты демпфирования (I = 1,0; 0,3; 0,6; 0,4; 0,2) и минимально-возможным коэффициентом форси-ровки К = Ой =1,1. Показано, что БС КРМ с РО имеющим сформированные таким образом ФЧХ и АЧХ в соответствии с дисперсными критериями увеличивают «жёсткость» сети соответственно в 12, 14, 18, 22, 28 раз и обеспечивают требуемый уровень дозы фликера, если размахи напряжения сети с РП - нагрузкой без БС КРМ не превышают соответственно 1,8; 2,3; 2,5; 2,2; 2,0 %.

Анализ полученных результатов показал, что уменьшить динамическую погрешность компенсации возможно двумя путями. Во-первых -увеличением частоты квазирезонанса ФЗ до 30 Гц (центральная частота диапазона с крайними наиболее критичными значениями частот 10 и 50Гц ), во-вторых - увеличением числа звеньев ФЗ с с! = 0,4 , как единственно обеспечивающих повышение эффективности. В результате синтезирован РО с 20-ю указанными ФЗ, обеспечивающий допустимый уровень дозы колебаний напряжения 0,018 (%), если размахи напряжения сети с РП - нагрузкой без БС КРМ не превышают 3 %.

В пятом разделе приводятся результаты синтеза замкнутой БС КРМ. Показано, что БС КРМ не реализуема по структурной схеме идеальной инвариантной системы автоматического регулирования предложенной проф. Щипановым Г.В. по причине невозможности реализации корректирующего элемента с передаточной функцией обратной передаточной функции Исп.О.

Постановка задачи синтеза.

При заданных величинах требуемой статической погрешности и степени подавления методической помехи сигнала рассогласования определить параметры РО регулятора замкнутого контура, обеспечивающего максимальную граничную частоту компенсации.

Анализ статического регулятора выявил закономерность подъёма АЧХ в области частот 5.. 15 Гц при использовании РО 2-го порядка и более высокого. С РО 1-го порядка возможно получение граничной частоты компенсации не более 0,5 Гц со статической погрешностью не менее 10%. Астатический регулятор устойчив только с астатизмом 1-го порядка и при подавлении методической помехи дополнительным режекторным фильтром обеспечивает граничную частоту компенсации не более 1 Гц с Бременем «подтягивания» не менее 250 мс.

Предлагается применять мультипликативную обратную связь по выходной координате системы - уровню колебаний напряжения сети (фликеру), что параметрически адаптирует регулятор, уменьшая в среднем рабочая мощность Исп.О.

Анализ процесса формирования тока фазы сети двумя фазами Йсп.О ТРГ выявил закономерность структуры «Исп.О-сеть» заключающуюся в том, что на один ток сети воздействуют 4 тиристора, поэтому после открытия любого из них возможна коррекция его неуправляемости, вносимая следующим открывающимся тиристором, т.е. вводится структурная адаптация, позволяющая примерно на 20 % повысить быстродействие БС КРМ.

В шестом разделе проводится алгоритмический анализ погрешностей БС КРМ.

Алгоритмический анализ погрешностей уравновешивания трёхфазной сети потребовал определения всех возможных алгоритмов уравновешивания в системе координат ортогональных составляющих. Сравнение данных алгоритмов по энергетическим характеристикам соответствующих им Исп.О выявило алгоритм, требующий для реализации трёхфазный Исп.О, средние энергетические потери в нём в два раза меньше, чем в двухфазных Исп.О, обеспечивающих реализацию 3-х.других алгоритмов. Установлены закономерности влияния начального напряжения нулевой последовательности и отклонения напряжения прямой последовательности на погрешность уравновешивания напряжения сети. Данная погрешность имеет чувствительность равную 2 к отклонению напряжения сети прямой последовательности, а в качестве верхней грани её оценки при независимости от напряжения прямой последовательности следует принять

величину б£ои , где £ ои - начальный коэффициент напряжения нулевой последовательности (т.е. в сети без компенсатора).

Алгоритмический анализ погрешностей симметрирования трёхфазной сети потребовал определения всех возможных алгоритмов симметрирования в системе координат ортогональных составляющих. Сравнение данных алгоритмов по энергетическим характеристикам соответствующих им Исп.О выявило алгоритм, требующий для реализации трёхфазный Исп.О, средние энергетические потери в нём в два раза меньше, чем в двухфазных Исп.О, обеспечивающих реализацию 3-х других алгоритмов. Установлены закономерности влияния начального напряжения обратной последовательности и отклонения напряжения прямой последовательности на погрешность симметрирования напряжения сети. Данная погрешность имеет чувствительность равную 2 к отклонению напряжения сети прямой последовательности и пропорциональна величине начального коэффициента напряжения обратной последовательности уменьшаемому отношением номинальной мощности нагрузки к мощности КЗ сети.

Алгоритмический анализ погрешностей компенсации реактивного тока прямой последовательности (ТПП) выявил влияние на погрешность

компенсации реактивного ТЮТ напряжений прямой и обратной последовательностей и тока обратной последовательности. Показано, что погрешность компенсации Ti 111 имеет чувствительность равную 2 к отклонению напряжения прямой последовательности и пропорциональна произведению начальных коэффициентов напряжения и тока обратной последовательности.

Проведён синтез обобщённых алгоритмов симметрирования и компенсации в системах координат симметричных и ортогональных составляющих. Разработанный алгоритм в системе симметричных координат

I* = -k/M'ir ехр{/120°-т})], (6.1)

где 1фк - величина тока ш-го плеча Исп.О;

т = 1,2,3 для плеч АВ, ВС, СА Исп.О, соответственно;

1!г - величина реактивного тока прямой последовательности;

Ij - вектор тока обратной последовательности; использован для определения установленной мощности фазы Исп.О компенсатора при известных закономерностях вероятностного распределения модулей токов прямой и обратной последовательностей.

Произведено сравнение по методической погрешности и информационной избыточности наиболее известных алгоритмов, разработанных специалистами ИЭД АН УССР, Таллинского политехнического института, ф. «Westinghouse Electric», ф. «General Electric» с наиболее рациональным алгоритмом Штейнмеца. Последний является наилучшим по любому критерию, но, главное, в отличие от других не имеет активных составляющих токов фаз сети, изменяющихся более динамично, чем реактивные, что было показано на результатах математического и физического моделирования.

В седьмом разделе представлена инженерная методика синтеза БС КРМ. Рассматривается обобщённая функциональная схема БС КРМ с регулятором вычислительного типа, в который входят дополнительные регуляторы со структурной, параметрической и сигнальной адаптацией, и астатическим регулятором. Даётся расчёт масштабов сигналов и параметров ИО. Параметры РО задаются двумя таблицами для каждого из трёх вариантов БС КРМ РП - нагрузок, имеющих граничные частоты спектров 5, 25 Гц, и циклической нагрузки с определённой частотой модуляции (например - 16,7 Гц). В первой таблице даются параметры передаточной функции необходимой части ФНЧ РО (подавляющей помехи), во второй - корректирующей, выполняющей требования дисперсного и частотного критериев динамической погрешности БС КРМ, что в графической форме отображено на рис. 7-1.

аз • бз

Рис. 7-1. Графики зависимости числа спЗ форсирущин звеньев корректирущего элемента РО от коэффициента снижения сред-неквадратаческого значения Фшуктуаций напряжения сети К е с по дисперсному критерию)Саз и от приведенного значения мощности эксплуатационного КЗ РП-нагрузки Спо частотному критерию достижения нормированной дозы фликера 0,018 схз2зсь'Э

стной (ас и индуктивной частей исп.О от вероятности Рк компенсации реактивной мощности .РП-нагрузки из 1,2 и 4-к единиц

Сравштваются известные методики выбора установленной мощности Исп.О и предлагается новая, разработка которой связана с тем, что в известных не учитывается корреляционная связь между токами прямой и обратной последовательностей. Исходные положения предлагаемой методики: вероятностное распределение величины реактивного ТИП каждой единицы РП - нагрузки подчиняется нормальному закону; - модуля вектора тока обратной последовательности (ТОП) - закону Релея; - фазы вектора ТОП - закону равной вероятности. Для получения распределения величины тока основной гармоники фазы Исп.О по заданным распределениям реактивного ТПП и ТОП использована формула обобщённого алгоритма управления в системе симметричных координат (6.1). Путём интервального преобразования непрерывных распределений вероятностей в дискретные, с последующими известными преобразованиями теории вероятностей и с учётом ограничений представленных графиками функций по рис. 1-2 получены гистограммы и выравнивающие их кривые функций распределения вероятностей относительной величины тока фазы Исп.О компенсатора в сега с одной, двумя и четырьмя одинаковыми единицами РП - нагрузки.

Анализ полученных графических зависимостей показывает, что среднеквадратическое значение отклонений величины тока фазы Исп.О БС КРМ формируется арифметическим суммированием среднеквадрати-ческих значений распределений реактивного ТПП и ТОП. В результате получены графики необходимой величины приведённой установленной мощности емкостной и индуктивной (динамической) частей Исп.О БС КРМ в зависимости от требуемой вероятности компенсации реактивной мощности РП-нагрузки, состоящей из 1, 2 и 4-х одинаковых единиц (рис.7-2).

В случае, когда размахи напряжения сети без БС КРМ меньше выбранного расчётного значения появляется возможность снизить установленную мощность Исп.О. Условно одно ФЗ с параметрами определённы-. ми выше за счёт создаваемого им запаса быстродействия может снизить установленную мощность Исп.О на 2,9 %.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ и РЕЗУЛЬТАТЫ

В настоящей работе решена научная проблема компенсации реактивной мощности резко-переменных нагрузок с помощью быстродействующих регуляторов, динамические характеристики которых формируются по предлагаемой методике на основе нормируемых дисперсных и частотных критериев. Это позволяет привести в норму качество электроэнергии, уменьшить отклонения и колебания напряжения в узле сети, снизить потери энергии и ущербы у потребителей, повысить эффектив-

ность функционирования электроэнергетической системы. При этом получены следующие результаты:

1.Доказана гипотеза о векгорно-функцион&чьной ортогональности реактивной и активной мощностей в электрической сети с резко-переменной нагрузкой на основе аналитического решения дифференциального уравнения Щ1)Ь-цепи с переменным параметром. Определена погрешность от неучёта нелинейности реальной цепи.

2.Определён единственный способ измерения реактивной мощности сети с резко-переменной нагрузкой - синхронное детектирование (в отличие от множества методически точных способов измерения реактивной мощности стационарной нагрузки). .■ > • -

3. Вскрыты закономерности преобразования систем координат ортогональных и симметричных составляющих токов или мощностей трёхфазной сети, позволившие установить области определения и допустимых значений тока обратной последовательности обобщённой резко-переменной нагрузки; синтезировать все возможные алгоритмы управления компенсаторов токов нулевой, обратной и прямой последовательностей, сравнить их по энергетической эффективности исполнительного органа и сделать вывод о несоответствии управляемости и наблюдаемости всех известных алгоритмов кроме алгоритма Штейнмеца.

4. Определена методическая частотная погрешность синхронного фиксатора уровня сигналов, являющегося адекватной динамической моделью большинства измерительных и исполнительных органов систем сетевой автоматики, в том числе и - тиристорно-регулируемого реактора, дополнительные исследования которого на математической (цифровой, аналоговой) и физической моделях позволили уточнить его АЧХ и ФЧХ и выявить возможности повышения быстродействия.

5.Аналитически точно решена задача синтеза оптимального регулирующего органа идеальной модели быстродействующей системы компенсации по критерию требуемой основной динамической погрешности. Показано, что его реализация не целесообразна по причине высокой дополнительной динамической погрешности (низкой помехоустойчивости).

6.Приближённо графоаналитически решена задача синтеза ' квазиоптимального регулирующего органа реальной быстродействующей

системы компенсации, обеспечивающего необходимую помехоустойчивость и требуемую основную динамическую погрешность по четырём критериям - двум дисперсным и двум частотным, один из которых - допустимый уровень дозы колебаний напряжения сети нормирован ГОСТом.

7.Исследованы закономерности формирования частотных характеристик форсирующих звеньев и их влияние на динамическую погрешность компенсации. Доказана невозможность получения в классе дробно-

рацноналъных функций передаточной функции форсирующего звена, создающего фазовое приращение, превышающего в эквивалентных единицах динамической погрешности компенсации собственную амплитудную погрешность.

В.Предложены алгоритмы снижения параметрической чувствительности, повышения точности и энергетической эффективности регулятора быстродействующей системы компенсации на основе сигнальной, параметрической и структурной адаптации.

Содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Тропин В.В., Нагайкин A.C. Кусочно-линейная аппроксимация одного класса статических характеристик функциональных преобразователей// Метрология. 1980. N 7. С.20...24.

2. Тропин В.В. Кусочно - линейный аппроксиматор для нелинейных преобразователей // Измерительная техника. 1982. N 1. С.61-63.

3. Кузьменко В.А., Тропин В.В. Фликерметр для оценки эффективности работы тиристорного компенсатора И В кн.: Повышение качества электроэнергии в промышлен ных электрических сетях. Материалы конференции. -М.МДНТП. 1982. С.147...151.

4. Яценко A.A., Тропин В.В. Анализ силовых трёхфазных фильтров и технические перспективы повышения их эффективности // Изв. вузов. Энергетика. 1983. N 8. С.28...33.

5. Кузьменко В.А., Тропин В.В. Оценка быстродействия компенсаторов реактивной мощности //В кн.: Новая техника в электроснабжении пром. предприятий. Материалы конференции. - М. МДНТП. 1983. С.72...76.

6. Иванов B.C., Егоров С.И., Тропин В.В. Примените П-образного силового фильтра для улучшения динамических свойств системы «ДСП-КРМ» // В кн.: Новая техника в электроснабжении пром. предприятий. Материалы конференции. - М. МДНТП.1983. С.56..61

7. Иванов B.C., Егоров С.И., Яценко A.A., Тропин В.В. Повышение эффективности работы силовых резонансных фильтров // Инструктивные указания по проектированию электротехнических промыш. установок ВНИПИ «Тяжпромэлектропроект». 1983. N 4. С.6...9.

8. Тропин В.В. Синтез быстродействующего контура компенсатора реактивной мощности // В кн.: Преобразовательная техника в энергетике. Тез.докл. Всесоюз. науч. конф. Л. 1984. С.46,47.

9. Трогаш B.B. Ретроспективный анализ понятия реактивной мощности и его дальнейшее развитие // Информэлектро. Деп. N 178 эт-84. М. 1984. 39с.

Ю.Тропин В.В. Анализ энергетических и динамических характеристик исполнительного органа тиристорного компенсатора // Информэлектро. Деп. N 177 эт - 84. М. 1984.22 с

П.Тропин В.В. Метод преобразования,координат и его использование в теории компенсации реактивной мощности // Информэлектро. Деп. N 176 эт-84. М. 1984.35 с.

12.Тропин В.В. Погрешности алгоритмов управления компенсаторов реактивной мощности в электрических сетях при несимметрии напряжений // Информэлектро. Деп. N175 эт - 84. М. 1984.20 с

13.Иванов B.C., Яценко A.A., Тропин В.В. Структура быстродействующего регулятора и динамическая модель статического тиристорного компенсатора 6-10 кВ и 35 кВ Н Пром.энергетика. 1984!N 11. С.52...54.

14.Матюнин Ю.В., Яценко A.A., Тропин В.В. Реактивная мощность и быстродействующее управление компенсирующим устройством в трёхфазных сетях // В кн.: Проблемы электромагнитной совместимости силовых преобразователей. Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. Ч.З. Таллин. 1986. С.162,163.

15.Тропин В.В. Прецизионный гибридный аналоговый режекгорный фильтр промышленной частоты И Информ. листок N 384-89. Краснодарский ЦНТИ. 1989.4 с.

16.Тропин В.В., Щербина A.B., Юрков А.К. Электронная система автоматического управления силовой конденсаторной установкой // Информ. листок N 90-32. Краснодарский ЦНТИ. 1990.4 с

П.Трошш В.В. Анализ переходного процесса при включении секций конденсаторной батареи // Сб. науч.тр. Применение энергосбер.технолошй в агропром. комплексе / Кубанский госагроуниверситет. 1993 ВыЕуск 331(359). С.142...144

18.Тропин В.В. Использование метода преобразования координат в теории компенсации реактивной мощности // Изв. вузов. Электромеханика. 1993. N 6. С.66,67. (Тез. докл. Всерос. семин.)

19.Тропин В.В. Выбор главных схем фотоэлектрических станций средней и большой мощности П Изв. вузов. Электромеханика. 1994.N 6. С.18...22.

20.Тропин B.B. Анализ и классификация функциональных звеньев датчиков ортогональных составляющих тока // Изв.вузов. Электромеханика. 1994. N 6. С. 108. (Тез. докл. Всерос. семин.)

21.Tpomm B.B. Определение реактивной мощности резко-переменных на-грзок частотным методом // Изв. вузов. Электромеханика. 1994. N 6. С.79,80.

22.Тропин В.В. Автономный анализатор режима электрической сети// Изв. вузов. Электромеханика. 1994. N 6. С.83. ( Тез. докл. Всерос. семин.)

23.Тропин В.В. Разработка алгоритма управления компенсатора тока нейтрали электрической сета цеха инкубации // Сб. науч.тр. Электрификация сельскохозяйственного производства /Кубанский госагроуни-верситет. 1995 Выпуск 346(374). С.3...6.

24.Тропим В.В. Определение потенциального быстродействия замкнутых систем автоматического регулирования реактивной мощности электрических сетей общего назначения // Сб. науч. тр. Электрификация сельскохозяйственного производства /Кубанский гос-агроуниверситет. 1995 Выпуск346(374). С.25...28

25.Тропин В.В. Определите частотным методом ортогональных составляющих тока при резко-переменной нагрузке аппаратными средствами//Изв.вузов. Электромеханика. 1995. N 5. С.114...121.

26.Тропин В.В. Выбор управляющих параметров автоматического устройства компенсации реактивной мощности нагрузок агропромышленного предприятия //В кн.: Повышение эффективности работы систем эл.снабжения и эл.оборудования Кубани. Тезисы докл. на-уч.техн.конф./ Краснодарский технолог, ун-т. 1995. С.39,40.

27.Тропин В.В. Учёт естественной коммутационной дискретности исполнительного и измерительного органов в динамической погрешности компенсатора реактивной мощности // Изв.вузов. Элекгро-механика. 1996. N 3. С. Ш. (Тез. докл. Всерос. семин.)

28.Тропин В.В. Влияние ограниченной установленной мощности компенсатора на его погрешность // Изв. вузов. Электромеханика^ 3. С. 112. (Тез. докл. Всерос. семин.)

29.Tporom В.В., Савенко A.B. Частотный анализ дополнительной динамической погрешности синхронных фиксаторов уровня сигналов сетевой автоматики // Изв. вузов. Электромеханика. 1996. N З.С.78...81.

30.Тропин B.B. Определение динамической характеристики тиристорно-ретулируемого реактора //Изв.вузов. Электромеханика. 1996.N 3. С.39...45.

31.Тропин В.В. Применение всех видов адаптивного управления в быстродействующих компенсаторах реактивной мощности // В кн.:Улучшение характеристик электротехнических комплексов, энерг. систем и систем промышленного эл. снабжения. Тез.: докл. науч. практ. конф./Краснодарский технолог, ун-т. 1996. С.26

32.Трощщ В.В. Синтез трёхфазного электроприёмника - трёхполюсника на основе ортогональных составляющих токов сети // Изв. вузов. Электромеханика. 1997. N 1. С.127. (Тез. докл.)

33.Тропин В.В. Анализ погрешностей алгоритмов управления компенсатора реактивной мощности с учётом искажения напряжений // Изв. вузов. Электромеханика. 1997. N 1. С.128. (Тез.докл.)

34.Тропин В.В. Анализ частотных характеристик регулирующего органа компенсатора ортогональной составляющей тока нагрузки // Изв. вузов. Электромеханика. 1997. N1. С.42...48

35. А.с.754384 СССР. МКИ G 05 F; 1/56. Управляемый стабилизатор тока /Гропин В.В, Нагайкин A.C.//Опубл. 07.08.80. Бюл.И 29

36.A.C.935976 СССР. МКИ G 06 G 7/14. Сумматор токов / Тропин В.В. Опубл. 15.06.82. Бюл-N 22.

37. А.с.964851 СССР. МКИ Н 02 J 3/18. Регулятор тиристорного компен сатора реактивной мощности / Яценко A.A., Тропин В.В. // Опубл. 07.10.82. Бюл. N 37. •

38. А.с: 1022258 СССР. МКИ Н 02 J 3/18. Модель динамической нагрузки статического тиристорного компенсатора / Яценко A.A., Тропин В.В. // Опубл. 07.06.83. Бюл. N21.

40. А.с.1104642 СССР. МКИ Н 03 D 1/18. Преобразователь переменного напряжения в постоянное / Кузьменко В.В, Тропин В.В. // Опубл. 23.07.84. Бюл. N27

41. A.c. 1056354 СССР. МКИ Н 02 J 3/18. Трёхфазное фильтрокомпенси-рующее устройство / Яценко A.A., Тропин В.В. // Опубл. 23.11.83. Бюл. N 43

42. Патент 2081494 РФ. МКИ Н 02 J 3/18. Датчик реактивной мощности резко-переменной нагрузки для управления компенсатором реактив-.ной мощности / Кузьменко В.А, Тропин В.В.//Опубл. L0.06. 97. Бюл. N 16

-433. Патент 2082271 РФ. МКИ Н 02 J 3/18. Минимизатор токовой погрешности тиристорного регулятора реактивной мощности / Кузьменко В.А., Тропин В.В. // Опубл. 20.06.97. Бюл. N 17

[4. Патент 2084066 РФ. МКИ Н 02 J 3/18. Минимизатор мощности исполнительного органа тиристорного компенсатора реактивной мощности / Кузьменко В.А., Тропин В.В. // 0публ10.07.97. Бюл.

15. Патент 2088015 РФ. МКИ Н 02 J 3/18. Способ управления статическим тиристорным компенсатором / Кузьменко В.А., Тропин В.В. Опубл. 20.08.97 Бюл. №23.

Тип. КубГАУ Заказ _• Тираж </00 экз.



(рашшше or

Прысудг-1А учз.ную crSÏ7.?,ET '

sl i-ïcl -3.4ji.rf i

l/

/'

КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правок рукописи

ТРОПИН ВЛАДИМИР ВАЛЕНТИНОВИЧ

кавдтехн.наук, доцент кафедры ТОЭ

УДК 621.316.727

АНАЛИЗ и СИНТЕЗ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ СИСТЕМ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ в ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ с РЕЗКО-ПЕРЕМЕННЫМИ НАГРУЗКАМИ МЕТОДОМ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

05.14.02 - Электрические станции (электрическая часть), сети, электроэнергетические системы и управление ими

Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук

НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ

доктор технических наук; профессор ЧАЙКИН В.П.

КРАСНОДАР 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Список аббревиатур и буквенных обозначений .,.......................5

Введение.........................................................................9

1. Основные закономерности поведения токов и напряжений электрической сети с РП - нагрузкой......................................-18

1.1. Научно - техническая проблема реактивной мощности

РП - нагрузок и гипотеза ее разрешения...........................18

1.2. Исследование методом частотных характеристик на математической и физической моделях электрической сети с нестационарной нагрузкой энергетической структуры электротехнического сигнала...........................32

1.3. Энергопотенциальные характеристики трехфазной сети

с РП - нагрузками в частотной форме............................'.. .86

1.4. Преобразование переменных систем координат ортогональных и симметричных составляющих токов трехфазной сети - основа алгоритмизации БС КРМ..............38

1.5. Анализ взаимосвязей ортогональных и симметричных составляющих токов трехфазной сети обобщенной

РП - нагрузки....................... ......................................Ц2

2. Анализ частотных характеристик ИО БС КРМ..........................

2.1. Классификация Измерительных Органов БС КРМ................Ш

2.2. Динамические погрешности амплитудно-фазовых корректоров электротехнического сигнала..........................127

2.3. Динамические погрешности циклических усреднителей

ДОС..........................................................................№

2.4. Динамические погрешности непрерывных усреднителей

ДОС..........................................................................№

2.5. Экспериментальное определение динамических погрешностей ДОС частотным методом............................№

3. Анализ частотных характеристик Исп.О БС КРМ.......................Ш

3.1. Классификация Исполнительных Органов БС КРМ...............18?

3.2. Динамические погрешности непрерывно - регулируемых Исп.О.......................................................................488

3.3. Динамические погрешности дискретно - регулируемых

Исп.О........................................................................№

3.4. Управляемость Исп.О БС КРМ........................................

3.5. Энергетические характеристики Исп.О.............................£43

4. Синтез регулирующего органа БС КРМ...................................Л55

4.1. Синтез оптимального регулирующего органа идеальной модели компенсатора....................................................255

4.2. Синтез квазиоптимального РО идеальной модели компенсатора на базе полиномиальных фильтров.................266

4.3. Синтез квазиоптимального РО идеальной модели компенсатора на базе дробных фильтров............................

4.4. Реализация фильтров РО БС КРМ....................................280

4.5. Синтез РО БС КРМ с учетом реальных частотных характеристик электротехнических сигналов......................288

4.6. Синтез РО БС КРМ с учетом частотных характеристик

Исп.О........................................................................5Ю

5. Синтез регулятора как замкнутой БС КРМ

5.1. Структуры регуляторов БС КРМ.......................................337

5.2. Синтез регулятора с аддитивной ООС................................339

5.3. Режимы работы регулятора БС КРМ.................................3^.6

5.4. Анализ регулятора с мультипликативной О ОС.....................350

5.5. Синтез структуры регулятора адаптированного к трехфазной сети...........................................................

6. Алгоритмический анализ погрешностей БС КРМ.........................359

6.1. Алгоритмический анализ погрешностей уравновешивания трехфазной сети с учетом влияния напряжения нулевой последовательности......................................................359

6.2. Алгоритмический анализ погрешностей симметрирования трехфазной сети с учетом влияния напряжения обратной последовательности.......................................................369

6.3. Алгоритмический анализ погрешностей компенсации реактивного тока прямой последовательности......................383

6.4. Синтез обобщенных алгоритмов симметрирования и компенсации................................................................

7. Инженерная методика синтеза БС КРМ ....."...............................39?

7.1. Построение функциональной схемы БС КРМ.......................3в8

12. Расчет параметров измерительного органа...........................399

7.3. Расчет параметров регулирующего органа...........................403

7.4. Расчет параметров исполнительного органа.........................4И

Заключение............................. .......................

Литература.........................................................................43 4

Приложение 1. Синтез несимметричного активно - индуктивного

электроприемника с изолированной нейтралью..........£65

Приложение 2. Методика синтеза амплитудного корректора

фильтра синхронизирующего напряжения БС КРМ.....469

Приложение 3. Расчет параметров форсирующего звена................

Приложение 4. Физическое моделирование динамических процессов в БС КРМ с оценкой ее эффективности методом

частотных характеристик......................................$8

Приложение 5. Применение результатов исследования в смежных

областях техники................................................

Приложение 6. Документы подтверждающие аппробацию

диссертации на специально созванных семинарах.......507

Приложение 7. Документы подтверждающие внедрение результатов исследований в практику проектирования и эксплуатации систем электроснабжения...................

СПИСОК АББРЕВИАТУР и БУКВЕННЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

1. Аббревиатуры

АД - асинхронный двигатель

АФП - амплитудно-фазовая погрешность

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

БС - быстродействующая система

БС КРМ - БС компенсации реактивной мощности

ВАХ - вольт-амперная характеристика

ВРФ - высокодобротный режекторный фильтр

ГВЗ - групповое время задержки

ДОС - датчик ортогональных составляющих

ДСП - дуговая сталеплавильная печь

ДФ - дробный фильтр

ИО - измерительный орган

Исп.О - исполнительный орган

КЛА - кусочно-линейный аппроксиматор

КОС - координаты ортогональных составляющих

КСС - координаты симметричных составляющих

КЭ - корректирующий элемент

МИС - мощный испытательный стенд

НЗ - низкочастотное звено

НОС - небаланс ортогональных составляющих

НРФ - низкодобротный режекторный фильтр

НЧФ - низко-частотная фильтрация

ОР - объект регулирования

ООС - отрицательная обратная связь

ОУ - операционный усилитель

ПИК - пульт-имитатор-контроллер

ПАФП - плоскость амплитудно-фазовых погрешностей

РЗ - режекторное звено

РЗА - релейная защита и автоматика

РМ - реактивная мощность

РО - регулирующий орган

РП-нагрузка - резко-переменная нагрузка

РПН - регулирование под нагрузкой

РТП - рудно-термическая печь

РФ - режекторный фильтр

САР - система автоматического регулирования

СИ - скользящий интегратор

СИФУ - система импульсно-фазового управления СК - синхронный компенсатор СТК - статический тиристорный компенсатор СФ - силовой фильтр

СФУС - синхронный фиксатор уровня сигналов ТИ - текущий интегратор ТК - тиристорный ключ

ТКРМ - тиристорный компенсатор реактивной мощности

ТНП - ток нулевой последовательности

ТОП - ток обратной последовательности

ТПИ - тиристорный преобразователь - имитатор

ТПП - ток прямой последовательности

ТРГ - тиристорно-реакторная группа

ТРР - тиристорно-регулируемый реактор

УПА - устройства противоаварийной автоматики

УР - управляемый реактор

ФЗ - форсирующее звено

ФВЧ - фильтр высших частот

ФКУ - фильтро-компенсирующее устройство

ФНЧ - фильтр низкой частоты

ФСН - фильтр синхронизирующего напряжения

ФЧХ - фазо-частотная характеристика

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь

ЦСУ - цифровой скользящий усреднитель

ЦФ - цифровой фильтр

2. Буквенные обозначения

А - коэффициент при активной составляющей тока а - фазовый угол управления тиристором Б - коэффициент при реактивной составляющей тока б.м.в.п. - бесконечно-малая величина высшего порядка В„ - функция Бесселя п-го порядка град,- градусы

О - коэффициент демпфирования «нуля» дробного фильтра

- коэффициент демпфирования полюса 5 - относительная погрешность г - основание натуральных логарифмов

£0;. £2, -коэффициент тока нулевой, прямой и обратной послед.

£ш;, £v:, e2U -коэффициент напряжения нулевой, прямой и обратной послед.

F(p) - преобразование Лапласа для функции f(t) Fijco)- преобразование Фурье для функции f(t) fr - граничная частота компенсации

I - вектор тока

Г - вектор тока сдвинутый на 90 эл. град.

II - вектор тока приведённый к 1-му квадранту

Jm - мнимая часть функции комплексного переменного

j мнимая единица лРТ

Щр) - передаточная функция

Щсо) - амплитудно-частотная характеристика

h(t) - переходная функция

КЗ - короткое замыкание

кф - коэффициент форсировки

кэф - коэффициент эффективности форсировки

L - величина индуктивности

/Т- иррациональное число равное 3,14159265

Р - активная мощность

О - реактивная мощность

R - величина активного сопротивления

R{ т) - корреляционнная функция

Re - действительная часть функции комплексного переменного

S - полная мощность

S,rj - мощность короткого замыкания

5 - - коэффициент чувствительности функции у к переменной х

S{co) - функция спектральной плотности Г - период, такт дискретности t- время

U - веетгор напряжения

и - вектор управления

2/(7) - мгновенное значение напряжения

Щх) - плотность распределения вероятности случайной величины х - величина реактивного сопротивления

входная переменная y(t)~ выходная переменная v - порядковый номер высшей гармоники

6 - дисперсия случайного процесса г - постоянная времени

(р{со)~ фазо-частотная характеристика эл. - электрический со - угловая частота

сог - граничная угловая частота компенсации соо - угловая частота основная (например, - сети) сое - частота среза

ВВЕДЕНИЕ

Одна из главных целей теоретического исследования в любой области знания состоит в том, чтобы найти точку зрения, с которой предмет представляется наиболее простым.

Д. У. Гиббс (1839-1903)

Компенсаторы реактивной мощности (РМ) осуществляют один из основных технологических процессов электрических сетей - управление по величине и знаку РМ, формируемой в процессе передачи электрической энергии переменного тока трансформаторами, линиями электропередач и нагрузками потребителей. При этом достигаются две главные цели - снижение и потенциальных, и энергетических потерь в электрических сетях. Из всех возможных мероприятий по снижению энергетических потерь компенсация РМ (КРМ) считается наиболее эффективной, - со сроком окупаемости 1,3 года [ 96 ]. Показатели потенциальных потерь (качества напряжения) электрических сетей общего назначения нормируются юридическими документами в большинстве стран мира, в том числе и России - ГОСТом 13109-87 [ 73 ]. И как показывает зарубежная и отечественная практика выполнение подобных норм в большинстве случаев невозможно без компенсации реактивной мощности (КРМ) и адекватных ей процессов симметрирования и уравновешивания нагрузок электрических сетей, в особенности, - резко-переменных (РП -нагрузок), доля которых составляет примерно 20 % по мощности от общего числа [97,121 ], создающих колебания напряжения распределительной сети в диапазоне частот 0,1...25Гц. Устройства регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) сетевых трансформаторов не способны отрабатывать возмущающие воздействия такого частотного диапазона.

Исследования и разработки быстродействующих компенсаторов РМ, составляющих совместно с РП - нагрузкой и конкретным участком электрической сети быстродействующую систему (БС) КРМ, были начаты отечественными учёными с середины 50-х годов [63,245,321]. Их основное отличие от компенсаторов РМ с электромеханическим управлением, предложенных ещё на рубеже веков основоположниками электротехники М.О.Доливо-Добровольским ( на базе синхронной машины ) [83], П.Ф.Бушеро (на базе конденсаторной батареи) [253], Ч.П.Штейнмецем (на базе индуктивно-емкостного устройства - «схемы Штейнмеца»), состоит в том, что основные органы и измерительный (ИО), и исполнительный (Исп.О), и регулирующий

-ю -

(PO) обладают временем действия соизмеримым с периодом сетевого напряжения, потому, что выполняются на основе электронных полупроводниковых элементов.

На протяжении последних 40 лет в СССР и России были созданы научные школы занимающиеся разработкой проблемы качества электрической энергии, одной из составляющих которой является и исследуемая нами проблема. Большой вклад в разрешение указанной проблемы внесён ведущими учёными МЭИ - профессорами Вениковым В.А., Мельниковым H.A., Жуковым Л.А., Демирчаном К.С., Жарковым Ф.П., Лабунцовым В.А., Карташёвым И.К, Чаплыгиным Е.Е. и др.

Плодотворно работает научная школа ВЭИ им.В.И.Ленина; именно её представители Худяков В.В. и Чванов В.А. предложили вентильно-реакторный пофазно управляемый исполнительный орган быстродействующего компенсатора (A.c.СССР 251662 от 6.11.62), а их коллеги и ученики Ивакин В.Н., Кузьменко В.А.,Ольшванг М.В., Ступель А.И. Чуприков B.C. разработали и внедрили первую в СССР БС КРМ с установленной мощностью исполнительного органа 160-ь135Мвар.

Большой опыт по разработке и внедрению КРМ как в электрических сетях энергосистем, так и - промышленных предприятий накоплен в научной школе ВНИИЭ, где работает группа ведущих специалистов - электроэнергетиков: Железко Ю.С, Кочкин В.И., Джус И.И., Мишта В.В., Киракосов В.Г., Нечаев О.П., Обязуев А.П., Розенблюм Ф.М., Стрюцков В.К., Тимофеев В.Д., Филатов В.И., Фокин В.К. и др.

В проектах ВНИПИ «Тяжпромэлехтропроект» и «Энергосетьпроект» тщательно прорабатываются проблемы компенсации реактивной мощности, в частности и РП - нагрузок, чему способствует значительный теоретический задел и опыт внедрения имеющийся у ведущих специалистов: Со-лодухо Я.Ю., Бершицкого М.Д., Замараева Б.В., Красовского А.К., Жохова Б.Д., Азарьева Д.И., Белоусова И.В. и др.

В научной школе электроэнергетиков ЭНИН им. Г.М.Кржижановского ведущие учёные Либкинд М.С., Сорокин В.М., Крюков А.А разработали теорию и внедрили в практику энергоситем исполнительный орган компенсатора РМ на базе управляемого реактора.

Ведущие учёные ВНИИЭТО и МИСиС Гитгарц Д.А., Дрогин В.И., Мнухин Л.А., Краснопольский А.Е., Казаков O.A., Фарнасов Г.А., Хаинсон A.B. ведут плодотворные исследования по снижению негативного влияния реактивных нагрузок с дуговым разрядом на питающую сеть.

Исследования и разработки КРМ для наиболее «слабых» электрических сетей сельскохозяйственного назначения, где компенсация, по данным

-И -

отечественных и зарубежных учёных [96,398] наиболее эффективна как с технических, так и экономических позиций, возглавляются ведущими учёными Московского госагроуниверситета проф. Левиным М.С., Блохиной Е.Л.,Идельчиком Б.В.; ВИЭСХа - Мельником В.Т.; С.-Петербургского госагроуниверситета - Косоуховым Ф.Д.

Успешно работают над проблемой компенсации реактивной мощности выпрямительно-инверторных подстанций электропередач и вставок постоянного тока учёные НИИПТ Поссе A.B. (им предложен быстродействующий компенсатор реактивной мощности мостового типа - A.c.СССР 136453 от 18.0*6.60), Кадомский Д.Е., Балыбердин Д.Л. и др.

Учёные С.-Петербургского технического университета Ванин В.К., Ку-чумов Л.А., Павлов Г.М. и др. ведут плодотворные исследования по повышению быстродействия измерительных органов релейной защиты и системной автоматики, режимным вопросам КРМ.

Интересны результаты работ по КРМ ведущиеся во Владимирском политехническом институте проф. Комлевым В.П., Малафеевым С.И., Карпов-ским В.А., Шумиловым В.Ф. и др., где разработаны регуляторы РМ для шахтных электрических сетей и теоретически обоснованы возможности их оптимизации методами аналитического конструирования.

В Самарском техническом университете проф. Костыревым М.Л., Штановым А.Н., Рассказовым Ф.Н. и др. ведутся исследования по быстродействующей компенсации РМ нагрузок асинхронных генераторов и оптимизации режимов электрических сетей по напряжению.

В Новочеркасском техническом университете в научной школе проф. Каялова Г.М. ведутся многосторонние исследования влияния реактивной мощности на качество напряжения сети и путей его снижения. Над этими проблемами работают ведущие учёные Ермаков В.Ф., Исаев К.Н., Надтока И.И., Троицкий А.И. и др.

Важные результаты получены в научной школе релейной защиты Чебоксарского университета проф. Лямецем Ю.Я., Антоновым В.И. и др., в частности, введено понятие электротехнического сигнала и его структуры. Обоснованы принципы его цифровой фильтрации.

Учёные Нижегородского технического университета проф. Вагин Г.Я., Лоскутов А.Б., Редышн Е.В. решили ряд сложных экспериментальных и теоретических задач по определению влияния РМ таких РП - нагрузок, как ДСП и сварочные установки на качество напряжения сети.

Отметим также, что в России плодотворно работают в области КРМ такие учён�