автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Регулирование напряжения в цеховых системах электроснабжения

На правах-рукописи

Апй-рил

Апарин Владимир Александрович

РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ЦЕХОВЫХ СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.09.03 — Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

28 НОЯ 2013

г. Самара-2013

005540722

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тольяттинский государственный университет» на кафедре «Промышленная электроника».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Шевцов Александр Александрович Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент, заведующий

кафедрой «Современное естествознание» ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный университет сервиса» Козловский Владимир Николаевич кандидат технических наук, доцент кафедры «Автоматизированные электроэнергетические системы» ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» Гудков Антон Владимирович

Ведущая организация: Нижегородский государственный технический

университет

Защита диссертации состоится «26» декабря 2013 г. В 15 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 при Самарском государственном техническом университете по адресу: Самара, ул. Первомайская, 18, аудитория А4.

Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 443100, г.Самара, ул. Молодогвардейская, Д.244.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного университета.

Автореферат разосланД|1Ш^г>Я2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор техш Базаров А.А

ДОКТОР ТеХНИЧеСКИХ Наук, ДОЦеНТ _____

Общая характеристика работы

Актуальность:

В настоящее время множество производственных предприятий малого и среднего бизнеса в различных отраслях промышленности используют электрические сети с напряжением 0.38 кВ для своих производственных нужд.

Зачастую такие предприятия располагаются на территории крупных производственных центров или смежных с ними площадях. При таком расположении производств нередки случаи, когда на качество электроэнергии, получаемой одним потребителем, оказывают влияние другие смежные с ним потребители. В таких случаях предприятия часто не имеют юридической возможности исправить качество питающего напряжения. И задача повышения качества питающего напряжения для обеспечения стабильной работы всего парка технологического оборудования как электротехнической системы ложится на эксплуатационные службы производственных предприятий. С учётом того, что многие виды оборудования, например сложные обрабатывающие комплексы, вычислительная техника, контроллеры, восприимчивы к качеству питающего напряжения, то вопрос обеспечения требуемого уровня качества электроэнергии является актуальным.

Современные системы регулирования качества электроэнергии направлены в основном на устранение влияния потребителей на сеть: снижение потребляемой реактивной мощности и устранение тока высших гармоник. Этому посвящены работы многих российских и зарубежных учёных. Среди которых можно назвать Агунова А. В., Агунова М. В., Вагина Г .Я., Дьякова Д.Ф., Жежеленко И. В., Железко Ю. С., Кужекина И.П., Лабунцова В. А., Лоскутова А.Б., Розанова Ю. К., Севостьянова A.A., Чаплыгина Е. Е., Шидловского А. К., Н. Akagi, Y. Kanazawa и т. д. Наиболее распространёнными решениями являются тиристорные компенсаторы и конденсаторные установки, а также компенсаторы на базе транзисторных преобразователей. В то же время вопросы управления формой и уровнем кривой питающего напряжения, поступающего к потребителю, требуют дополнительной проработки.

Как правило, для формирования требуемого уровня напряжения на нагрузке используются автотрансформаторы, источники бесперебойного питания, генераторы электрической энергии. Однако эти решения малопригодны для больших мощностей нагрузки в основном из-за высокой стоимости и больших габаритов. Традиционными недостатками применяемых на практике методов и устройств регулирования напряжения являются высокая инерционность процессов (до нескольких десятков секунд), ступенчатость регулирования. При этом не регулируется спектральный состав напряжения поступающего конечному потребителю. Регулирование спектрального состава традиционно достигается применением ступенчатых пассивных фильтров настроенных на определённые частоты. Применение

пассивных фильтров в свою очередь снижает действующее значение напряжения. Решения на основе силовых активных фильтров пока не нашли широкого применения на практике, хотя первые разработки в этом направлении в России датируются 70-ми годами XX века.

Таким образом, общими недостатками для систем регулирования качества электрической энергии являются: высокая инерционность процессов, неполное регулирование вследствие ступенчатости регуляторов, ограниченность области регулирования действующим значением или спектральным составом.

Основной идей работы является создание последовательного активного фильтра для регулирования мгновенных значений кривой напряжения поступающего на индивидуальный электроприёмник или группу электроприёмников. За счёт приведения формы кривой к синусоидальной заданной амплитуды достигается регулирование всех показателей качества электрической энергии - отклонения действующего значения напряжения, спектрального состава напряжения и т.д.

Работа выполнена в рамках:

• гранта по государственной программе «Участник Молодёжного Научно-Инновационного Конкурса» («У.М.Н.И.К.») в 2011 и 2012 годах;

• гранта инновационно-инвестиционного фонда Самарской области «Опытный образец 2011»—научно исследовательской, опытно-конструкторской и технологической работе по теме «Фильтрорегулирующее устройство для промышленных электрических сетей» по договору № 2/11/255-00 от 08.11.2011г. между инновационно-инвестиционным фондом Самарской области и ООО "НПО ТЭС".

• исследований по госбюджетной тематике «Исследование полупроводниковых фильтрокомпенсирующих устройств»

Целью работы является регулирование напряжения на электроприёмниках в системах электроснабжения 0.38 кВ на основе последовательного активного фильтра, компенсирующего отклонение мгновенных значений напряжения от заданных параметров.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задами:

• разработка устройства регистрации, вычисления и вывода мгновенных значений напряжения, тока и показателей качества электроэнергии в электрических сетях 0.38 кВ;

• экспериментальное исследование и математическая обработка мгновенных значений напряжения, тока и показателей качества электроэнергии в системе электроснабжения 0,38 кВ, питающей чувствительные к искажениям электроэнергии ЭП;

• разработка способа регулирования мгновенных значений напряжения, питающего индивидуальный ЭП или группу ЭП;

• разработка имитационной модели «сеть-фильтрорегулирующее

устройство-нагрузка», обеспечивающей реализацию способа регулирования мгновенных значений напряжения;

• разработка методики формирования выходного сигнала фильтрорегулирующего устройства, обеспечивающей регулирование мгновенных значений напряжения;

• оценка стабильности работы фильтрорегулирующего устройства при внутренних и внешних воздействиях;

• разработка схемотехнического решения и создание физической модели фильтрорегулирующего устройства обеспечивающего регулирование мгновенных значений напряжения;

• экспериментальная проверка на физической модели обеспечения требуемых показателей качества электроэнергии в системе электроснабжения.

Используемые в работе методы исследования. При анализе кривой сетевого напряжения и результирующего напряжения после фильтрорегулирующего устройства на нагрузке используется аппарат рядов Фурье. При исследовании адекватности разработанного способа регулирования напряжения на нагрузке используются методы математического и имитационного моделирования физических процессов в электрических цепях. Экспериментальные методы основаны на применении инструментальных средств с последующей цифровой математической обработкой сигналов на основе частотного анализа и преобразования Гильберта.

Достоверность полученных результатов следует из адекватности и корректности применяемых в работе теоретических методов, проверки результатов компьютерного моделирования физическим моделированием.

Положения, выносимые на защиту.

1. Способ компенсации отклонений мгновенных значений напряжения, питающего индивидуальный ЭП или группу ЭП от заданных значений;

2. Устройство регистрации, вычисления и вывода мгновенных значений напряжения, тока и показателей качества электроэнергии в системе электроснабжения 0.38 кВ с частотой дискретизации 44 кГц.

3. Имитационная модель системы «сеть-фильтрорегулирующее устройство-нагрузка», обеспечивающая реализацию способа регулирования мгновенных значений напряжения.

4. Критерии стабильности работы фильтрорегулирующего устройства при внутренних и внешних воздействиях.

5. Схемотехническое решение фильтрорегулирующего устройства, обеспечивающего регулирование мгновенных значений напряжения.

Научная новизна работы.

1. разработан способ компенсации отклонения мгновенных значений напряжения, питающего индивидуальный ЭП или группу ЭП (патент РФ № 2449457);

2. разработана имитационная модель «сеть-фильтрорегулирующее устройство-нагрузка», обеспечивающей реализацию способа регулирования мгновенных значений напряжения;

3. разработана методика формирования выходного сигнала фильтрорегулирующего устройства, обеспечивающая регулирование мгновенных значений напряжения;

4. получены критерии стабильности работы фильтрорегулирующего устройства при внутренних и внешних воздействиях.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем.

1. Разработано устройство и программное обеспечение позволяющее проводить регистрацию, вычисление и вывод мгновенных значений напряжения, тока и показателей качества электроэнергии в системе электроснабжения 0.3 В кВ с частотой дискретизации 44 кГц (свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2012614912).

2. Получены мгновенные значения показателей качества электроэнергии в системе электроснабжения 0.38 кВ, питающей чувствительные к искажениям электроэнергии элекгроприёмники.

3. Разработана программа управления фильтрорегулирующим устройством, обеспечивающая компенсацию отклонений мгновенных значений напряжения (свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2011610683).

4. Создано схемотехническое решение и физическая модель фильтрорегулирующего устройства обеспечивающего регулирование мгновенных значений напряжения.

Результаты работы были внедрены в учебный процесс Тольяттинского государственного университета в дисциплины «Электромагнитная совместимость полупроводниковых преобразователей» и «Основы преобразовательной техники», в производственный процесс ООО «ВИЭМТЕХ» при производстве источников питания для сейсмоисточников, в производственный процесс ООО «ТДМК» при контроле параметров электрической энергии, в производственный процесс ООО «НПО ТЭС» при производстве фильтрорегулирующих устройств.

Доклад результатов, обсуждение и апробация работы состоялась на следующих конференциях.

1. III Международная научно-техническая конференция «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии», Тольятти, 2010 г.;

2. УП-я Всероссийская научно-техническая конференция «Информационные технологии в электронике и электроэнергетике» ИТЭЭ-2010, Чебоксары, 2010 г.;

3. 5-я Всероссийская научно-практическая конференция «Системы управления электротехническими объектами», Тула, 2010 г.;

4. Международная научно-техническая интернет-конференция

«Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах» (ЭПАХПП-2011), Воронеж, 27-28 сентября 2011 г.;

5. IX Всероссийская научно-техническая конференция «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем» (ДНДС-2011), Чебоксары, 6-8 октября 2011 г.;

6. Международная молодёжная научно-техническая конференция «Энергосистема и активные адаптивные электрические сети: проектирование, эксплуатация, образование», Самара, 21-25 ноября 2011 г.;

7. Региональная конференции «Энергосбережение в Самарской области: актуальные проблемы и пути их решения», Самара, 15 декабря 2010 г.;

8. Всероссийская выставка «Российская неделя электроники 2010», Москва, 1-3 ноября 2010 г.;

9. IV Российский форум «Российским инновациям - Российский капитал», Оренбург, 8-10 июня 2011 г.;

10. Выставка-форум «Образование. Наука. Бизнес», Самара, 8-10 декабря 2011 г.;

11. Выставка «60 лет ТГУ: Опыт. Качество. Инновации», Тольятти,24-28 января 2011 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ. Из них 4 -в изданиях, рекомендованных ВАК России.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, приложений и библиографического списка, включающего 108 наименований. Работа изложена на 124 страницах, содержит 61 рисунок, 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, положения, выносимые на защиту, научная новизна, практическая значимость, реализация и апробация результатов работы.

В первой главе произведён обзор состояния вопроса. Описаны существующие проблемы в сетях промышленного электроснабжения. Разрабатывается система регистрации параметров электрической энергии, разрабатывается рабочая имитационная модель системы «Сеть-фильтрорегулирующее устройство- нагрузка».

Для группы производственных предприятий определены параметры качества электрической энергии (спектральный состав, отклонение действующего значения, коэффициент нелинейного искажения, частота питающей сети). Наиболее критичными параметрами являются перенапряжения, возникающие в выходные дни, периодические провалы и превышения напряжений, импульсы напряжений при работе смежных нагрузок, наличие высших гармонических составляющих в кривых питающего напряжения. Кривые фазного напряжения, полученные в реальных условиях, содержащие указанные отклонения от нормы и их

спектральный состав приведены на рис 1 и 2 соответственно. Подобные проблемы в сетях электроснабжения приводят к тому, что оборудование в таких сетях периодически работает нестабильно, происходят срабатывания устройств защиты, увеличивается время на техническую поддержку оборудования, увеличиваются простои оборудования, что, в конечном счёте, сказывается на экономических показателях предприятия в целом.

В

200

2?

'"0 0.01 £ 0.02 Рисунок 1 - Кривые фазного напряжения 1 — повышенное напряжение, 2 — пониженное напряжение, 3 — рабочий день

8 7 є 5 4 3 2

О ^

О Рабочий день II Повышенно« напряжение Ш Пониженное напряжение ■ предельно допустимые по ГОСТ

і ш.

.Озгь.п.л

і

2 3 4 5 в 7 в 9 10 11 12 13 14 16 16 17 18 10 20 21

Рисунок 2 - Спектральный состав фазного напряжения

Устройства для регулирования напряжения на нагрузке можно разделить на следующие типы по регулируемому параметру:

• регулирование спектрального состава: пассивные/активные параллельные фильтры.

• регулирование действующего значения: автотрансформаторы, вольтодобавочные устройства, конденсаторные батареи.

Недостатками перечисленных устройств является ступенчатость регулирования, высокая инерционность процессов регулирования

(длительность переходных процессов порядка единиц-десятков периодов сетевой частоты), невозможность регулирования полного спектрального состава (гармоник не входящих в набор фильтров). Кроме того фильтры дополнительно приводят к потерям, а вольтодобавочные регуляторы в зависимости от типа могут вносить дополнительные искажения в форму кривой напряжения.

Потребность в создании системы регистрации показателей качества электрической энергии возникла из-за того, что существующие аналоги могут определять только ограниченное количество параметров качества электрической энергии из списка, регламентируемых ГОСТ 54149-2010. При этом невозможность непрерывной фиксации мгновенных значений тока нагрузки и напряжения на нём, малая дискретность измеренных значений и невозможность изменения алгоритма работы сильно ограничивают использование таких приборов при решении исследовательских задач.В таблице 1 представлены решения, существующие на рынке, в сравнении с разработанной нами системой регистрации показателей качества электрической энергии.

Таблица 1 — сравнение средств регистрации

Название Кол-во Длит-сть ЧастотЕ Интервал Интерфейсы Получение Откры-

каналоЕ храненш дискр. макс., Гц дискр., с необр. данных тость

Ресурс-ПКЭ 2x3 7 суток 0.03 3,20,60 RS-232/ RS-485 115.2 кб/с нет нет

Pecypc-UF2M- 6 7 суток 0,016 60 RS-232/ RS-485 нет нет

ЗТ52-5-100- 115.2 кб/с, USB-

1000 Flash

КИПП-2М 6 5-298 дней 0,016 60-3600 RS-232/ RS-485, 115.2 кб/с, Ethernet 100 Мб/с нет нет

АКЭ-824 6 3 месяца 1 1-3600 USB нет нет

Энергомонитор 6 7 суток 0,03 3,60,1800 RS-232, USB 115.2 нет нет

З.ЗТ1 кб/с

PK 6.05М 6 8 суток. 0,016 60 RS-232 115,2 кб/с нет нет

Fluke 1760TR 8 2Гб(не указано) 100 0.01,0.02,0 2,3 RS-232 115.2 кб/с, Ethernet 100 Мб/с нет нет

Разработанный 32 (не Оф.) не Оф. 10 000 (не огр.) Определ. платой АЦП Ethernet -1000 Мб/с, расширяемо да да

Разработанная программно-аппаратная система предназначена для регистрации параметров качества электрической энергии с последующей их обработкой. В основе программной части системы лежит модульная архитектура, при этом каждый модуль построен на принципе открытого программного обеспечения, что позволяет получить конечному пользователю

любую необходимую информацию в конкретных задачах. Одновременно с этим использование кросс-платформенного программного обеспечения позволяет расширить возможности по применению системы регистрирования параметров качества.

Структурная схема системы регистрации представлена на рисунке 3.

Дагтчиш

Рисунок 3 - Структурная схема система регистрации параметров электрической энергии

Здесь ПК — персональный компьютер, ГИ — графический интерфейс, I/O — интерфейсы ввода/вывода (при необходимости, включая АЦП), SQLBfl— база данных SQL в которой хранятся все данные. Система периодически опрашивает датчики, обрабатывает информацию полученную с них и сохраняет информацию в БД. Дополнительные программные модули могут получить информацию за любой интервал времени и обработать её вне зависимости от работы самой системы регистрации.

При создании модели системы «сеть -фильтрорегулируюшее устройство -нагрузка» сделан упор на возможность задать кривую сетевого напряжения произвольной формы и учёт особенностей нагрузки различных типов— активной, реактивной, параметрической. Ключевым моментом при этом является способность модели нагрузки устанавливать однозначную связь между напряжением сети произвольной формы и током, протекающим через нагрузку. Наиболее эффективно эта задача решается с использованием выражений, полученных в работах A.B. Агунова и М.В. Агунова и описывающих полное сопротивление нагрузки при его декомпозиции на активную, реактивную составляющие и составляющую искажения сопротивления. Схема замещения представлена на рисунке 4.

и

Рисунок 4 — Схема замещения потребителя Здесь Яа - составляющая сопротивления нагрузки, моделирующая активное сопротивление, на котором теряется активная мощность, Хр -

среднее значение реактивной составляющей полного сопротивления нагрузки, на котором теряется реактивная мощность, Хи - составляющая сопротивления, определяющая величину мощности искажения и -напряжение на нагрузке, I - ток протекающий в нагрузке.

При этом величины составляющих сопротивления для данной на рисунке 4 схемы замещения определяются согласно выражениям (1), (2) и (3):

_ ІЬі "к'к

ЕЙ.1 '

Х„ =

І"=1 Чк-Нкі О

ЕЙ., «2(0 '

где Н(1) — преобразование Гильберта от функции тока,

«и У*

и„, - и,

(1) (2)

(3)

•Рк

где ии - действующее значение напряжение искажения, 1н -действующее значение тока в нагрузке. иа - активная составляющая падения напряжения в нагрузке, ир - реактивная составляющая падения напряжения в нагрузке.

Моделирование параметрического характера нагрузки в среде йітиііпк осуществляется с использованием модуля, изображённого на рисунке 5. Он позволяет управлять моментами подключения и отключения электрической нагрузки к источнику питания.

Рисунок 5 — Блок моделирования параметрической нагрузки На примере станка ЧПУ «Размер 2М-5-21-011УХЛ4» произведён

эксперимент определения параметров блока нагрузки. Разработана программа для автоматизации определения параметров блоков нагрузки модели сети на основе реальных зафиксированных кривых токов и напряжений.

Вторая глава посвящена разработке способа компенсации отклонения мгновенных значений от заданных значений. Рассматривается вопрос влияния параметров согласующего трансформатора на параметры качества электроэнергии на нагрузке. Определены оптимальные параметры согласующего трансформатора для снижения гармонических составляющих и поддержания действующего значения в допустимых пределах.

Вопрос вычисления компенсирующего воздействия важен, т. к. традиционный подход подразумевает двукратное использование преобразования Фурье - прямого и обратного. Даже применение быстрого преобразования Фурье необходимо N 1о§(Ы) операций, где N - количество отсчётов. Для спектра в 40 гармоник это составляет 152 операции. Применение более простых выражений и алгоритмов позволит повысить скорость и точность работы ФРУ.

Рассмотрим схему замещения «сеть-ФРУ-нагрузка», показанную на рисунке 6. Здесь сетевое напряжение представлено источником напряжения ивх, ФРУ вырабатывает напряжение и к нагрузке прикладывается

напряжение ин. Обратим внимание на способ подключения ФРУ к системе «сеть - нагрузка» через согласующий трансформатор.

ФРУ

Щ:

Сеть О | Ч„ ин | N Нагрузка

Рисунок 6 - Эквивалентная схема системы «сеть — ФРУ— нагрузка»

Напряжение, поступающее из сети, можно представить в виде суммы идеального напряжения и„я, которое должно прикладывается к нагрузке, и напряжения, являющегося суммой всех искажений и помех ипом, последовательно включённых источников ЭДС, как в формуле (4):

1/„(0 = У„д(0 + Упо«(0 (4)

Будем считать, что на нагрузке {/„после ФРУ должно соответствовать идеальномуУ„ = Уид,тогда выражение (5) для вычисления компенсирующего воздействия примет вид:

1/ннвСО = Ктр(2 • МО + и«(0 - уид(О), (5)

где 1/инв - напряжение, генерируемое инвертором, Утр1 - приведённое ко вторичной обмотке напряжение, генерируемое в сеть фильтрорегулирующим устройством, ипоТ - напряжение потерь в трансформаторе.

Применение предложенного способа вычисления управляющего воздействия существенно упрощает построение регуляторов напряжения, так

как используются только арифметические действия. За счёт этого существенно снижаются временные затраты на вычисление - как минимум в 38 раз. При этом учитываются потери энергии в трансформаторе. Данный способ вычисления компенсирующего воздействия запатентован(патент 1Ш2449457 - способ регулирования формы кривой питающего напряжения).

Рассмотрим обобщённую структурную схему алгоритма функционирования системы управления. Её можно разделить на два блока: вычисления корректирующего воздействия и слежения за напряжением. Структурные схемы для случая регулирования напряжения посредством мостового п/п преобразователя представлены на рисунках 7 и 8. На рисунке 7 изображено вычисление граничных условий для корректирующего действия.

Рисунок 7 - структура системы вычисления корректирующего воздействия

На рисунке 8 видно как происходит переключение диагоналей инвертора ФРУ по релейному принципу управления

На основе описанного способа управления создана имитационная модель регулятора напряжения в системе МаиаЬ/БтиПпк.

Разработанная модель включает в себя 3 источника напряжения (шум, гармоники, силовой источник) для моделирования сети электроснабжения, управляемый источник, включённый в сеть через трансформатор, составляющий в сочетании с ним исполнительную силовую часть ФРУ, также нагрузку и блоки для вычисления компенсирующего воздействия.

М

Случайный исто«*«

&

Г

5(2>

©

Шум Гармоники

Сшус 2

?7ьР

| Сипі

ГЦ)

СиповоЯ источник

&

Вольтметр 3 Синус

"и

Система управления <

ми

^ умножение

---Ь

г^л

Нагрузка Тра н сфор мато р

I,

Управляемый источник

р

о-НЭ

Напряжение на нагрузке Постоянная

Умножение

Рисунок 9 - Модель системы в среде ЗітиГтк

В третьей главе рассматривается вопрос стабильности работы ФРУ. Преимуществом предлагаемого способа регулирования напряжения на нагрузке является его малая инерционность. Система управления ФРУ следит за напряжением на нагрузке, и в случае отклонения мгновенного значения напряжения, добавляет напряжение источника ФРУ необходимой полярности. Максимальная частота регулирования ФРУ определяется быстродействием микроконтроллера (МК) и применяемыми ключевыми элементами. Благодаря этому происходит регулирование формы кривой каждого периода напряжения, отличающее метод от уже существующих решений, в которых для вычисления управляющего воздействия происходит измерение значений сетевого напряжения в течение периода сетевого напряжения с последующей обработкой либо с использованием аппарата гармонического анализа, либо, даже, с использованием вэйвлет-преобразований. Вследствие чего достигается фильтрация высших гармонических составляющих и контроль действующего значения напряжения на нагрузке «мгновенно», с задержкой, определяемой только быстродействием системы управления и силовой части фильтрорегулирующего устройства. Кроме того, как следствие, практически отсутствуют явления фликкера и колебаний напряжения.

Зависимость коэффициентов несинусоидальности напряжения нагрузки от параметров согласующего трансформатора представлена на рисунке 10. Здесь видна область оптимальных значений «1».

Нами рассмотрены вопросы стабильности функционирования системы, в том числе в случае нештатных режимов работы, таких как короткое замыкание в обмотках трансформатора, отключение управления ФРУ. На рисунке 11 представлены диаграммы Боде для ФРУ.

Рисунок 10- Зависимость коэффициента гармонических составляющих от параметров трансформатора приведённых к параметрам нагрузки

8о<1е Оаужяі

Г гот. 1' Те: Прілій

1

3

0.9&$2 І І ііііі ...і..і ІІІІІ ІІІІ і І ІІІІІІ і і ІІІІІ І і і ііііі і і ІІІІ' І Іі ііііі І і і ІІІІ

< ■ ■ Г V НІГ!---- —гп тптг— •т-п ■ЛІГ---- І тт ГП"" "ГП ГГГП ' ! і ■ щ

|

1

—1 і і .1 ц ііііі,. шіі ... и.. . ..-і ■ і .піл ^ ііііі-.-—І --іііі«... .і аііі.. .І.ІІІІІІІ

10"" «■* Ю*1 1С® >с' 101 16 10* 10" 18

гг«щепсу (Нг)

Рисунок 11 —Диаграммы Боде модели ФРУ

Модель является стабильной во всём диапазоне рабочих частот, т. к. удовлетворяет критериям устойчивости (усиление < 1, фаза < 330°). В случае выхода ФРУ из строя, система «сеть - нагрузка» остаётся работоспособной.

В главе предложен способ повышения стабильности и точности синхронизации устройства с сетью электроснабжения, заключающийся в одновременном определении как постоянной составляющей в сигнале синхронизации, так и момента перехода через ноль при высокочастотных осцилляциях.

Четвёртая глава посвящена вопросам реализации физической модели. В ней рассмотрены вопросы выбора архитектуры ФРУ, влияния методов управления ключами инвертора в зависимости от метода ШИМ и алгоритма управления на стабильность системы «сеть-ФРУ-нагрузка».

В процессе моделирования работы ФРУ была выявлена зависимость напряжения на конденсаторе инвертора ФРУ от режима работы и, соответственно, формы напряжения в сети электроснабжения. Для поддержания этого напряжения в допустимых пределах, определяющих работоспособность ФРУ, и как следствие повышения стабильности работы системы «сеть-ФРУ-нагрузка», была разработана и экспериментально проверена схема контроля напряжения (СКН). По результатам имитационного моделирования разработана физическая модель бестрансформаторного следящего ФРУ, проверена в реальных условиях работоспособность способа управления ФРУ.

По результатам работы модели можно заключить, что принципы, положенные в основу системы регулирования, верны.

Система управления ФРУ физической модели построена на базе МК, 3 датчиков напряжения, описывающих текущее состояние управляемой системы, и инвертора напряжения, управляемого подиагонально. Общая структура системы управления ФРУ представлена на рисунке 12.

Диагональ инвертора 1

Диагональ инвертора 2

Рисунок 12 — структура системы управления ФРУ

Фото установки ФРУ с СКН представлено на рисунке 13.

Результаты эксперимента приведены в таблице 2. Видно, что отклонения действующего значения до включения ФРУ превышают значения нормируемые ГОСТ 54149-2010. После включения соответствуют ГОСТ. Таким образом, результаты моделирования подтверждают работоспособность предлагаемого метода регулирования напряжения и ФРУ в целом. Также при работе ФРУ уровни высших гармоник напряжения составляют не более 0.2% от основной гармоники по сравнению с входным уровнем порядка единиц процентов (до 7%).

ивх

иэт МК

итр

ІҐ

Рисунок 13 —установка ФРУ с С.К11

Таблица 2 — результаты моделирования ФРУ

До включения ФРУ После включения ФРУ

Коэффициент гармонических составляющих, % Отклонение напряжения, % Коэффициент гармонических составляющих, % Отклонение напряжения, %

Рабочий день 1,64 0,52 0,37 0,16

Повышенное напряжение 1,44 6,62 0,34 0,11

Пониженное напряжение 1,64 8,26 0,3 0,24

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в результате диссертационных исследований получены следующие новые научные результаты:

1. Разработано устройство регистрации, вычисления и вывода мгновенных значений напряжения, тока и показателей качества электроэнергии в электрических сетях 0.38 кВ; получено свидетельство о регистрации программы №2012614912.

2. Экспериментальное исследование и математическая обработка мгновенных значений напряжения, тока и показателей качества электроэнергии в системе электроснабжения 0,38 кВ. питающей

чувствительные к искажениям электроэнергии ЭП, показало, что в исследованной системе электроснабжения присутствуют отклонения от значений регламентированных ГОСТ54149-2010 - присутствуют 9 гармоника амплитудой до 16%, а также постоянная составляющая амплитудой 9%.

3. Разработан способ компенсации отклонения мгновенных значений напряжения, питающего индивидуальный ЭП или группу ЭП от заданных параметров, подтверждённый патентом.

4. Разработанная имитационная модель регулятора, реализующая предложенный способ выработки компенсационного воздействия, подтверждает адекватность применения данного способа для управления ФРУ последовательного типа. Разработанное устройство является стабильным на всём рабочем диапазоне параметров, таких как частота гармоническим напряжения, напряжения питания инвертора ФРУ, температура ключей инвертора.

5. Разработана методики формирования выходного сигнала фильтрорегулирующего устройства, обеспечивающая компенсацию отклонений мгновенных значений напряжения на ЭП;

6. Оценка стабильности работы ФРУ от внешних и внутренних воздействий показала, что система "сеть — ФРУ - нагрузка" является устойчивой и стабильной.

7. Разработанное схемотехническое решение было реализовано в виде физической модели последовательного фильтрорегулирующего устройства.

8. Экспериментальная проверка на физической модели показала обеспечение требуемых регулирования напряжения в цеховой системе электроснабжения.

Основное содержание работы опубликовано в следующих изданиях: Включённых в перечень ВАК:

1. Апарин В. А., Шевцов А. А. Использование регулятора напряжения в системе электроснабжения средних промышленных предприятий / В. А. Апарин, А. А. Шевцов // Вектор науки Тольятгинского государственного университета. — 2010. — №3. — С. 79—81.

2. Апарин В. А., Шевцов А. А. Способ регулирования сетевого напряжения/ В.А.Апарин, А.А.Шевцов // Промышленная энергетика-2010 -№ 10. —С. 27-30.

3. Апарин В. А., Шевцов А. А. Особенности использования согласующих трансформаторов последовательно типа / В. А. Апарин, А. А. Шевцов // Вектор науки Тольятгинского государственного университета. - 2012. —№ 1, —С. 51—53.

4. Апарин В. А., Шевцов А. А. Моделирование последовательного бестрансформаторного активного фильтра в различных режимах работы / В. А. Апарин, А. А. Шевцов // Вектор науки Тольятгинского государственного университета. — 2013. — № 1. — С. 91—96.

В других научных изданиях:

5. Апарин В. А. Построение открытой системы регистрации состояния сети электроснабжения / В. А. Апарин, А. А. Шевцов //. Материалы VII всеросс. науч.-техн. конф. Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике: сб. статей. — 2010 - С. 229-236.

6. Апарин. В. А. Моделирование регулятора напряжения в сети электроснабжения / В. А. Апарин, А. А. Шевцов // Известия ТулГУ. Вып. 5. Материалы V всеросс. науч.-техн. конф. Системы управления электротехническими объектами: сб.ст. - 2010. - С. 4-8.

7. Апарин В. А. Классификация систем компенсации неактивных составляющих мощности / В. А. Апарин // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии: сб. тр. междун. науч-тех. конф. - 2009. - С. 131-137.

8. Апарин. В. А. Актуальность построения систем энергетического анализа на базе вейвлет-преобразований / В. А. Апарин, А. А. Шевцов // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии: сб. научн. тр. междунар. науч.-тех. конф. —2009.— С. 7-11.

9. Апарин В. А., Шевцов А. А. Влияние внешних воздействий на стабильность работы фильтрокомпенсирующего устройства последовательного типа / В. А. Апарин, А. А. Шевцов // Электроэнергетика глазами молодёжи т.1.: сб. докладов, междун. молодёжной науч.-тех. конф. -2011- С. 280-285.

10. Апарин. В. А. Управление формой питающего напряжения в сетях малой мощности / В. А. Апарин, А. А. Шевцов // IX всеросс. науч-тех. конф. Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем (ДНДС-2011): сб. научных трудов. - 2011.-С. 238-241.

11. Апарин, В. А., Шевцов А. А. Моделирование работы активного фильтрорегулирующего устройства совместно с нагрузкой параметрического вида / В. А. Апарин, А. А. Шевцов // Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах (ЭПАХПП-2011): сб. статей междун. науч.-тех. Интернет-конф.. - 2011. — С. 416^20.

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д212.217.04 Самарского государственного технического университета (протокол№Ъ^от 1ГЧ.>.\.. 2013 г.). Заказ № ЪаТираж 100 экз.

Отпечатано на принтере. Типография ООО "ИнфоЛада". Адрес Самарская обл., г. Тольятти, ул. Свердлова 17а

ФГБОУ ВПО Тольяттинский государственный университет

На правах рукописи

04201454802

Апарин Владимир Александрович

РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ЦЕХОВЫХ СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководить

Кандидат технических наук,

доцент

Шевцов Александр Александрович

Самара-2013

Оглавление

Оглавление....................................................................................................................................................2

Введение.......................................................................................................................................................4

Актуальность проблемы..........................................................................................................................4

Цель исследования...................................................................................................................................6

Методы исследования..............................................................................................................................7

Положения, выносимые на защиту........................................................................................................8

Научная новизна.......................................................................................................................................8

Практическая ценность...........................................................................................................................9

Внедрение результатов работы...............................................................................................................9

Апробация работы...................................................................................................................................9

Глава 1 — Исследование качества электрической энергии в цеховых электрических сетях промышленных предприятий...................................................................................................................11

1.1 Проблема качества электрической энергии в сетях электроснабжения.....................................11

1.2 Влияние качества электрической энергии на работу оборудования...........................................13

1.3 Способы управления спектральным составом кривой питающего напряжения на потребителях электрической энергии..................................................................................................15

1.4 Система регистрации параметров электрической энергии..........................................................28

1.5 Создание программного обеспечения для ускорения/упрощения процесса моделирования процессов в сетях электроснабжения, система регистрации параметров электрической энергии 29

1.6 Спектральный состав кривой сетевого напряжения в реальных условиях................................37

Выводы....................................................................................................................................................52

Глава 2 - разработка способа компенсации отклонения мгновенных значений напряжения от заданных параметров кривой напряжения..............................................................................................53

2.1 Разработка способа компенсации отклонения мгновенных значений напряжения..................53

2.2 Имитационная модель компенсирующего устройства.................................................................55

2.3 Имитационная модель «сеть - фильтрорегулирующее устройство - нагрузка», блоки и их применение для моделирования в Ма^аЬ/БипиИпк............................................................................59

2.4 Создание экспериментальной модели сети...................................................................................63

Выводы....................................................................................................................................................66

Глава 3 - исследование стабильности работы уточнённой модели ФРУ..............................................68

3.1 Методика формирования выходного сигнала фильтрорегулирующего устройства..................68

3.2 Модель последовательного бестрансформаторного фильтрорегулирующего устройства.......70

3.3 Стабильность работы системы.......................................................................................................76

Выводы....................................................................................................................................................90

Глава 4 - Разработка физической модели ФРУ.......................................................................................92

4.1 Влияние питающего напряжения на точность работы ФРУ........................................................92

4.2 Влияние программно-аппаратных составляющих модели ФРУ.................................................96

4.3 ФРУ с контролем напряжения на конденсаторе инвертора ФРУ.............................................100

4.4 Физическая модель ФРУ с СКН...................................................................................................110

Выводы..................................................................................................................................................112

Заключение...............................................................................................................................................113

Список литературы:.................................................................................................................................115

Введение Актуальность проблемы

В настоящее время множество предприятий малого и среднего бизнеса используют промышленные сети напряжения 0.38 кВ для своих производственных нужд. Это связано, в основном, с тем, что оборудование, применяемое на подобных предприятиях, имеет мощности до десятков киловатт, однако число таких потребителей может достигать значительного количества.

При этом, как правило, малые и средние производственные предприятия располагаются группами на площадях, где существуют определённые коммуникации (в частности сети промышленного напряжения), часто на территории крупных производственных центров (заводов) или смежных с ними. При таком расположении производств нередки случаи, когда на качество получаемой потребителем электроэнергии оказывают влияние смежные потребители. В то же время организации малого и среднего бизнеса часто не имеют возможностей для оказания влияния на смежных потребителей и энергоснабжающих организаций. Задача обеспечения стабильной работы всего парка технологического оборудования является первостепенной для производственного предприятия. Это задача является одной из основных для экономического выживания предприятием. При этом решением этой задачи оказывается озабочено непосредственно само предприятие.

С учётом того что некоторое оборудование, в частности системы управления, вычислительная техника, гораздо более восприимчивы к качеству питающего напряжения, то встаёт вопрос об обеспечении требуемого уровня качества электроэнергии. Важным является то, что некоторые электроприёмники являются гораздо более критичными к качеству электроэнергии. Это проявляется различными вариантами:

• идёт снижение качества выпускаемой,

• оборудование чаще выходит из строя,

• системы защиты отключают оборудование для его сохранения.

Все перечисленные варианты ведут к экономическим потерям:

• повышение количества брака приводит к дополнительным затратам на материалы и ресурсы при производстве,

• снижение качества выпускаемой продукции приводит к снижению стоимости продажи готовой продукции,

• простой оборудования приводит к повышению накладных,

• затраты на ремонт оборудования и автоматики защиты.

Как правило, наиболее восприимчивыми к качеству электрической энергии являются системы управления, основанные на ЧПУ. При этом если использование советских и российских ЧПУ при недостаточном качестве электроэнергии приводит к снижению качества выпускаемой продукции, то более современные иностранные образцы, в частности, выпускаемые компанией FANUC, просто отказываются работать до обеспечения требуемого уровня качества электроэнергии. Важно отметить, что подобное оборудование часто имеет повышенные требования к качеству электрической энергии по сравнению с регламентированными в РФ согласно ГОСТ54149-2010 "Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения". Таким образом, даже в ситуации, когда нормы качества электроэнергии обеспечиваются согласно российским стандартам, существуют ситуации, когда применение оборудования не возможно. В то же время применение российских аналогов если и возможно, то ещё больше снижает качество выпускаемой продукции в случае низкого качества электроэнергии. Также стоит отметить, что отечественные аналоги зачастую имеют худшие характеристики по сравнению с иностранными. Таким образом, у компании, которая использует ЧПУ в условиях низкого качества электроэнергии практически не остаётся выбора - снижение качества продукции или отсутствие возможности её выпуска. Подобная ситуация складывается и для программируемых логических контроллеров в частности производства компании Siemens - в них заложена стандартная функция отключения системы управления при достаточном уровне качества электроэнергии. В современных условиях отсутствие конкурентного преимущества зачастую является критичным для

выживания компании на рынки. С этой точки зрения проблема качества электрической энергии для малых и средних предприятий является крайне актуальной.

Кроме этого в некоторых случаях низкое качество электроэнергии приводит к дополнительному нагреву и выходу их строя менее восприимчивых устройств - таких как двигатели, компенсирующие установки. Что в свою очередь также сказывается на экономической и технологической эффективности работе предприятия.

Современные системы регулирования качества электроэнергии направлены в основном на снижение потребляемой реактивной мощности и устранение тока высших гармоник сетях электроснабжения. Этому посвящены работы большинства российских и зарубежных учёных, среди которых можно назвать Агунова А. В., Агуно-ва М. В., Вагина Г.Я. Дьякова Д.Ф., Жежеленко И. В., Железко Ю. С., Кужекина И.П., Лабунцова В. А., Лоскутова А.Б., Розанова Ю. К., Севостьянова A.A., Чаплыгина Е. Е., Шидловского А. К., Н. Akagi, Y. Kanazawa и т. д. Наиболее распространённым решениями являются тиристорные компенсаторы и конденсаторные установки.

В то же время регулированию формы кривой питающего напряжения посвящено не так много публикаций. Среди учёных занимающих этой проблемой можно выделить Агунова A.B., который занимался исследованием компенсации реактивной мощности[24, 29], разработал способ определения составляющих мощности [109].

Для регулирования напряжения используются автотрансформаторы, источники бесперебойного питания, генераторы электрической энергии, однако эти решения малопригодны для больших мощностей нагрузки, в основном из-за высокой стоимости и больших габаритов. Решения на основе силовых активных фильтров пока не нашли широкого применения, хотя первые разработки в этом направлении в России датируются 80-ми годами XX века.

Цель исследования

Целью работы является регулирование напряжения на электроприёмниках в системах электроснабжения 0,38 кВ на основе последовательного активного фильтра, компенсирующего отклонение мгновенных значений напряжения от заданных параметров.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

1. разработка устройства регистрации, вычисления и вывода мгновенных значений напряжения, тока и показателей качества электроэнергии в электрических сетях 0.38 кВ;

2. экспериментальное исследование и математическая обработка мгновенных значений напряжения, тока и показателей качества электроэнергии в системе электроснабжения 0,38 кВ, питающей чувствительные к искажениям электроэнергии ЭП;

3. разработка способа регулирования мгновенных значений напряжения, питающего индивидуальный ЭП или группу ЭП;

4. разработка имитационной модели «сеть - фильтрорегулирующее устройство -нагрузка», обеспечивающей реализацию способа регулирования мгновенных значений напряжения;

5. разработка методики формирования выходного сигнала фильтрорегулирующего устройства, обеспечивающей регулирование мгновенных значений напряжения;

6. оценка стабильности работы фильтрорегулирующего устройства при внутренних и внешних воздействиях;

7. разработка схемотехнического решения и создание физической модели фильтрорегулирующего устройства, обеспечивающего регулирование мгновенных значений напряжения;

8. экспериментальная проверка на физической модели обеспечения требуемых показателей качества электроэнергии в системе электроснабжения.

Методы исследования При анализе кривой сетевого напряжения и результирующего напряжения после фильтрорегулирующего устройства на нагрузке используется аппарат рядов Фурье. При исследовании адекватности разработанного способа регулирования напряжения на нагрузке используются методы математического и имитационного моделирования физических процессов в электрических цепях. Экспериментальные методы основаны на применении инструментальных средств с последующей

цифровой математической обработкой сигналов на основе частотного анализа и преобразования Гильберта.

Положения, выносимые на защиту В ходе диссертационного исследования были получены основные результаты, сформулированные автором, как положения, выносимые на защиту:

1. Способ компенсации мгновенных значений напряжения, питающего индивидуальный ЭП или группу ЭП от заданных значений;

2. Устройство регистрации, вычисления и вывода мгновенных значений напряжения, тока и показателей качества электроэнергии в системе электроснабжения 0.38 кВ с частотой дискретизации 44 кГц.

3. Имитационная модель системы «сеть - фильтрорегулирующее устройство -нагрузка», обеспечивающая реализацию способа регулирования мгновенных значений напряжения.

4. Критерии стабильности работы фильтрорегулирующего устройства при внутренних и внешних воздействиях.

5. Схемотехническое решение фильтрорегулирующего устройства, обеспечивающего регулирование мгновенных значений напряжения.

Научная новизна

1. разработан способ компенсации отклонения мгновенных значений напряжения, питающего индивидуальный ЭП или группу ЭП (патент РФ № 2449457);

2. разработана имитационная модель «сеть - фильтрорегулирующее устройство -нагрузка», обеспечивающей реализацию способа регулирования мгновенных значений напряжения;

3. разработана методика формирования выходного сигнала фильтрорегулирующего устройства, обеспечивающая регулирование мгновенных значений напряжения;

4. получены критерии стабильности работы фильтрорегулирующего устройства при внутренних и внешних воздействиях.

Практическая ценность

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработано устройство и программное обеспечение позволяющее проводить регистрацию, вычисление и вывод мгновенных значений напряжения, тока и показателей качества электроэнергии в системе электроснабжения 0.38 кВ с частотой дискретизации 44 кГц (свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2012614912).

2. Получены мгновенные значения показателей качества электроэнергии в системе электроснабжения 0.38 кВ, питающей чувствительные к искажениям электроэнергии электроприёмники.

3. Разработана программа управления фильтрорегулирующим устройством, обеспечивающая компенсацию отклонений мгновенных значений напряжения (свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2011610683).

4. Создано схемотехническое решение и физическая модель фильтрорегулирующего устройства обеспечивающего регулирование мгновенных значений напряжения.

Внедрение результатов работы

Результаты работы были внедрены в учебный процесс Тольяттинского государственного университета в дисциплины «Электромагнитная совместимость полупроводниковых преобразователей» и «Основы преобразовательной техники», в производственный процесс ООО «ВИЭМТЕХ» при производстве источников питания для сейсмоисточников, в производственный процесс ООО «ТДМК» при контроле параметров электрической энергии, в производственный процесс ООО «НПО ТЭС» при производстве фильтрорегулирующих устройств.

Апробация работы Результаты работы были доложены и обсуждены на следующих конференциях:

1. III Международная научно-техническая конференция «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии», Тольятти, 2010 г.;

2. VII-я Всероссийская научно-техническая конференция «Информационные технологии в электронике и электроэнергетике» ИТЭЭ-2010, Чебоксары, 2010 г.;

3. 5-я Всероссийская научно-практическая конференция «Системы управления электротехническими объектами», Тула, 2010 г.;

4. Международная научно-техническая интернет-конференция «Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах» (ЭПАХПП-2011), Воронеж, 27-28 сентября 2011 г.;

5. IX Всероссийская научно-техническая конференция «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем» (ДНДС-2011), Чебоксары, 6-8 октября 2011 г.;

6. Международная молодёжная научно-техническая конференция «Энергосистема и активные адаптивные электрические сети: проектирование, эксплуатация, образование», Самара, 21-25 ноября 2011 г.;-

7. Региональная конференции «Энергосбережение в Самарской области: актуальные проблемы и пути их решения», Самара, 15 декабря 2010 г.;

8. Всероссийская выставка «Российская неделя электроники 2010», Москва, 13 ноября 2010 г.;

9. IV Российский форум «Российским инновациям- Российский капитал», Оренбург, 8-10 июня 2011 г.;

10. Выставка-форум «Образование. Наука. Бизнес», Самара, 8-10 декабря 2011 г.;

11. Выставка «60 лет