Методы повышения качества энергии в электрических сетях ограниченной мощности

Таким образом, можно утверждать:

1. Отсутствие учета сопротивления заземления аппаратов ПС при расчете грозовых перенапряжений недопустимо.

2. При проектировании ЗУ ПС необходимо усиливать заземление О ПН, а также связи по

шинам заземления между защищаемым объектом и защитным аппаратом.

3. При проектировании системы грозозащиты нужно уделять особое внимание аппаратам крайних и линейных присоединений, в случае необходимости устанавливать на данных присоединениях дополнительные комплекты ОПН

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Экспериментальные исследования локальных импульсных сопротивлений основных и защитных аппаратов подстанций / Н.И. Гумерова, А.Н. Данилин, Б.В. Ефимов, В.В. Колобов, П.И. Прокопчук// Сб. тр. X Рос. науч.-тех. конф. "ЭМС-2008". ВИТУ. СПб., 2008.

2. Моделирование заземляющего устройства опоры ВЛ для импульсных режимов / Ю.Н. Бочаров,

Н.В. Коровкин, С.И. Кривошеев, А.П. Ненашев, A.A. Парфентьев, СЛ. Шишигин; Под ред. Ю.В. Це-лебровского// Сб. докл. 1 Рос. конф. по молниезащите. Сиб. энергетич. акад. Новосибирск, 2007. 480 с.

3. Руководство по защите электрических сетей 6— 1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений / Под научн. ред. H.H. Тиходеева. ПЭИПК Минтопэнерго РФ. СПб., 1999.

УДК629.1 2.03-83

A.M. Прохоренков

МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ ОГРАНИЧЕННОЙ МОЩНОСТИ

Применение частотно-регулируемых электроприводов (ЧРЭ) на базе асинхронных, синхронных, вентильно-реактивных двигателей (8ЯМ), а также двигателей постоянного тока, получающих энергию от статических преобразователей, привело к ухудшению качества электроэнергии сетей переменного тока, связанному с появлением широкого спектра гармонических составляющих в напряжении сети [1,2].

Экспериментальные данные, которые были получены в результате исследований электроэнергетических систем (ЭЭС) с мощнымитири-сторными приводами на буровых установках типа "Шельф" и "Мурманская", показали, что распределения амплитуд и спектра гармоник тока и напряжения в таких судовых сетях носят случайный, нестационарный характер. Качество электрической энергии при работе основного технологического оборудования в различных эксплуатационных режимах, особенно в местах проведения буровых работ, не соответствует требованиям правил Морского регистра судоходства [6]. При работе буровой лебедки, буровых насосов и бурового оборудования Тор Опу ко-

эффициент нелинейных искажений напряжения ЭЭС на СПБУ "Мурманская" даже при включенных двух фильтр-компенсирующих устройствах (ФКУ) достигал 63,8 % (допустимая величина по нормам [6] не более 10 %.).

В этой связи исследования, связанные с компенсацией влияния высокочастотного спектра гармоник в любых электрических сетях, актуальны.

Постановка задачи

Задача компенсации высших гармоник в электрических сетях при случайном процессе изменения ее импеданса и случайной последовательности генерирования гармоник может быть решена путем использования силовых активных фильтров (САФ). Основные преимущества САФ — быстродействие и возможность управления процессом компенсации группы высших гармоник при изменении эквивалентного импеданса и частоты сети, а также рабочих параметров ЧРЭ. Другая отличительная особенность САФ — это то, что применяемый реактивный накопитель энергии (дроссель или конден-

сатор) не оказывает влияния на частотную характеристику ЭС и, следовательно, не вызывает явления резонанса. Указанные преимущества САФ обусловливают необходимость исследования вопросов применения их в судовых ЭЭС с буровыми установками. Из широкого круга задач, которые необходимо решать, к основным следует отнести формирование оптимальной базовой ступенчатой функции фазного компенсирующего тока активного фильтра с помощью инвертора и накопительной индуктивности. Наряду с этим так же важна задача разработки такой стратегии управления, которая обеспечивала бы эффективную компенсацию помех в электрической сети по основной гармонической составляющей тока с учетом случайного характера процессов, протекающих в ЭЭС.

Проблема инвертирования реактивного тока в ЭЭС сопряжена с решением двух основных задач: подзарядки источника реактивной энергии — индуктивного или емкостного накопителя; формирования реактивной составляющей инвертирующего тока, равной по величине и противоположной по фазе реактивной составляющей тока сети.

Для их решения предлагается метод формирования базовых функций.

Метод формирования базовых функций

В САФ на основе резонансных инверторов и полностью управляемых инверторов — ШИМ базовый сигнал, пропорциональный реактивной (гармонической) составляющей тока сети, формируется за счет разности сигналов, пропорциональных полному току сети и его активной составляющей. Регулирование тока накопителя в этих САФ осуществляется в режиме выпрямления. Применение САФ на базе инверторов с независимым регулированием тока накопителя позволяет отказаться от достаточно сложных методов формирования базовых функций, заменив их более простыми способами формирования ступенчатых функций [3, 7]. Поскольку синусоидальный ток характеризуется периодом 7и четвертьволновой симметрией, то практический интерес представляют импульс-но-волновые аппроксимирующие функции (рис. 1).

Импульсно-волновая функция с четвертьволновой симметрией и любым числом ступеней может быть представлена рядом Фурье

8 5

Тд(ш) = — ^48т(Мх/)8т(яр/), (1) пп /=1

где п — номер гармоники; А1 — амплитуда импульсов тока; 5 — число импульсов на интервале; 1д— амплитуда тока п-й гармоники; А^ — ширина импульса; Рг- — координата импульса.

Рис. 1. Условно-оптимальная трехступенчатая импульсно-волновая функция

Условие оптимальности ступенчатой функции тока сети, содержащего минимум высших гармоник,

п

где 1Х — амплитуда тока основной гармоники сети, может быть представлено как

8 5

'опт = — ^11$т(пАх1)8Н1 (прг.)8Н1 ( рг.). (3) пп /=1

Ступенчатая функция первичного тока тири-сторного преобразователя, работающего в режиме непрерывного тока, согласно (1) будет такой:

/пр

/=1

Формирование ступенчатой функции тока активного фильтра с координатами импульсов Рг и шириной Ахг- позволяет применить для него выражение

/> = /^т^^^т^р,).

=

Согласно закону Кирхгофа для точки подключения активного фильтра

'опт='пр+'>-

Уравнения (3—6) позволяют находить выходные параметры силового активного фильтра при

Р

Для случая условно-оптимального синтеза ступенчатой формы тока на интервале [0, я/2] количество ступеней определяется (исходя из потребности исключения заданных гармоник) так: 5 = + 1)/4, где — номер первой низшей из высших некомпенсированных гармоник тока, оставшихся в сети.

Реализация метода импульсно-волновых функций

Основная задача синтеза системы управления САФ — разработка такой стратегии управления, которая обеспечивала бы эффективную компенсацию основных гармонических составляющих помех в электрической сети. Учитывая случайный характер процессов, протекающих в ЭЭС, за меру оценки качества управления приняты оценки смещения математического ожидания и дисперсии гармоник относительно заданных [6]. При невыполнении этих условий в работу включается нечеткий регулятор, формирующий заранее разработанные стратегии управления для каждой ситуации [4, 7]. В таблице показан алгоритм переключений ^инвертора САФ при заданном числе ступеней соответствующем реализуемым номерам гармоник "я" компенсационного тока. Знак (—) соответствует выпрямительному режиму (заряд накопительной индуктивности), а знак (+) — инверторному режиму работы САФ.

Таблица 1 Алгоритм переключений инвертора

Число ступеней, я Номера гармоник, п Амплитуды импульсов компенсационного тока, л

3 5,7

5 5,7,11

6 5,7,11,13

Процедура вычисления амплитуды импульсов компенсирующего тока^на каждой ступени состоит из следующих этапов:

1. Определение амплитудного значения первой гармоники первичного тока 1Х

2. Вычисление амплитудного значения тока каждой ступени условно-оптимальной четвертьволновой функции : 1Х - бшР^-.

3. Вычисление среднего значения первичного тока тиристорного преобразователя: 1ё = к1х.

4. Вычисление амплитуды компенсационного тока на каждой ступени переключения инвертора САФ Л(-= (А,- - 4).

Поскольку Бтр^и к суть постоянные коэффициенты, реализация вычислений на каждой ступени переключения инвертора САФ может быть решена микропроцессорным устройством.

На рис. 2 представлена структурная схема САФ, позволяющая воплотить предлагаемую

Рис. 2. Структурная схема САФ, реализующая предлагаемую базовую концепцию компенсации высокочастотных гармонических составляющих тока в электрической сети ЭЭС

базовую концепцию компенсации высокочастотных гармонических составляющих тока в электрической сети ЭЭС с помощью вычислительного устройства, реализующего функции управления на базе специализированного микроконтроллера ЕСМ 167.

В отличие от традиционных методов регулирования тока индуктивного накопителя, в данной работе предлагается применение дополнительного выпрямителя с коммутатором, осуще-

ствляющим подзарядку в одну ступень на каждом четвертьволновом интервале [3]. Управление коммутатором производится вычислительным устройством на базе микроконтроллера, сравнивающим вычисленное и действительное, измеряемое датчиком ДТ, значения тока [7].

Временные диаграммы формирования фазного компенсирующего тока /у с согласующим устройством (ТТ) приведены на рис. 3. Микроконтроллер осуществляет обработку сигналов

Рис. 3. Диаграмма формирования ступенчатых функций тока инвертора — ШИМ

первичных токов в соответствии с описанной процедурой и выдает управляющие импульсы транзисторам (тиристорам) инвертора, формирующего ток компенсации /у. На рис. 4 представлена принципиальная схема инвертора — ШИМ с индуктивным накопителем и дополнительным источником заряда накопителя. Схема позволяет осуществить независимое регулирование тока накопителя и отказаться от достаточно сложных методов формирования базовых функций, заменив их более простыми способами формирования ступенчатых функций /ус (рис. 3). Алгоритм переключения транзисторов инвертора Т1—Т6 и транзисторных ключей Т7, Т8 очевиден из временной диаграммы (рис. 3). При одновременном открытии ключей Т7 и Т8 в интервале АХзар конденсатор С заряжает индуктивность Ьй (заштрихованные интервалы). Ток компенсации фазы А (/^) формируется следующим образом: на интервале ^ — — Ц закрыты Т7, Т8 и открываются транзисторы ТЗ, Т4, обеспечивая заряд индуктивности (интервал далее на интервале открыты Т1—Т6, посредством которых Ьёотдает энергию в сеть. Диоды VI и VI частично разряжают индуктивность ¿¿в моменты переключения тиристоров. Задача микроконтроллера — выдача цифровой информации о величине амплитуд компенсационного тока на каждой ступени импульсно-волновой функции

и дальнейшего преобразования ее в последовательность прямоугольных импульсов, длительность которых пропорциональна вычисленной амплитуде тока ступени. Силовой элемент САФ — "инвертор — ШИМ" — формирует ток компенсации необходимой величины, предел которой зависит от мощности реактивного накопителя [7]. Системой управления в соответствии с разработанным алгоритмом предусмотрено запоминание и временное хранение результатов вычислений в регистрах блока "Захват — Сравнение" микроконтроллера, который преобразует их в ШИМ-сигнал с изменяемым периодом и скважностью. Драйверы обеспечивают усиление, формирование и гальваническую развязку управляющих импульсов транзисторов (тиристоров) инвертора.

Преимущество предложенного метода — в возможности простого определения и контроля спектрального состава гармонического тока сети на каждой четверти периода, что позволяет решать задачи управления гармоническими составляющими как стохастическими [4, 7]. При комплексном управлении качеством электроэнергии такая постановка задачи неизбежна и единственно приемлема.

Аппроксимация гармонических токов им-пульсно-волновыми функциями позволяет решать задачи синтеза адаптивного фильтра, пред-

Рис. 4. Схема инвертора — ШИМ с индуктивным накопителем и дополнительным источником заряда накопителя

4 г 4-1 z

1к~ й

Рис. 5. Схема адаптивного трансверсального фильтра

ставляя его в виде одновходового адаптивного линейного сумматора с элементами задержки, как на рис. 5.

В этой схеме вектор входного сигнала Тк (гармонический ток сети, представленный заданным числом ступеней я), с к-временным отсчетом на каждой ступени имеет соответственно я-компонент, любой из которых придано управление с помощью регулирования весовых коэффициентов и м;8кк. Используя векторные обозначения, можно записать выражение выходного сигнала фильтра одним соотношением в следующем виде:

^пр к 1опт/:

-Тк™к=1ошк~™кТк-

В процессе адаптации фильтра с функциональной обратной связью вектор весовых коэффициентов должен корректироваться таким образом, чтобы выходной сигнал имел наилучшее приближение к его эталонному значению. Обычно процесс адаптации направлен на минимизацию среднеквадратичного значения или средней мощности сигнала ошибки:

1/к = ^оптк = 'оптк

Дискретизация входного сигнала импульс-но-волновыми функциями с последующими преобразованиями Фурье, рассмотренная в работе [5], отвечает требованиям ортогональности.

Если временная коррекция весовых коэффициентов не рассматривается (у вектора весовых коэффициентов отсутствует индекс /с) , то функция ошибки определяется свойствами корреляционной матрицы входного сигнала. Нахожде-

ние собственных значений матриц, а затем ви-неровского вектора весовых коэффициентов — сложная задача. В работе [5] показано, что если сигнал ошибки не коррелирован (ортогонален) с входными сигналами, умноженными на весовые коэффициенты {1км?к), то вектор весовых

коэффициентов приближается к винеровскому. Адаптация весовых коэффициентов может осуществляться в соответствии с алгоритмом наименьших квадратов.

Описание гармонического тока сети с помощью импульсно-волновых функций позволяет реализовать алгоритм управления САФ на основе достаточно точной информации о величине основной гармоники тока сети.

Предложенная в работе концепция фильтрации высших гармоник в судовой электрической сети может быть реализована простыми программно-аппаратными средствами с минимальными затратами.

Проведен комплекс исследований в лаборатории судовых электрических станций на главном распределительном щите типа ШМХ, работавшем на нагрузку мощностью 2,5 кВт с частотным преобразователем и САФ, реализующим предлагаемую концепцию компенсации высокочастотных гармонических составляющих тока в электрической сети ЭЭС (см. рис. 2 и 4). Он показал эффективность предлагаемого метода и алгоритмов. Коэффициент нелинейных искажений напряжения (Кни) при работе САФ не превышал четырех процентов, в то время как без САФ при нагрузке 2 кВт Кт превосходил величину 27 %.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Анисимов Я.Ф., Васильев Е.П. Электромагнитная совместимость полупроводниковых преобразователей и судовых электроустановок. J1.: Судостроение, 1990. 264 с.

2. Головацкий В.А. и др. Источники вторичного электропитания. / Под редакцией Ю.И. Конева // М.: Радио и связь, 1990. 280 с.

3. Прохоренков A.M., Ремезовский В.М. Программно-аппаратная реализация системы повышения качества электроэнергии на судах // Вестник МГТУ. 1998. Том 1, № 1. С. 17—20*

4. Прохоренков A.M., Солодов B.C. Татьянчен-ко Ю.Г. Судовая автоматика. М. : Колос, 1992. 448 с.

5. Уодроу Б., Стирнз С. Адаптивная обработка сигналов: Пер. с англ. // М.: Радио и связь, 1989. 440 с.

6. Правила классификации и постройки морских судов / Российский морской регистр судоходства. С-Пб., 2007. 679 с.

7. Prokhorenkov A., Remezovskiy V., Sovlukov А. Estimation of Higher Order Harmonics in Electric Power Systems and the Compensation by Situation Control Method // Proc. of the Second IEEE Intern. Workshop on Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems: Technology and Applications (1DAACS ' 2003)"/ Lviv, Ukraine. 2003. P. 335-338.

УДК. 621.314

М.А. Шакиров, Ю.В. Варламов, Лиюн Дуань

КАРТИНЫ АНОМАЛЬНЫХ МАГНИТНЫХ ПОТОКОВ В БРОНЕВЫХ ТРАНСФОРМАТОРАХ ПРИ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЯХ

В классической теории трансформаторов с известной Т-образной схемой замещения [1] сложилась критическая ситуация. Широко известны работы, в которых говорится о "практической неприемлемости Т-образной схемы в связи с бесплодностью попыток связать ее параметры с участками пространства трансформаторов" [2, с.79], что подтверждается иллюстрацией магнитных перевозбуждений отдельных участков трансформатора в режимах КЗ [3,4], необъяснимых с позиции Т-образных схемных моделей. С другой стороны, эти же исследователи, а также авторы учебников продолжают использовать Т-образную схему для анализа процессов при КЗ, пытаясь на основе полуэвристических соображений приспособить ее к решению задач, для которых она непригодна [5—7]. Существующая теория трансформаторов критикуется также в работах [8, 9], в которых исходя из энергетических соображений показано, что магнитный поток в окне при КЗ превышает поток холостого хода Ф0 в магни-топроводе (при одинаковых напряжениях на сетевой обмотке), тогда как в учебниках утвер-

ждается, что ФокНО Все эти предпосыл-

ки послужили толчком к созданию новой теории трансформатора с позиции разработанных к настоящему времени магнитоэлектрических схем замещения и разработке на их основе новых типов схемных моделей трансформатора, в том числе более простых 2Т-образных схем замещения [10, 11], совместимых с двумя аномальными (с точки зрения классической теории трансформаторов) явлениями в трансформаторе: возникновением сверхпотока в части магнитопровода при КЗ (то есть потока, превышающего потокXX) при одинаковых напря-женииях на сетевой обмотке в режимахXX и КЗ, и одновременным возникновением антипотока в другой части магнитопровода (то есть потока, направленного навстречу сверхпотоку).

Для характеристики этих явлений введены коэффициенты магнитного состояния (KMC) отдельных частей (стержень, боковое ярмо и окно) трансформатора в любом установившемся режиме его работы:

ф

k - ет . ____

/ Фв

фх

ф5