Применение информационных технологий для анализа и восстановления нестационарных гармонических составляющих искажённого сигнала

УДК 681.5

Применение информационных технологий для анализа и восстановления нестационарных гармонических составляющих искажённого сигнала

А. А. Жиленков,

КГМТУ, кафедра электрооборудования судов и автоматизации производства, аспирант

Проведены экспериментальные исследования и математическое моделирование работы автоматического регулятора напряжения синхронного генератора при высокой искажённости сетевых токов и напряжений. Рассмотрено применение разработанного адаптивного фильтра для восстановления нестационарной основной гармоники напряжения статора синхронного генератора.

Ключевые слова: автономные энергосистемы, адаптивная фильтрация, автоматический регулятор напряжения, качество электроэнергии.

Системы автоматического регулирования судовых дизель-генераторных агрегатов ввиду топологии своих схем работают со средними значениями контролируемых электрических сигналов. Как следствие, при ухудшении гармонического состава напряжений и токов судовой сети на фоне неизменной амплитуды их основных гармоник, средние и действующие значения управляющих сигналов повышаются. Оценку данного процесса оптимально производить в среде специализированных программных пакетов.

Экспериментальные и теоретические исследования работы автоматических регуляторов напряжения (АРН) в автономной электроэнергетической системе показали, что при этом регулятор понижает ток возбуждения до уровня, при котором напряжение, контролируемое АРН, станет опять равным напряжению, заданному уставкой корректора АРН. В результате уровень основной гармоники напряжения сети понижается, а относительная величина действующего значения высших гармоник повышается. Это приводит к снижению активной мощности на нагрузке и повышению вероятности возникновения отказов средств автоматики, а также снижает суммарный вращающий момент асинхронных двигателей, работающих в судовой энергосистеме, так как нечётные высшие гармоники создают вращающие моменты с разными знаками. При параллельной работе синхронных генераторов возникает ошибка регулирования реактивной мощности, которая распределяется путём управления током обмотки возбуждения ведомого синхронного генератора. Подобная проблема возникает и в системе автоматического регулирования дизель-генераторных агрегатов, использующих в качестве входных сигналов токи сети. В системах, управляемых и по току, и по напряжению (например, регуляторы мощности и некоторые АРН), такая ошибка может возрастать в несколько раз.

На современных судах, как правило, применяется бесщёточная система возбуждения синхронных генераторов. Такая система возбуждения обладает

большой инерционностью из-за наличия синхронного подвозбудителя и нелинейностью из-за тиристор-ного и диодного преобразователей (рис. 1).

Рис. 1. Бесщёточная система возбуждения: Т — трансформатор;

ТП — тиристорный преобразователь;

В — возбудитель (синхронный генератор);

ДП — диодный преобразователь;

Г — генератор

Регулирование в системе возбуждения осуществляется по напряжению, измеряемому на выводах синхронного генератора. Снимаемое трёхфазным трансформатором переменное напряжение сети подаётся на выпрямитель, затем на фильтр низких частот и сравнивается с уставкой, т. е. с опорным напряжением сравнивается среднее значение трёхфазного выпрямленного сетевого напряжения, пропорциональное среднему значению напряжения сети. Для минимизации влияния искажений входного напряжения регулятора на ток обмотки возбуждения, а следовательно, и на индуцируемые ЭДС статора выпрямленное входное напряжение поступает на фильтр низких частот. Данный фильтр ухудшает динамические качества всей контролируемой системы, но необходим для обеспечения устойчивости системы в условиях искажённости входного сигнала регулятора.

Предварительное исследование описываемого эффекта было произведено при помощи математической модели в программной среде Ма^аЬ. При этом использовалось упрощённое математическое описание бесщёточной системы возбуждения [4]:

где

- Тм

хс,+хт

Хт - сопротивление рассеяния трансформатора;

К

X^, X^ - переходное индуктивное сопротивление и индуктивное сопротивление генератора по продольной оси; Тм - собственная постоянная времени и обмотки возбуждения генератора; тп = —— - коэффициент передачи тиристорного преобразователя; и^х - максимальное напряжение возбуждения возбудителя, В; иоп - амплитуда опорной синусоиды, В.

Результаты моделирования приведены на рис. 2. При возникновении в сетевом напряжении 5-й и 7-й гармоник с амплитудами соответственно 10 и 5 % от основной гармоники (условия, характерные для исследованной энергосистемы на малом ходу судна [1]), напряжение на выходе фильтра низких частот корректора увеличивалось на 14,5 %. При этом параметры основной гармоники оставались неизменными.

Так же были проведены экспериментальные исследования реакции АРН при возникновении в сетевом напряжении 5-й и 7-й гармоник с амплитудами соответственно 10 и 5 % от основной гармоники (условия, характерные для исследованной энергосистемы на малом ходу судна [1]). При неизменной частоте и амплитуде основной гармоники напряжение на выходе фильтра низких частот корректора увеличивалось на 15,3 %.

Таким образом, отрабатывая изменение контролируемого сигнала, АРН понижает выходное напряжение синхронного генератора также на 15,3 %. То есть при неизменном действующем значении линейного напряжения сети амплитуда основной гармоники напряжения снижается как по абсолютному значению, так и по отношению к действующему значению напряжения сети, что особенно важно.

При этом более чем на 20 % уменьшается и показатель относительной мощности искажения, что вызвано относительным уменьшением амплитуды основной гармоники тока. В результате значение общего показателя качества электроэнергии также падает.

Таким образом, целесообразно исследовать способы повышения показателей качества электроэнергии судовой энергосистемы путём реализации управления АРН по основной гармонике напряжения сети. Для регуляторов, которые используют также сигналы фазных токов сети, целесообразно рассмотреть реализацию управления по основной гармонике тока. Эта задача требует восстановления из входного сигнала с широким спектром высших гармоник информации о первой гармонике тока или напряжения сети. Причём из-за особенностей судовой

Рис. 2. Результаты моделирования: сигнал на выходе фильтра низких частот АРН до и после возрастания амплитуд 5-й и 7-й гармоник сетевого напряжения

энергосистемы, а именно нестабильности фазы, частоты и амплитуды генерируемого ею напряжения, необходимо восстановление нестационарной синусоиды. Для решения поставленной задачи был опробован фильтр, рассмотренный в [2].

Результаты моделирования показали, что в худшем случае восстановление основной гармоники искажённого сигнала выполняется за 3-4 периода сетевого напряжения (рис. 3).

А. о.е 1,4 1

1,2 1

0,8 0,6 0,4 0,2 0

0 200 400 600 800 1000

Б, семплы

400 600

б

Рис. 3. Результаты моделирования: а — слежение за амплитудой восстанавливаемого сигнала; б — ошибка регулирования

а

ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЬ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ I www.endi.ru

№ 4 (58)2014, июль-август

Худшим этот вариант является потому, что слежение начинается с нулевых начальных условий и фактически является аварийным для системы. В нормальном режиме, когда параметры сетевых токов и напряжений изменяются в пределах, установленных ГОСТом, моделирование показывает, что время переходного процесса не превышает четверти периода сетевого напряжения, что является неоспоримым преимуществом в сравнении с результатами адаптивной обработки сигнала во временной (фильтр Калмана) или частотной (быстрое преобразование Фурье) областях [3]. Это связано, главным образом, с нестационарностью восстанавливаемого сигнала на фоне сильной искажённости контролируемых токов и напряжений.

Результаты моделирования показывают высокую эффективность предложенного фильтра при восстановлении нестационарной гармоники искажённого сигнала в сравнении с известными адаптивными фильтрами. Дальнейшим развитием этого решения должна стать схемная реализация на основе цифровой системы управления. Перспективным здесь является использование программируемых логических интегральных схем, однако при этом целесообразно реализовать предложенный алгоритм работы фильтра на основе вычислений с фиксированной, а не плавающей запятой, что позволит использовать программируемые логические интегральные схемы более низкой стоимости за счёт сокращения требуемых вычислительных ресурсов.

Литература

1. Жиленков А. А. Влияние мощных тиристорных выпрямителей на питающую их автономную электростанцию / / Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2012. - № 5/8(59). - С. 14-19.

2. Жиленков А. А. Адаптивная фильтрация в автономных электроэнергетических системах / Управление проектами и программами в условиях глобализации мировой экономики: Материалы Х международной конференции «Управление проектами в развитии общества». - Киев, 2013. - С. 79-81.

3. Жиленков А. А., Чёрный С. Г. Элементы структурной модели устройства аппроксимации для задач идентификации и контроля параметров объектов управления / / Проблемы машиностроения. - 2013. -Т. 16. - № 4. - С. 62-65.

4. Жиленков А. А., Чёрный С. Г. Моделирование адаптивного управления в сложных распределенных системах с идентификацией параметров / / Вшник Хмельницького нащонального ушверситету. - 2013. -№ 6. - С. 253-260.

Information technologies for analysis and recovering of non-stationary harmonics in distorted signal

A. A. Zhilenkov,

Kerch State Maritime Technological University, postgraduate student

We provide experimental results and mathematical modeling for an automatic voltage regulator for a synchronous generator in conditions of high current and voltage distortion. We have developed an adaptive filter for non-stationary main voltage harmonic of a synchronous generator's stator.

bywords: stand-alone power systems, adaptive filtering, automatic voltage regulator, power quality.