Разработка информационно-измерительной системы мониторинга качества электрической энергии с возможностью управления значениями коэффициентов гармонических искажений по току и напряжению

УДК 621.317.353.018.3

Д. А. Кузьмин, В. Я. Горячев, Н. Б. Джазовский

РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ С ВОЗМОЖНОСТЬЮ УПРАВЛЕНИЯ ЗНАЧЕНИЯМИ КОЭФФИЦИЕНТОВ ГАРМОНИЧЕСКИХ ИСКАЖЕНИЙ ПО ТОКУ И НАПРЯЖЕНИЮ

Аннотация. Разработана информационно-измерительная система мониторинга качества электрической энергии. Система позволяет как измерять, так и корректировать коэффициенты гармонических искажений по току и напряжению. Ключевые слова: гармоника, нагрузка, трансформатор, сеть электроснабжения.

Abstract. The authors have developed an information-measuring control system for electric energy quality monitoring. The system allows, both to measure and to correct the factors of harmonious current and voltage distortions.

Key words: harmonic component, loading, transformer, electrical supply network.

Введение

В реальных электрических сетях форма напряжения отлична от синусоидальной. Причиной этого чаще всего являются нелинейные потребители, которые способствуют появлению высокочастотных гармоник. Характерными мощными нелинейными потребителями являются тяговые электровозы железнодорожного транспорта.

Перечислим существующие способы устранения высших гармоник в сетях электроснабжения тяги:

1. Установка поперечной компенсации; помимо своей основной функции компенсации реактивной мощности настроена на подавление третьей гармоники [1].

2. Сглаживающая катушка в мостовой схеме выпрямления электровоза переменного тока.

3. Альтернативное соединение обмоток трансформатора (треугольник, зигзаг).

4. Фазокомпенсатор - устройство для устранения сдвига фаз между током и напряжением в цепях переменного электрического тока; помимо основной функции используется в качестве фильтра высокочастотных гармоник [2].

5. Регулируемый компенсатор реактивной мощности электровозов переменного тока с коллекторными тяговыми двигателями [3].

6. Однофазный преобразователь переменного тока. Устройство повышает коэффициент мощности электровоза за счет уменьшения угла сдвига между основными гармониками питающего напряжения и тока [4].

7. Вольтодобавочный преобразователь, используемый для регулирования входных параметров системы подавления, представляющий собой управляемый выпрямитель, относительная установленная мощность которого составляет 15-20 % от основного выпрямителя.

8. Магнитный синтезатор [5]; обеспечивает защиту нагрузки от различных искажений электропитания, в частности, от провалов и выбросов напряжения, импульсных и высокочастотных помех, наличия высших гармоник, вызывающих искажения синусоидальной формы входного напряжения.

9. Активный кондиционер гармоник (АКГ) [6]; анализирует гармоники тока, отбираемые нагрузкой, затем инжектирует такие же токи в сеть с подходящей фазой.

Все вышеперечисленные способы устранения гармоник являются недостаточно эффективными. Кроме того, новая нормативная база по качеству электрической энергии требует более пристального внимания к гармоническим составляющим с порядковыми номерами выше сорокового, а также к интергармоникам. Поэтому необходимо разработать более эффективный способ измерения и влияния на гармонические искажения, чтобы привести качество электрической энергии в точке подключения тяговых потребителей к норме.

1. Разработка схемы устройства

Новые стандарты по гармоникам и интергармоникам привели к необходимости отказа от подавления отдельных гармонических составляющих в соответствии с разложением в ряд Фурье. Поэтому в разработанном устройстве используется сравнение поступающего сигнала с опорным (идеальным) сигналом и выделение искажающего сигнала.

Предлагается устройство подавления гармоник (УПГ), структурная схема которого представлена на рис. 1.

вкод

Устройство у Трансформа- Суммирующее

защиты тор тока ЗГС тройство

©

Схема

фазирования

Управление

фазированием

©

выход

*2 (7) і г ус

Генератор опорного © і Г ~ ""

Вычитающее Усилитель

сипала гоп ус тройство *3 мощности

Рис. 1. Структурная схема устройства подавления гармоник

Сигнал поступает на устройство защиты, после него - на трансформатор тока (ТТ). С трансформатора тока сигнал поступает на вычитающее устройство, на второй вход которого поступает опорный сигнал в виде идеальной синусоиды с генератора опорного сигнала. В вычитающем устройстве происходит сравнение этих сигналов, и полученный результат поступает на усилитель мощности с учетом фазирования, которое осуществляется в блоках управления фазированием и схеме фазирования. С усилителя мощности сигнал с гармониками в противофазе поступает на суммирующее устройство, где происходит сложение сетевого напряжения и корректирующего сигнала.

Управление фазированием осуществляется по системе экстремального регулирования, что обеспечивает поддержание минимальной мощности корректирующего сигнала. Система экстремального регулирования задает пробные шаги по двум параметрам: начальной фазе эталонного сигнала и его амплитуде. Величина начальных шагов выбирается достаточно малой, чтобы

это не было заметно на выходном напряжении. При уменьшении мощности корректирующего сигнала делается второй пробный шаг в том же направлении, при увеличении - полярность пробного шага изменяется на противоположную. Путем поочередной подачи пробных шагов по двум параметрам находится значение начальной фазы и амплитуды эталонного сигнала, соответствующее полному экстремуму, т.е. минимальной мощности корректирующего сигнала, что соответствует наиболее полной компенсации гармоник.

2. Математическое описание работы УПГ

1. Ток на входе трансформатора тока (рис. 1):

*1 = 2 *1к = 2 11к 8Іп(кШ + Ф1к ^

к=1 к =1

где к - номер гармонической составляющей; 11к - амплитудное значение тока к-й гармонической составляющей; ю = 2п/ - угловая частота (/ - частота переменного тока); фік - начальная фаза к-й гармонической составляющей тока.

2. Ток на выходе трансформатора тока:

*2 = 2 *2к = 212к йІп(кЮ + Ф2к ), к=1 к=1

где 12к - амплитудное значение тока к-й гармонической составляющей; ф2к -начальная фаза к-й гармонической составляющей тока.

3. Ток на выходе генератора опорного сигнала:

*оп = 1оп §іп(юг + Ф0),

где 1оп - амплитудное значение тока опорного сигнала; ф0 - начальная фаза тока опорного сигнала.

Для правильной работы устройства необходимо задать амплитудное значение тока опорного сигнала так, чтобы

*оп ~ *21,

где і21 - ток первой (основной) гармоники на выходе трансформатора тока.

4. На выходе устройства управления фазированием угол фазового сдвига опорного сигнала настраивается на угол фазового сдвига первой гармоники тока на выходе трансформатора тока (ф21).

5. Ток на выходе вычитающего устройства:

*3 = *2 - *21 = 2 І2к §іп(кЮГ + Ф2к ).

к=2

6. Ток на выходе усилителя мощности:

*ус = —*3 'Кус =-2 11к 8Іп(кЮГ + Ф1к),

к=2

где Кус - коэффициент усиления усилителя мощности.

7. Ток на выходе суммирующего устройства:

/4 = /1 + /уС = 2 hk sin(krot + ф^) - 2 hk sin(krot + Ф1£) = In sin(rot + Ф11).

k=1 k=2

Таким образом, на выходе суммирующего устройства остается первая (основная) гармоника входного тока.

Погрешность данного способа подавления гармоник характеризуется наличием внутренней погрешности усилителя мощности и устройства управления фазированием.

3. Результаты работы УПГ

Чтобы оценить влияние УПГ на изменение уровня гармонических искажений в сети с нелинейной нагрузкой, составим математическую модель в среде MATLAB в соответствии с принципиальной схемой (рис. 2).

------

Рис. 2. Принципиальная схема

На схеме (рис. 2) е - ЭДС источника; Rв и Ьв - активное сопротивление и индуктивность источника; ТН - трансформатор напряжения; ТТ - трансформатор тока; VD1-4 - выпрямительные диоды мостовой схемы выпрямления; RK и Сн - активное сопротивление и емкость нагрузки; еоп - ЭДС опорного сигнала; Rш - сопротивление шунта; Roc - сопротивление обратной связи; R1, R2, R3 - сопротивления; УМ - усилитель мощности.

В схеме используется стандартный низкочастотный усилитель.

УПГ настраивается таким образом, чтобы значения делителя напряжения и коэффициент усиления мощности были равны.

Модель в среде MATLAB представлена на рис. 3. В модели E - источник напряжения; ZB - внутреннее сопротивление источника; Т1 - трансформатор тока; T2 - трансформатор напряжения; D1-D4 - диоды мостовой схемы электровоза переменного тока; K1 - ключ, определяющий момент включения нагрузки; RШ - шунтирующий резистор; ЕОП - источник опорного сигнала; ОУ - операционный усилитель; R1, R^ - резисторы, формирующие коэффициент усиления операционного усилителя; R2, R3 - резисторы делителя напряжения; СН - емкость нагрузки; Rн - активное сопротивление нагрузки.

Рис. 3. Модель в среде МЛТЬЛБ

На рис. 4 показан гармонический состав напряжения в модели без УПГ и с УПГ.

ип ,в .

- без УПГ,  - с УПГ Рис. 4. Гармонический состав напряжения

Благодаря использованию предложенного УПГ удалось добиться снижения коэффициента гармонических искажений напряжения, равного отношению среднеквадратичного напряжения суммы высших гармоник сигнала к напряжению первой гармоники с 14,06 до 2,36 %, т.е. почти в 7 раз, чего невозможно достичь, используя известные схемы фильтров. Поэтому устройство подавления гармоник, предложенное в данной работе, может эффективно применяться для устранения гармонических искажений в сети с нелинейной нагрузкой.

4. Разработка информационно-измерительной системы мониторинга качества электрической энергии

Внесение в рабочую сеть электроснабжения любого источника, пусть и небольшой мощности, может повлиять на исправность работы отдельных элементов. Поэтому разработана схема информационно-измерительной системы мониторинга качества электрической энергии, в которой отсутствует генератор опорного сигнала (рис. 5).

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) предназначен для преобразования искаженной формы тока в цифровую форму сигнала. Этот сигнал сравнивается с идеальной формой синусоиды в процессорном модуле, на выходе которого получаем инвертированный разностный сигнал в цифровом виде. Затем при формировании отдельных кадров через включение шинного формирователя (ШФ) происходит запись сигнала в оперативное запомниаю-щее устройство (ОЗУ) для его измерения. В остальное время ШФ разомкнут для подавления искажений. В этом случае сигнал поступает в буферное запоминающее устройство. Под воздействием управляющего сигнала с модуля контроля и управления корректирующий сигнал с буферного устройства по-

падает в цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), а затем на усилитель мощности и инжектируется в сеть с помощью суммирующего устройства.

мониторинга Рис. 5. Структурная схема системы

Измерение коэффициента гармонических искажений осуществляется по принципу наложения сигналов (рис. 6, 7).

Рис. 6. Принцип работы системы на примере сигнала тока

Отношение площадей фигур суммарных искажений ^иск и площади фигуры, образованной идеальной синусоидой и осью времени ^ос (задается процессорным модулем), равно коэффициенту гармонических искажений.

V

К — иск

” '

^ -----Опорный сигнал

I _ с---Измеряемый

сигнал

Рис. 7. Принцип работы системы на примере сигнала напряжения

Измеренный суммарный искаженный сигнал включает в себя все гармоники с порядковыми номерами от 1 до да и интергармоники. Поэтому полученные коэффициенты гармонических искажений являются более точными, чем при суммировании отдельных гармонических составляющих при разложении в ряд Фурье.

Система мониторинга предполагает наличие ЖК-дисплея, на котором отображаются значения коэффициентов гармонических искажений по току и напряжению.

Заключение

Нелинейный характер нагрузки способствует появлению гармонических составляющих напряжения в сети. Особое внимание следует уделять мощным потребителям, таким как тяговые подстанции железнодорожных сетей. Как правило, эти подстанции подключаются к основным сетям электроснабжения, не имеющим большого запаса по мощности, поэтому в определенных ситуациях высшие гармонические составляющие могут вызывать перенапряжения в электрических сетях.

Разработанная система обладает рядом преимуществ по сравнению с существующими аналогами. Во-первых, она эффективнее благодаря использованию схемы сравнения с идеальным (без искажений) синусоидальным сигналом. Во-вторых, система позволяет точнее измерять суммарный коэффициент гармонических искажений. В-третьих, данное устройство позволяет корректировать поступающий сигнал во всем диапазоне частот, вплоть до 40 гармоники и выше.

Список литературы

1. Марквардт, Г. Г. Расчет поперечной емкостной компенсации на электрифицированной железной дороге / Г. Г. Марквардт, Л. А. Герман. - М., 1976. -С. 33-36.

2. Мамошин, Р. Р. Повышение качества энергии на тяговых подстанциях дорог переменного тока / Р. Р. Мамошин. - М. : Транспорт, 1973. - 224 с.

3. Донской, Д. А. Регулируемый компенсатор реактивной мощности для электровозов однофазно-постоянного тока : дис. ... канд. техн. наук: 05.09.03 / Донской Д. А. - М., 2007. - 153 с.

4. Власьевский, С. В. Повышение эффективности выпрямительно-инверторных преобразователей электровозов однофазно-постоянного тока с рекуперативным торможением : дис. ... докт. техн. наук: 05.09.03 / Власьевский С. В. -М., 2001. - 270 с.

5. Hugan, R. C. The Datawave Magnetic Synthesizer As a Solution to Harmonics / R. C. Hugan, M. F. McGranaghan, H. W. Beaty // Liebert Corporation, 1997. - 6 p.

6. Bettega, E. Active Harmonic Conditioners and Unity Power Factor Rectifiers / E. Bettega, J. N. Fiorina // Cahier Technique Schneider Electric. - 1999. - ECT 183. -28 p.

Кузьмин Дмитрий Алексеевич аспирант, Пензенский государственный университет

E-mail: 2005dim@rambler.ru

Горячев Владимир Яковлевич доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой автоматизированных электроэнергетических систем, Пензенский государственный университет

E-mail: gorvlad1@yandex.ru

Джазовский Николай Борисович

кандидат технических наук, доцент, кафедра автоматизированных электроэнергетических систем, Пензенский государственный университет

E-mail: 2005dim@rambler.ru

Kuzmin Dmitry Aleksreevich Postgraduate student,

Penza State University

Goryachev Vladimir Yakovlevich Doctor of engineering sciences, professor, head of sub-department of automated electropower systems, Penza State University

Dzhazovsky Nikolay Borisovich Candidate of engineering sciences, associate professor, sub-department of automated electropower systems, Penza State University

УДК 621.317.353.018.3 Кузьмин, Д. А.

Разработка информационно-измерительной системы мониторинга качества электрической энергии с возможностью управления значениями коэффициентов гармонических искажений по току и напряжению /

Д. А. Кузьмин, В. Я. Горячев, Н. Б. Джазовский // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2011. - № 2 (18). -С. 104-112.