Статьи и аналитикаБиблиотекаОбразованиеМероприятия  
Каталог

Алгоритм управления высоковольтным преобразователем напряжения - ПОЛИШИМ: оптимальный для статики и быстродействующий в динамике.

 

 

Пешков Максим Валерьевич. науч.сотр.

филиал ОАО «НТЦ Электроэнергетики» - ВНИИЭ.

Отдел средств регулирования напряжения и реактивной мощности в электрических сетях.

Введение.

Алгоритм управления статическим преобразователем напряжения определяет его важнейшие показатели качества:

- электрические потери при эксплуатации преобразователя;

- уровень высших гармоник, генерируемых преобразователем;

- быстродействие преобразователя.

Примерно 80% потерь во всем преобразователе составляют потери в вентильной части преобразователя. Из них около 50% потерь составляют коммутационные потери, и поэтому уменьшить потери можно обеспечив минимально возможное количество коммутаций в вентилях. С другой стороны число коммутаций существенно влияет на уровень гармоник в генерируемом напряжении, требования к которым регламентированы ГОСТ-ом.  Снижение уровня гармоник до приемлемого уровня достигаются путем оптимального сочетания параметров ШИМ и выбора параметров ВЧ фильтров.

Важной характеристикой высоковольтного преобразователя, работающего на сеть, является его быстродействие, под которым понимается скорость реакции преобразователя на возмущения, возникающие в сети. Главным образом требования к быстродействию задаются режимами глубоких несимметричных посадок напряжения, вызываемые например глухими междуфазными короткими замыканиями, или глухими однофазными короткими замыканиями. Длительность переходного процесса в таких режимах составляет порядка 1 мс, а возмущения максимальны.

Алгоритм ШИМ для преобразователя напряжения должен, с одной стороны, в статических режимах обеспечивать требуемый уровень гармоник при минимальной частоте коммутации, и, с другой стороны, устойчивую работу преобразователя с максимальной реактивной мощностью в динамике без аварийных отключений.

Алгоритмы ОШИМ, ТШИМ и ПОЛИШИМ.

Известны алгоритмы управления преобразователем, которые отвечают части поставленных требований. Так алгоритм «оптимальной ШИМ (ОШИМ)» (OPWMв зарубежной литературе) позволяет с минимальным количеством коммутаций вентилей добиться подавления в кривой напряжения высших гармоник с малыми кратностями [1]. Таким образом, сразу решаются две задачи: уменьшение потерь и улучшение гармонического состава напряжения ПН. Алгоритм ОШИМ действительно является оптимальным вариантом управления для преобразователя в статических режимах. Между тем, алгоритм ОШИМ не обладает достаточным быстродействием, чтобы управлять преобразователем в режимах с быстрой динамикой. Другой известный алгоритм управления «следящая токовая ШИМ (ТШИМ)» [2] обладает высоким быстродействием, которое позволяет управлять преобразователем в режимах с быстрой динамикой, включая и режимы коротких замыканий в точке подключения преобразователя. Достигается это бóльшим количеством коммутаций, поэтому электрические потери будут больше. Кроме того, гармонический состав генерируемого напряжения по ТШИМ значительно хуже, нежели чем у ОШИМ. Алгоритм ТШИМ выигрывая у алгоритма ОШИМ в динамике, проигрывает ему в статике.

Предлагаемая к рассмотрению, «полиалгоритмная ШИМ» (ПОЛИШИМ) сочетает в себе высокое быстродействие ТШИМ с преимуществами ОШИМ при работе в статике. Речь идет о переключении между этими алгоритмами в процессе работы преобразователя.

Алгоритм ТШИМ как и алгоритм ОШИМ достаточно полно были описаны в публикациях [1,2]. Интерес представляет механизм перехода с одного алгоритма на другой и обратно. Функциональная блок схема механизма изображена на рис.1. Алгоритм ТШИМ нужно включать в тех режимах, в которых применение алгоритма ОШИМ приводит к возникновению неконтролируемых бросков тока в фазах ПН, превышающих допустимые значения. В предлагаемой системе управления в качестве «критерия перехода» выбрана разница между мгновенными значениями реального iи ожидаемого iref фазного тока. В случае если разница между реальным и ожидаемым током превышает установленное значение УстТШИМ, включается алгоритм ТШИМ. 

Рис.1 Блок схема системы переключения алгоритмов ШИМ

 

Ожидаемый фазный ток определяется исходя из амплитуд и фаз прямой и обратной последовательностей сетевого напряжения, текущих уставок активной и реактивной мощностей. Ожидаемый фазный ток есть мгновенное значение первой гармоники математически рассчитанного фазного тока ПН. В кривой реального фазного тока помимо первой гармоники присутствуют высшие гармоники, амплитуды которых в некоторых крайних режимах (двух и одно фазные короткие замыкания) могут достигать 30% от амплитуды номинального тока. Поэтому даже в установившихся режимах работы ПН разница между ожидаемым и реальным током может составлять значительную величину. Уставка критерия УстТШИМ должна быть выше этого значения, поскольку во всех статических режимах преобразователь ПН должен работать под управлением ОШИМ.

Любой переходный режим в сети или в работе ПН приводит к возникновению постоянных составляющих в фазных токах, и, как следствие, к разнице ожидаемого и реального фазного тока. Существуют специальные алгоритмы, предназначенные для борьбы с постоянной составляющей в токах, и, если ее присутствие не приводит к превышению токами допустимого уровня, нет необходимости активировать в этих режимах ТШИМ. Поэтому в режимах, когда амплитуда фазных токов Imменьше номинальной, а запас до уровня допустимых значений тока больше, уставку перехода на ТШИМ можно увеличить.

При включении ТШИМ в работу разница между реальным и ожидаемым фазным током ПН уже через несколько расчетных тактов станет равной нулю, и необходимость работы ТШИМ по выбранному «критерию перехода» якобы отпадает. Однако в некоторых режимах (например режимы КЗ в точке подсоединения ПН) алгоритм ОШИМ не способен так быстро взять обратно на себя управление преобразователем, и его включение в работу снова приведет к броску тока. Поэтому критерий возврата к алгоритму ОШИМ должен быть иным, нежели критерий включения ТШИМ. Таким критерием служит разница между ожидаемым и «модельным током ОШИМ» imod– током, который имел бы место, если алгоритм ОШИМ и далее непрерывно осуществлял бы управление преобразователем. Модельный ток ОШИМ рассчитывается системой управления исходя из мгновенных значений напряжений сети, напряжений преобразователя и токов преобразователя путем интегрирования напряжения на фазных реакторах преобразователя:

            (1)

 

где L- индуктивность фазного реактора; UL– напряжение на реакторе; С – постоянная интегрирования.

 

В переходных режимах расчет модельных токов будет давать постоянные составляющие, которые для механизма переключения алгоритмов ШИМ имеют паразитный характер. Для их подавления используется фильтр среднего. Среднее значение ищется не от модельного тока, а от разницы модельного и ожидаемого тока, что исключает первую гармонику из сигнала и позволяет ограничиться фильтрацией только высших гармоник.

Для каждой фазы преобразователя вычисляется разница между мгновенными значениями ожидаемого и модельного тока, фильтруется от  постоянной составляющей, берется модуль, и затем максимальное из трех значений сравнивается с уставкой включения ОШИМ - УстОШИМ. В случае, когда полученное значение меньше уставки, происходит возврат к алгоритму ОШИМ. При переходе к алгоритму ОШИМ особое значение имеет момент, когда именно он происходит (рис.2). Важно, чтобы модельный ток ОШИМ был в этот момент близок к ожидаемому току iref. Иначе после возврата к алгоритму ОШИМ ток может приобрести постоянную составляющую, которая в худшем случае может быть равна амплитуде высокочастотных колебаний тока, а разница между реальным и ожидаемым током двойной амплитуде этих колебаний. Например, в установившихся режимах коротких замыканий несвоевременное включение ОШИМ, может приводить к повторному включению алгоритма ТШИМ, поскольку амплитуда высокочастотных пульсаций в этом режиме близка к значению уставки УстТШИМ

Рис. 2 Кривая фазного тока в зависимости от выбора момента возврата к алгоритму ОШИМ

 

Для случая, рассмотренного на рис. 2, оптимальным вариантом является переход к ОШИМ в момент времени t3. Чтобы минимизировать возможный уровень постоянной составляющей тока, величина уставки УстОШИМ должна быть много меньше уставки УстТШИМ. Идеальным был бы вариант, если УстОШИМ =0. Однако это не возможно, поскольку нулевая разница между модельным и ожидаемым током для всех трех фаз одновременно случай крайне редкий. Если выбрать уровень уставки УстОШИМ слишком малым, то возврат к ОШИМ может не происходить длительное время. Минимально возможный уровень УстОШИМ зависит от режима работы ПН. Так имперически удалось установить, что при работе ПН на симметричную сеть уровень уставки можно выбрать равным 0,1% IНОМ, а в режиме одно- и двухфазных КЗ – 0,5% IНОМ. Уставка УстОШИМ в алгоритме вычисляется исходя из коэффициента несимметрии kns.

Другой проблемой при возврате к ОШИМ в режимах, когда в результате переходного процесса симметрия сети была сильно нарушена, является появление третьей гармоники в фазных токах преобразователя. При расчетах параметров ПН, параметров системы управления и фильтров преобразователя делалось допущение, что высшие гармоники кратные трем самоуничтожаются в треугольнике напряжений ПН. Однако это справедливо только для симметричных режимов работы преобразователя. Если в сети присутствует обратная последовательность, то третья гармоника появляется в линейных напряжениях ПН и в фазных токах преобразователя. При малых значениях коэффициента несимметрии kns(до 4%) третьей гармоникой напряжения ПН и тока можно пренебречь поскольку ее значения не превышают допустимых по ГОСТ уровней. При больших значениях kns, например, в установившихся режимах короткого замыкания (kns=100%), амплитуда третьей гармоники в фазном токе так велика, что не позволит вернуться к ОШИМ, поскольку разница между реальным и ожидаемым током всегда будет больше уставки перехода к ТШИМ. Для того чтобы исключить третью гармонику из фазных токов, необходимо исключить ее из фазных напряжений ПН. Это возможно средствами ОШИМ. В обычном режиме, при работе на сеть с малыми коэффициентами несимметрии, алгоритм ОШИМ рассчитывает моменты коммутаций вентилей так, чтобы амплитуды высших гармоник генерируемого напряжения  с кратностями, например, 5,7,11 и 13  были подавлены [1]. В режимах со значительным коэффициентом несимметрии алгоритм ОШИМ переключается на подавление высших гармоник с кратностями 3,5,7,11. Пороговым значением коэффициента несимметрии для перехода к подавлению третьей гармоники kns=10%.

Опыты глубоких несимметричных посадок напряжения в сети для преобразователя с алгоритмом ПОЛИШИМ

Опыты проводились на математической модели. До возмущения и после него преобразователь находится в режиме генерации номинальной реактивной мощности.

На рис. 3 изображен опыт глухого двухфазного короткого замыкания в точке подключения преобразователя. Короткое замыкание в сети произошло в момент времени 0,2с. Сеть восстановилась после КЗ в момент времени 0,3с. После возникновения КЗ в кривой тока имел место всплеск тока, после чего был включен алгоритм ТШИМ. Алгоритм непрерывно проработал в течение ~0,032с, после чего система управления вернулась к ОШИМ. После переключения в кривых тока появилась постоянная составляющая 20А. Оставшееся до момента восстановления сети время преобразователь проработал под управлением ОШИМ. Восстановление сети (t=0,3c) вновь привело к броску тока, и снова в работу включился ТШИМ.  Благоприятные условия для обратного перехода к ОШИМ возникли через 0,038 с. После переключения в кривых тока появилась постоянная составляющая 40А.

На рис. 4 изображен опыт глухого однофазного короткого замыкания в точке подключения преобразователя. Короткое замыкание в сети произошло в момент времени 0,2с. Сеть восстановилась после КЗ в момент времени 0,3с. После возникновения КЗ в кривой тока имел место всплеск тока, после чего был включен алгоритм ТШИМ. Алгоритм непрерывно проработал в течение ~0,033с, после чего система управления вернулась к ОШИМ. После переключения в кривых тока появилась постоянная составляющая 40А. Оставшееся до момента восстановления сети время преобразователь проработал под управлением ОШИМ. Восстановление сети (t=0,3c) вновь привело к броску тока, и снова в работу включился ТШИМ.  Благоприятные условия для обратного перехода к ОШИМ возникли через 0,04 с. После переключения в кривых тока появилась постоянная составляющая 30 А.

 

Рис. 3 Глухое двух фазное КЗ в точке подключения преобразователя. Верхняя диаграмма – фазные напряжения сети; средняя диаграмма - фазные токи ПН; нижняя диаграмма – сигнал переключения алгоритмов ШИМ (1 – работа ТШИМ; 0 – работа ОШИМ)

 

Рис. 4 Глухое однофазное КЗ в точке подключения преобразователя. Верхняя диаграмма – фазные напряжения сети; средняя диаграмма - фазные токи ПН; нижняя диаграмма – сигнал переключения алгоритмов ШИМ (1 – работа ТШИМ; 0 – работа ОШИМ)

 

Выводы

В статье рассмотрен алгоритм управления преобразователем, в котором предпринята попытка увеличить быстродействие преобразователя в динамике без ухудшения параметров в статических режимах. Для этого алгоритм ОШИМ дополнен алгоритмом ШИМ со слежением по току. В статье уделено особое внимание механизму перехода от одного алгоритма к другому.

Проведенные на математической модели опыты глухого двух фазного и глухого однофазного коротких замыканий в точке подключения преобразователя показали, что предлагаемый алгоритм способен обеспечить устойчивую работу преобразователя с максимальной реактивной мощностью в динамике без аварийных отключений. Механизм переключения алгоритмов в проведенных опытах своевременно вводил в работу алгоритм ТШИМ и затем в установившемся режиме возвращал управление алгоритму ОШИМ.

Список литературы

1.     L.Ran, L.Holdsworth, G.A. Purtus. ”Dynamic selective harmonic elimination of a three-level inverter used for static VAr compensation”. 32 conf. IEEE Power Electronic Specialist, июнь 2001, стр. 1549-1554.

2.     Пешков М.В. Разработка и исследование  модели 3-х уровневого преобразователя напряжения с алгоритмом токового ШИМ модулятора. Конференция РАО «ЕЭС России» для молодых специалистов организаций НПК, Геленджик, сентябрь 2005.

Источник: http://portalenergetika.com/

Категории статьи:
Рынок электроэнергетики | Магистральные сети | Распределительные сети | Муниципальные сети | Предприятия
Эту страницу просмотрели 3844 раза