Підвищення ефективності процесів керування перетворенням електричної енергії в автономних енергетичних системах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Херсонський національний технічний університет

УДК 681.516.77:621.314.2

Спеціальність 05.13.07 - автоматизація процесів керування

Автореферат

на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ПРОЦЕСІВ КЕРУВАННЯ ПЕРЕТВОРЕННЯМ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ В АВТОНОМНИХ ЕНЕРГЕТИЧНИХ СИСТЕМАХ

Лебеденко Юрій Олександрович

Херсон - 2011

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Херсонському національному технічному університеті Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України, м. Херсон.

Науковий кандидат технічних наук, доцент, керівник Рудакова Ганна Володимирівна, Херсонський національний технічний університет, доцент кафедри технічної кібернетики.

Офіційні доктор технічних наук, професор, опоненти Рябенький Володимир Михайлович, Національний університет кораблебудування ім. адмірала Макарова, завідувач кафедри теоретичної електротехніки та електронних систем.

доктор технічних наук, професор, Лубяний Віктор Захарович, Херсонський національний технічний університет, завідувач кафедри метрології та інформаційно-вимірювальних технологій.

Захист відбудеться “ 15 ” квітня 2011 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 67.052.01 при Херсонському національному технічному університеті за адресою:73008, м. Херсон, Бериславське шосе, 24, корпус 3 , ауд. 320.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Херсонського національного технічного університету за адресою:73008, м. Херсон, Бериславське шосе, 24.

Автореферат розісланий “ 14 ” березня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.М. Бражник



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Задоволення сучасних вимог до енергетичних систем (ЕС), обумовлених світовими тенденціями подорожчання енергоносіїв та жорсткими обмеженнями щодо впливу на оточуюче середовище, може бути виконане шляхом розробки і впровадження енергозберігаючих технологій та збільшення частки використання нетрадиційних джерел енергії за допомогою автономних ЕС. При цьому виникає необхідність вирішувати задачі забезпечення ефективного використання енергоресурсу та узгодження параметрів вироблюваної й споживаної електроенергії.

Одним з найбільш перспективних напрямків підвищення ефективності автономних ЕС є вдосконалення процесів керування перетворенням електричної енергії. На теперішній час великий інтерес представляє застосування в системах перетворення електричної енергії матричних перетворювачів (МП), що характеризуються високим коефіцієнтом корисної дії через безпосереднє одноступеневе перетворення енергії; відносно простою силовою частиною; можливістю рекуперації енергії до мережі; високим коефіцієнтом потужності через відсутність реактивних елементів. Проте, ефективність перетворення за допомогою МП у значній мірі залежить від обраної стратегії керування.

Проблематиці розробки систем керування процесами перетворення електричної енергії присвячені роботи видатних вітчизняних та закордонних вчених. Основу для створення методів аналізу процесів перетворення за допомогою математичного моделювання складають дослідження Бернштейна І.Я., Грабовецького Г.В., Жемерова Г.Г. Питання практичної реалізації безпосередніх перетворювачів частоти на основі повністю керованих ключових елементів розглядаються в роботах Чехета Е.М., Шрейнера Р.Т., Джюджи Л. Теоретичні основи для побудови матричних структур та принципи керування ними були сформульовані італійськими вченими А. Алесіна (A. Alesina) та М. Вентуріні (M. Venturini). Подальший розвиток ці ідеї набули у роботах Дж. Роя (G. Roy), Й.В. Колара (J.W. Kolar).

Використання повністю керованих двонаправлених ключів та замкнених систем керування перетворювачами дозволяє певною мірою підвищити ефективність процесів перетворення електричної енергії через зменшення рівня неосновних гармонік перетвореної напруги, розширення діапазону регулювання частоти та покращення електромагнітної сумісності із споживачами. Питання підвищення якості перетвореної напруги є достатньо висвітленим у літературі, але задача зменшення впливу перетворювача на мережу живлення і на теперішній час залишається невирішеною.

У зв'язку з цим актуальною науковотехнічною задачею є розвиток теоретичних та методологічних основ дослідження, побудови і впровадження високоефективних систем керування силовими перетворювачами в системах автономного живлення, що дозволить значно підвищити їх енергетичну ефективність.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Зміст роботи, її основні задачі відповідають державним науково-технічним програмам, які сформульовані в Законах України «Про наукову і науково-технічну діяльність». Дисертаційні дослідження виконані у межах тематичних планів науково-дослідних робіт (НДР) Херсонського національного технічного університету по кафедрі технічної кібернетики за темою «Оптимальна система перетворення параметрів електричної енергії» та пов'язані з дослідженнями, проведеними на кафедрі технічної кібернетики за держбюджетною темою: «Система адаптивного керування теплоенергетичними установками за критерієм мінімізації енерговитрат» № ДР 0102U005289. Особистий внесок автора полягає у виконанні аналізу режимів функціонування перетворювачів, що працюють у складі ЕС, та вдосконаленні закону керування силовими ключами для підвищення ефективності процесу перетворення електричної енергії.

Мета досліджень й завдання досліджень. Метою досліджень є підвищення ефективності процесів керування перетворенням електричної енергії в автономних ЕС за рахунок розробки нового методу керування, що забезпечує узгодження параметрів вироблюваної й споживаної електроенергії в автономних ЕС та надійність функціонування систем перетворення, і вирішенні на цій основі важливого науково-технічного завдання - оптимізації процесів перетворення електричної енергії. Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні задачі:

Аналіз існуючих моделей і методів керування процесами перетворення електричної енергії в автономних ЕС, шляхів підвищення ефективності систем перетворення та узгодження автономних енергоустановок зі споживачами. споживаний електроенергія автономний керування

Удосконалення моделі процесу перетворення електричної енергії за допомогою МП для систем автономного живлення.

Розробка методу оптимального керування системою перетворення електричної енергії за мінімумом спотворень вхідного струму.

Апробація розробленого методу керування системою перетворення електричної енергії в різних режимах функціонування автономних ЕС.

Обґрунтування структури адаптивної мікропроцесорної системи керування процесом перетворення електричної енергії в автономних ЕС та визначення вимог щодо практичної реалізації її складових.

Об'єкт досліджень. Системи керування процесами перетворення електричної енергії в автономних ЕС.

Предметом досліджень є моделі та методи підвищення ефективності процесів керування перетворенням електричної енергії в автономних ЕС.

Методи дослідження. В основу досліджень покладено: методи теорії електричних кіл для аналізу процесів перетворення електричної енергії в ЕС; методи аналізу систем з позиції «змінних стану» для побудови математичної моделі системи перетворення електричної енергії; методи спектрального аналізу для визначення гармонійного складу напруг та струмів системи перетворення; принципи оптимального керування для визначення стратегії керування силовими ключами перетворювача; методи нечіткої логіки для синтезу адаптивного регулятору.

Для здійснення моделювання та обробки експериментальних даних використано пакети програм «МВТУ 3.5», «Mathcad 14».

Наукова новизна одержаних результатів.

Вперше:

Формалізовано завдання керування системами перетворення електричної енергії в автономних ЕС на основі критерія узагальненої оцінки якості їх функціонування, що враховує ступінь спотворень струмів живильної мережі.

Запропоновано новий метод оптимального керування трифазним МП, що заснований на принципі керування за інтегральною помилкою та забезпечує зменшення рівнів спотворень струмів на вході перетворювача і високочастотних складових у перетвореній напрузі.

Отримали подальший розвиток:

Методи побудови нечітких регуляторів для керування силовими перетворювачами автономних енергетичних установок, що дозволило зменшити складність обчислювальних процедур та підвищити ефективність їх виконання у реальному часі.

Удосконалено:

Математичну модель процесу перетворення електричної енергії в автономних ЕС за рахунок використання комутаційних функцій та опису підсистем у просторі станів, що дозволяє проводити аналіз роботи системи перетворення при несиметричних режимах функціонування.

Метод оцінки рівня помилок дискретизації цифрових фільтрів контуру керування, що дозволяє обирати оптимальні параметри налагодження систем керування процесом перетворення електричної енергії.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що:

Використання розробленого методу керування МП дозволяє підвищити якісні показники електричної енергії в автономних ЕС (значно зменшуються амплітуди канонічних та неканонічних гармонік, завдяки чому коефіцієнт спотворень вхідного струму знижується на 7-38%).

Запропоновані у дисертації моделі та методи можуть бути використані при аналізі динаміки роботи систем перетворення електричної енергії у штатних та аварійних режимах функціонування, при проектуванні та модернізації електроустаткування енергетичних установок з МП.

Реалізація запропонованого алгоритму нечіткого регулятору дозволяє значно зменшити вимоги до швидкодії мікропроцесорних систем керування процесами перетворення електричної енергії в ЕС.

Розроблені практичні рекомендації можуть бути використані при проектуванні цифрових систем для забезпечення низького рівня помилок, пов'язаних з процесами квантування, та високої швидкодії систем керування.

Результати дисертаційної роботи впроваджено в науково-виробничій фірмі «Монада» для розробки систем керування перетворенням електричної енергії в автономних ЕС (акт від 11.08.2010); у виробничо-комерційному підприємстві «АРС» для проектування та модернізації електроустаткування вантажопідйомних кранів (акт від 24.05.2010). Також результати дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі у Херсонському національному технічному університеті при викладанні дисциплін «Основи комп'ютерно-інтегрованого управління», «Проектування комп'ютеризованих систем управління», «Цифрові системи управління» (акт від 11.09.2010).

Особистий внесок здобувача. Всі положення, що виносяться на захист, належать особисто здобувачу і не містять результатів, ідей або розробок, що належать співавторам, разом з якими опубліковані наукові праці. У спільних публікаціях здобувачу належать: [1] - принципи побудови мікропроцесорних систем фазового керування силовими ключами перетворювача; [4] - розробка бази правил для нечіткого виводу при оптимальному керуванні системою перетворення електричної енергії; [6] - аналіз впливу дискретизації за рівнем в мікропроцесорних системах керування електромеханічними комплексами; [7] - алгоритм методу керування трифазним перетворювачем частоти; [8] - розробка структури системи керування приводом зі змінним моментом інерції; [9] - аналіз перспектив та особливостей застосування мікропроцесорної техніки для керування процесами перетворення енергії в електромеханічних системах; [15] - структура адаптивної системи керування процесом перетворення електричної енергії з нечітким регулятором.

Апробація результатів роботи. Основні положення дисертації та її окремі результати було обговорено на конференціях: на Українській конференції «Автоматика-98» (м. Київ, 1998 р.); Міжнародній конференції «Автоматика-2003» (м. Севастополь, 2003 р.); Міжнародній конференції «Автоматика-2005» (м. Харків, 2005 р.), Міжнародній конференції «Автоматика-2007», (м. Севастополь, 2007 р.), Міжнародній конференції «Автоматика-2008» (м. Одеса, 2008 р.); «Інтелектуальні системи прийняття рішень та прикладні аспекти інформаційних технологій» (м. Євпаторія, 2007 р.), «Інтелектуальні системи прийняття рішень та проблеми обчислювального інтелекту» (м. Євпаторія, 2008, 2010 рр.).

Публікації: Основний зміст дисертації відображено в 15 друкованих працях, з них: 6 статей у фахових наукових виданнях, 7 публікацій у матеріалах конференцій, 2 патенти України на винаходи.

Структура та обсяг дисертації: дисертація складається зі вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел з 145 найменувань на 13 сторінках й 7 додатків на 17 сторінках. Загальний обсяг роботи складає 178 сторінок. Основний зміст викладено на 148 сторінках. Робота містить 46 рисунків та 6 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведено загальну характеристику роботи, обґрунтовано актуальність теми дослідження, сформульовано мету та задачі дослідження, визначено основні методи досліджень, розкрито новизну та практичну цінність роботи.

У першому розділі здійснено аналітичний огляд методів та засобів керування процесом перетворення електричної енергії в автономних енергетичних системах, умов експлуатації та режимів роботи автономних ЕС, способів реалізації систем стабілізації частоти та напруги.

Забезпечення гарантованого живлення споживачів в умовах енергетичної нестабільності можливе за рахунок використання автономних ЕС, найбільш перспективними з яких в Україні є вітроенергетичні системи. Показано доцільність застосування турбогенераторних горизонтально-пропелерних схем вітроенергетичних установок із індукторними генераторами, що дозволяє значно підвищити коефіцієнт використання вітру та розширити робочий діапазон швидкостей .

Недоліком індукторних машин є низька якість вихідного струму, що вимагає застосування ефективних систем керування процесом перетворення електричної енергії. Використання сучасних структур силових перетворювачів з системами керування, що побудовані на новітній елементній базі, дозволяє покращити показники якості, підвищити ефективність процесу перетворення та забезпечити узгодження автономних енергоустановок зі споживачем. Перетворювачі з ланкою постійного струму, що є найбільш поширеними в теперішній час, при усіх своїх перевагах характеризуються великими габаритами та масою, високою ціною через необхідність використання високовольтних конденсаторів великої ємності. Тому для побудови високонадійних систем автономного енергопостачання особливо перспективними є матричні перетворювачі.

За рахунок застосування повністю керованих двонаправлених вентилів та впровадження адаптивних систем керування МП існує принципіальна можливість покращення гармонійного складу перетвореної напруги та зменшення спотворень вхідного струму. Сучасні стратегії керування дозволяють забезпечити високу якість вихідної напруги, але проблема сумісності із мережею живлення залишається невирішеною.

Розглянуто існуючі математичні моделі для аналізу процесів та синтезу законів керування систем перетворення електричної енергії. Обґрунтовано доцільність удосконалення математичної моделі, що дозволяє здійснювати оперативний контроль та прогнозування стану перетворювача та параметрів вхідних і вихідних кіл, на якій повинна засновуватись оптимальна стратегія керування системою перетворення електричною енергією.

На основі аналізу сучасних методів керування МП показано потенційну можливість побудови адаптивної оптимальної системи керування процесом перетворення електричної енергії в автономних ЕС за мінімумом впливу перетворювача на мережу живлення.

Розглянуто підходи до побудови систем керування процесами перетворення в автономних ЕС на сучасній елементній базі та сформовано вимоги до компонентів системи. Доведено необхідність розробки структурних та функціональних схем, ефективних алгоритмів, а також практичних рекомендацій щодо забезпечення стійкості, швидкодії та необхідної точності.

У другому розділі наведено розробку математичної моделі процесу перетворення електричної енергії в автономних ЕС, які засновані на використанні МП. Враховано, що комутація силових ключів перетворювачів обумовлює доцільність розгляду таких систем як об'єктів зі змінною структурою, динаміка роботи яких суттєво залежить як від параметрів навантаження, так і від властивостей самих ключів.

Запропоновано модель узагальненого МП, що припускає неідеальність комутаційних елементів та дозволяє аналізувати швидкі процеси в матричному комутаторі (рис. 1). Ключі представлені аперіодичними ланками з коефіцієнтами передачі, рівними відносним тривалостям замкненого стану ключа , та постійною часу , яка визначається часом спрацьовування ключа.



Структурна схема МП

Показано, що у загальному випадку статичний перетворювач з n фазами на вході і m фазами на виході може бути описаний системою векторно-матричних рівнянь. Для розрахунку повільних процесів у перетворювачі за умовою забезпечення стійкості системи можна використовувати спрощену усереднену модель МП, в якій вектори вихідної напруги uВИХ(t) і вхідного струму визначаються як суми добутків відповідних векторів збуджуючих функцій (uВХ(t), ) та комутаційної матриці H(t), компоненти якої описують дію силових ключів перетворювача:

uВИХ=H(t)uВХ(t),

Математична модель в просторі станів для трифазного МП, який працює в складі автономної ЕС, з урахуванням узагальнених моделей МП та навантаження, має вигляд:

Змінність структури проявляється у залежності матриць керування та виходу від комутаційних функцій: , . Головна матриця системи обумовлюється лише параметрами навантаження. Для типового навантаження, яке звичайно має переважно індуктивно-резистивний характер, що з'єднане за схемою зірки без нульового дроту (із відповідними еквівалентними опорами та індуктивностями за -ми фазами), матриці рівнянь стану (2) визначаються як:

де

Для дослідження впливу параметрів навантаження та комутаційних функцій на спектральний склад перетвореної напруги та струму мережі живлення комутаційні функції представлено у вигляді тригонометричних рядів:

де - частота повторюваності комутаційних функцій.

Вихідна напруга фази може бути представлена сумою синусоїдальних складових з частотами, які є функціями частот мережі живлення і повторюваності комутаційних функцій :

де та - амплітуда та фаза -ї гармоніки комутаційної функції.

У разі асиметрії навантаження, (), вхідний струм буде визначатися як

де

де - амплітуда та фаза -ї гармоніки комутаційної функції , та - фазові зсуви -их гармонік вихідного струму та комутаційних функцій -ї фази.

Обґрунтовано можливість використання інтегрального критерію для визначення моментів комутації ключів, що забезпечує формування бажаної вихідної напруги в умовах невизначеності частоти та амплітудних значень напруги джерела живлення:

де - припустиме інтегральне відхилення за вихідною напругою.

Отримано вирази для визначення показників якості вихідної напруги і вхідного струму трифазного МП в залежності від комутаційних функцій: коефіцієнту спотворення струму ; коефіцієнту зсуву фаз на вході дВХ; коефіцієнту потужності на вході лВХ; відносних частот складових, що спотворюють, нВХl; відносних амплітуд складових, що спотворюють, гВХl. Доведено, що показники якості вихідної напруги і вхідного струму у загальному випадку залежать від характеру перемикальних функцій. Окремі показники якості можуть бути оптимізовані шляхом належного вибору перемикальних функцій.

У третьому розділі розглянуто методи визначення оптимального керування процесом перетворення електричної енергії в автономних ЕС за допомогою МП. Зменшення впливу перетворювача на живильну мережу при забезпеченні необхідних параметрів електричної енергії для навантаження можливе завдяки комплексному розв'язанню задач стабілізації напруги і частоти вихідної напруги та мінімізації спотворень струму мережі живлення.

Як функціонал мети запропоновано використовувати коефіцієнт спотворень вхідного струму:

де - основна гармоніка фазного струму.

З урахуванням вимог до вихідної напруги було сформульовано задачу оптимального керування трифазним МП автономної ЕС:

знайти керування, що доставляє мінімум функціоналу

де - коефіцієнт спотворень струму - ї вхідної фази МП;

при обмеженнях:

де та - дійсна та задана бажана напруги -ї вихідної фази, - припустиме інтегральне відхилення вихідної напруги від бажаної.

Функціонал мети (13) можна спростити, обмежившись аналізом сумарної інтегральної квадратичної оцінки спотворень вхідного струму:

Запропоновано здійснювати визначення величини спотворень за допомогою загороджувальних фільтрів (ЗФ) із вузькою полосою придушення та відсутністю фазового зсуву на основній частоті, що вмикаються за кожною вхідною фазою. Структура системи перетворення електричної енергії в автономній ЕС з МП та ЗФ в контурі керування вхідним струмом має вигляд, наведений на рис. 2. Для синтезу оптимального керування процесом перетворення здійснено інтеграцію підсистем «МП» - «навантаження» - «ЗФ» у просторі станів:

де та - головні матриці, та - матриці керування, та - матриці виходу системи перетворення і фільтрів відповідно.

Структура системи перетворення електричної енергії



Головна матриця інтегрованої системи , як і матриця керування , містить комутаційні функції, проте, її власні значення мають негативну дійсну частину та не залежать від керування. Це дозволяє зробити висновок, що зміна структури не впливає на стійкість розімкненої системи. Для МП з типовим навантаженням (3) та системою ЗФ, побудованих на основі фільтрів Батерворта першого порядку з частотою придушення та добротністю , власні значення матриці є:

де , - коефіцієнти, що визначаються за (4) та залежать від навантаження; , - коефіцієнти диференційного рівняння для ЗФ.

Розв'язання задачі оптимального керування системи перетворення електричної енергії в автономних ЕС як системи зі змінною структурою із розривними керуючими впливами зводиться до вибору поверхонь у фазовому просторі, на яких функції керування перетерплюють розриви, що відповідає ковзному режиму. Для організації ковзного режиму необхідно, щоб у системі виконувались наступні умови: частота зміни структури повинна прямувати до нескінченності та має бути запас за ресурсом керування, інакше точка, що відповідає положенню вектору стану у фазовій площині вийде із режиму ковзання.

Векторне керування змушує точку, що відповідає вектору стану, рухатися по перетинанню гіперплощин згідно рівнянням:



де - матриця, елементи рядків якої є коефіцієнтами в рівняннях гіперплощин , .

Через необхідність побудови в контурі керування додаткових підсистем ідентифікації параметрів навантаження зі «спостерігачем» та громіздкість обчислень, організація ковзного режиму є ускладненою, що вимагає спрощення задачі синтезу, тобто використання квазіоптимального керування.

Розроблено алгоритм оптимального керування системою перетворення електричної енергії на базі МП, який базується на припущенні, що вихідний струм протягом періоду комутації значно не змінюється:

1. Аналізуються миттєві значення амплітуди фазних напруг , .

2. Напруги вхідних фаз порівнюються із миттєвим значенням бажаної вихідної напруги . Формується вектор, компоненти якого визначаються як .

3. Для кожного з трьох можливих варіантів перемикання визначаються інтегральні оцінки спотворень вхідного струму . Якщо навантаження має активно-індуктивний характер, струм на виході перетворювача не може змінитися миттєво. Так само і оцінки спотворень з виходів фільтрів змінюються повільно, тому комутація не може різко змінити значення функціоналів .

4. Для кожного можливого варіанту підключення -ї вхідної фази визначаються допоміжні змінні , які характеризують її відхилення від миттєвого значення бажаної напруги та прогнозують спотворення вхідного струму при комутації до -ї вихідної фази.

5. Здійснюється перевірка виконання обмежень за вихідною напругою.

6. При виконанні обмежень з усіх варіантів обирається той, що забезпечує мінімальне абсолютне значення . Якщо інтегральна оцінка помилки за напругою (11) більша припустимого рівня або менша , обирається варіант, що відповідає максимальному негативному або мінімальному позитивному значенню відповідно.

Запропонований алгоритм дає можливість в реальному часі прогнозувати зміну величин вхідних струмів на наступному інтервалі комутації при певних варіантах конфігурації матричного комутатора, базуючись на поточних значеннях струмів навантаження та стану ключів перетворювача.

Для зменшення складності визначення оптимального варіанту перемикання силових ключів запропоновано модель нечіткого виводу, яка є основою для побудови адаптивної системи керування МП. На рис. 3 наведено структурну схему адаптивної системи керування процесом перетворення електричної енергії з нечітким регулятором.

Структурна схема адаптивної системи керування процесом перетворення електричної енергії з нечітким регулятором

Терм-множини нечітких лінгвістичних змінних нечіткого регулятору для визначення стану ключа, що комутує i-ї вхідну фазу до j-ї вихідної, наведені в табл. 1. На рис. 4 представлено функції належності для кожного терма кожної лінгвістичної змінної.



Таблиця 1 - Терм-множини вхідних нечітких лінгвістичних змінних

Терм	Опис	Значення
Вхід	T1i	«вхідна напруга i-ї вхідної фази МП»	{«менша», «більша»}
	T2j	«рівень інтегральної помилки за напругою на виході j-ї фази МП»	{«низька», «середня», «висока»}
	T3i	«спотворення на вході i-ї вхідної фази МП»	{«низьке», «середнє», «високе»}
Вихід T4ij	«вмикання ключа, що комутує i-у вхідну фазу до j-ї вихідної»	{«0», «1»}

а) б)

в) г)

Функції належності лінгвістичних змінних а) T1i; б) T2j; в) T3i; г) T4ij

Евристичні правила-продукції нечіткої моделі для визначення перемикальної функції (терму T4ij) формулюються таким чином:

IF T1i IS «менша» AND T2j IS «велика» AND T3i IS «низьке» THAN T4ij = «1»;

IF T1i IS «менша» AND T2j IS «середня» AND T3i IS «низьке» THAN T4ij = «1»;

IF T1i IS «більша» AND T2j IS «мала» AND T3i IS «низьке» THAN T4ij = «1»;

IF T1i IS «більша» AND T2j IS «середня» AND T3i IS «низьке» THAN T4ij = «1»;

Обґрунтовано доцільність дослідження процесів в МП при запропонованому методі керування у порівнянні з існуючими в різних режимах роботи автономної ЕС за допомогою сучасних засобів комп'ютерного моделювання для підтвердження ефективності перетворення електричної енергії.

У четвертому розділі за допомогою прикладного пакету МВТУ 3.5 було складено комп'ютерну модель МП із замкненою системою керування. Дослідження проводились для законів керування із зворотним зв'язком за напругою, а також для запропонованого методу, який припускає регулювання як вихідної напруги, так і вхідного струму. Осцилограми вихідної напруги, вхідного та вихідного струмів МП, що працює у складі автономної ЕС, наведено на рис. 5.

а) б) в)

Осцилограми вихідних напруг, вихідних та вхідних струмів МП при різних методах керування а) з комутацією найбільших значень; б) з комутацією найближчих значень; в) запропонований метод керування

В результаті моделювання було підтверджено, що спектральний склад перетвореної напруги і вхідного струму містить частотні складові, що визначаються частотою повторення комутаційних функцій, яка, в свою чергу, є кратною частотам вхідної і вихідної напруги. Відповідні спектри вхідного струму показані на рис. 6.

а) б) в)

Спектри вхідного струму МП при різних методах керування

а) з комутацією найбільших значень; б) з комутацією найближчих значень; в) запропонований метод керування

Результати моделювання показали, що запропонований метод керування силовими ключами перетворювача дозволяє мінімізувати його вплив на мережу живлення при забезпеченні необхідної вихідної напруги. Коефіцієнт спотворень вхідного струму зменшується на 7-38 % в залежності від співвідношення вхідних та вихідних амплітуд та частот.

У п'ятому розділі розглянуто питання, що виникають при практичній реалізації систем керування процесом перетворення електричної енергії в автономних ЕС, та шляхи подальшого підвищення їх ефективності.

Запропоновано схеми побудови адаптивної системи керування процесом перетворення електричної енергії з нечітким регулятором на базі сучасних електронних компонентів. Розроблені практичні рекомендації щодо реалізації системи ЗФ у контурі керування на основі цифрових пристроїв з урахуванням похибок квантування. Цифрові ланки розглянуто як лінійні, квантування за рівнем враховано шляхом введення в систему додаткових джерел шуму з амплітудою, рівній величині граничного значення помилки квантування. Для аналізу впливу дискретизації та відносної частоти вибірки на верхню межу відносної помилки фільтра було проведено моделювання обчислювальних алгоритмів, результати якого для випадку ЗФ Батерворта 2-го порядку при 8-бітній розрядності оброблюваних даних наведено на рис. 7.

а) б)

Залежність відносної похибки ЗФ Батерворта

а) формат з фіксованою комою; б) формат з плаваючою комою

Визначено діапазон значень відносної частоти цифрового фільтра, при якому забезпечується найнижчий рівень відносної помилки . Зазначені підходи до аналізу впливу дискретизації на точність обчислювальних алгоритмів можуть бути використані при проектуванні пристроїв цифрової обробки сигналів.

Розглянуто можливості підвищення ефективності процесу перетворення електричної енергії за допомогою МП завдяки використанню модифікованих алгоритмів широтно-імпульсної модуляції (ШІМ), що підтверджені патентом на винахід [7]. Адаптивна система керування процесом перетворення електричної енергії може бути також використана для живлення керованих асинхронних приводів різних механізмів і машин, де необхідно забезпечувати високу плавність ходу і регулювання частоти у широких межах [8].



ВИСНОВКИ

Підвищення ефективності процесів керування перетворенням електричної енергії в автономних ЕС є одним з шляхів вирішення задач узгодження параметрів вироблюваної й споживаної електроенергії та забезпечення надійного функціонування систем перетворення в різних режимах роботи ЕС. Це можливе за рахунок використання оптимальних методів керування системами перетворення автономних ЕС на основі МП. Основні наукові та практичні результати роботи полягають у наступному:

Виконано аналіз існуючих моделей та методів керування процесами перетворення електричної енергії в автономних ЕС, обґрунтовано необхідність побудови адаптивної системи керування процесом перетворення для покращення показників якості, підвищення ефективності процесу перетворення за рахунок узгодження автономних енергоустановок і споживачів.

Удосконалено математичну модель процесу перетворення електричної енергії в автономних ЕС, яка дає можливість проводити аналіз роботи системи перетворення електричної енергії у штатних та аварійних режимах функціонування і може бути використана при проектуванні та модернізації електроустаткування енергетичних установок з МП.

Формалізовано завдання керування системами перетворення електричної енергії в автономних ЕС на основі критерія узагальненої оцінки якості їх функціонування, що враховує ступінь спотворень струмів за кожною вхідною фазою перетворювача, та сформульовано задачу оптимального керування процесом перетворення електричної енергії.

Вперше запропоновано новий метод оптимального керування трифазним МП за критерієм мінімуму спотворень вхідного струму при заданій вихідній напрузі, що забезпечує, на відміну від існуючих методів керування, більш низький рівень спотворень струму на вході перетворювача і високочастотних складових у перетвореній напрузі при відносно простому алгоритмі керування.

Отримали подальший розвиток методи побудови нечітких регуляторів для керування силовими перетворювачами автономних енергетичних установок, що дозволило значно зменшити вимоги до швидкодії мікропроцесорних систем керування процесами перетворення електричної енергії в ЕС.

Доведено, що використання розробленого методу керування процесом перетворення електричної енергії в МП дозволяє: значно зменшити амплітуди канонічних та неканонічних гармонік вхідного струму; підвищити якісні показники електричної енергії в автономних ЕС за рахунок зменшення коефіцієнту спотворень вхідного струму на 7-38 % в залежності від співвідношення вхідних та вихідних амплітуд та частот; забезпечити працездатність системи перетворення при аварійних ситуаціях.

Проведено аналіз впливу нелінійностей на точність обчислювальних процедур в цифрових контурах керування процесом перетворення електричної енергії та удосконалено метод оцінки рівня помилок дискретизації, що дозволяє обирати оптимальні параметри налагодження систем керування процесом перетворення електричної енергії для забезпечення низького рівня помилок, пов'язаних з процесами квантування, та високої швидкодії систем керування.

Розглянуто питання, пов'язані з реалізацією запропонованого методу керування на основі сучасних електронних компонентів, сформульовані вимоги до основних функціональних частин. Визначено шляхи подальшого удосконалення методів керування системами перетворення електричної енергії на основі МП за допомогою модифікованих алгоритмів ШІМ та перспективи їх застосування.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Аркадьев В.Ю. Непосредственное микропроцессорное управление приводом технологических установок / В.Ю. Аркадьев, Ю.А. Лебеденко, Г.Н. Балин, В.П. Боярчук, В.Ю. Ковалёв, Д.А. Пекелис // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. Системный анализ, управление и информационные технологии. - Выпуск 71. - Харьков: ХГПУ, 1999. - С. 22-27.

2. Лебеденко Ю.О. Високоякісний асинхронний привод з безпосереднім перетворювачем частоти та мікропроцесорним управлінням / Ю.О. Лебеденко //Автоматика. Автоматизація. Електротехнічні комплекси та системи. - Херсон: ХДТУ, 2001, № 2. - С. 108-112.

3. Лебеденко Ю.О. Оптимальне управління безпосереднім перетворювачем частоти за критерієм мінімізації негативного впливу на живильну мережу / Ю.О. Лебеденко // Автоматика. Автоматизація. Електротехнічні комплекси та системи. - 2007. - № 1., - С. 132-135.

4. Лебеденко Ю.О. Модель нечіткого виводу для оптимального управління перетворювачем частоти в системах автономного живлення / Ю.О. Лебеденко, Г.В. Рудакова // Автоматика. Автоматизація. Електротехнічні комплекси та системи. - 2009. - № 2(24). - С. 162 - 167.

5. Лебеденко Ю.А. Исследование непосредственного преобразователя частоты с оптимальным управлением / Ю.А. Лебеденко // Автоматика. Автоматизація. Електротехнічні комплекси та системи. - 2006. - № 1. - С. 138 - 144.

6. Аркадьєв В.Ю. Аналіз похибок квантування в мікропроцесорній системі управління електроприводом шліхтувальної машини / В.Ю. Аркадьєв, Ю.О. Лебеденко //Автоматика. Автоматизація. Електротехнічні комплекси та системи. - Херсон: ХДТУ, 2000, № 2. - С. 43-48.

7. Пат. № 36105А, Україна, МПК Н02М5/12. Спосіб керування трифазним перетворювачем частоти / Аркадьєв В.Ю., Лебеденко Ю.О.; заявник і патентовласник Херс. держ. технічний ун-тет. - № 99115993; заявл. 02.11.1999; опубл. 16.04.2001, Бюл. №3. - 5 с.

8. Пат. № 36098А, Україна, МПК G05B13/02, G05B11/01. Слідкуючий електропривод зі змінним моментом інерції / Аркадьєв В.Ю., Лебеденко Ю.О., Пекеліс Д.А., Балін Г.М., Боярчук В.П.; заявник і патентовласник Херс. держ. технічний ун-тет. - № 99115980; заявл. 02.11.1999; опубл. 16.04.2001, Бюл. №3. - 2 с.

9. Аркадьев В.Ю. Унификация средств построения систем управления электромеханическими комплексами / В.Ю. Аркадьев, С.А. Мамонтова, Ю.А. Лебеденко // Автоматика-98: 5-та українська конференція з автоматичного управління, 13 - 16 червня 1998 р.: праці конф. - К., 1998. - Ч.1. - С. 166-170.

10. Лебеденко Ю.О. Перспективи використання безпосередніх перетворювачів частоти для стабілізації параметрів автономних енергетичних установок / Ю.О. Лебеденко // Інтелектуальні системи прийняття рішень та проблеми обчислювального інтелекту: міжнародна наукова конференція, Євпаторія, 19-23 травня 2008 р. : матеріали конф. - Херсон, 2008. - Т. 3 (Ч. 1). - С. 171-174.

11. Лебеденко Ю.О. Зменшення впливу перетворювача частоти на автономну енергетичну систему судна / Ю.О. Лебеденко // Інтелектуальні системи прийняття рішень та прикладні аспекти інформаційних технологій: науково-практична конференція, Євпаторія, 14 - 18 травня 2007 р.: матеріали конф. - Херсон, 2007. - Т. 1. - С. 23-25.

12. Лебеденко Ю.О. Побудова замкнених систем безпосереднього перетворення частоти / Ю.О. Лебеденко // Автоматика-2005: 12-та міжнародна конференція з автоматичного управління, 30 травня-3 червня 2005 р.: матеріали конф. - Х.., 2005. - Т. 2. - С. 21-22.

13. Лебеденко Ю.О. Алгоритм оптимального управління безпосереднім перетворювачем частоти / Ю.О. Лебеденко // Автоматика-2007: XІV міжнародна конференція з автоматичного управління, 10-14 вересня 2007 р.: матеріали конф. - Севастополь, 2007. - Т. 1. - С. 161-163.

14. Лебеденко Ю.О. Високочастотний безпосередній перетворювач частоти з оптимальним управлінням / Ю.О. Лебеденко // Автоматика-2008: XV міжнародна конференція з автоматичного управління, 22 - 26 вересня 2008 р.: доклади. - Одеса, 2008. - С. 833-836.

15. Лебеденко Ю.О. Адаптивна система управління безпосереднім перетворювачем частоти з нечітким регулятором / Ю.О. Лебеденко, Г.В. Рудакова // Інтелектуальні системи прийняття рішень та проблеми обчислювального інтелекту: міжнародна наукова конференція, Євпаторія, 17 - 21 травня 2010 р.: матеріали конф. - Херсон, 2010. - Т. 2. - С. 93-97.



АНОТАЦІЇ

Лебеденко Ю.О. Підвищення ефективності процесів керування перетворенням електричної енергії в автономних енергетичних системах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 - автоматизація процесів керування. - Херсонський національний технічний університет, Херсон, 2011.

Дисертаційна робота присвячена вирішенню проблеми підвищення ефективності процесів керування перетворенням електричної енергії в автономних ЕС шляхом використання сучасних структур систем перетворення на основі МП та методів оптимального керування. Для аналізу роботи системи перетворення електричної енергії у різних режимах функціонування удосконалено математичну модель процесу перетворення в автономних ЕС та формалізовано завдання керування на основі критерія оцінки якості вхідних струмів для урахування спотворень за кожною вхідною фазою перетворювача. Сформульовано задачу оптимального керування процесом перетворення електричної енергії за мінімумом спотворень вхідних струмів при обмеженнях на вихідні напруги та запропоновано новий метод оптимального керування трифазним МП за допомогою нечіткого регулятора. Наведено практичні рекомендації до реалізації адаптивної системи керування процесом перетворення на основі сучасних компонентів, визначено вимоги до її функціональних частин з метою забезпечення необхідної точності та швидкодії.

Ключові слова: адаптивна система керування, процес перетворення електричної енергії, автономна енергетична система, матричний перетворювач, оптимальне керування, нечіткий регулятор.



Лебеденко Ю.А. Повышение эффективности процессов управления преобразованием электрической энергии в автономных энергетических системах. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 - автоматизация процессов управления. - Херсонский национальный технический университет, Херсон, 2011.

Диссертационная работа посвящена решению проблемы повышения эффективности процессов управления преобразованием электрической энергии в автономных ЭС путем использования современных структур систем преобразования на основе МП и методов оптимального управления.

Для анализа работы системы преобразования электрической энергии с замкнутыми системами управления в различных режимах функционирования усовершенствована математическая модель процесса преобразования в автономных ЭС, которая позволяет осуществлять контроль и прогнозирование состояния параметров системы преобразования. Исследовано влияние параметров нагрузки и коммутационных функций на спектральный состав преобразованного напряжения и входного тока системы преобразования электрической энергии.

Формализована задача управления на основе обобщенного критерия оценки качества входных токов МП для учета искажений по каждой входной фазе преобразователя. Сформулирована задача оптимального управления процессом преобразования электрической энергии с функционалом цели в виде суммарной интегральной квадратичной оценки искажений входного тока, которая определяется с помощью заградительных фильтров, включенных по каждой из входных фаз, и ограничениями на выходные напряжения. Проведен анализ влияния ЗФ на динамику работы системы преобразования электрической энергии.

Оптимальное управление МП как системы с переменной структурой реализовано путем организации скользящего режима. Разработан алгоритм оптимального управления МП, который, на основе анализа текущих значениях токов нагрузки и состояния ключей преобразователя, позволяет осуществлять в реальном времени поиск вариантов конфигураций, обеспечивающих минимальное значение функционала цели и соблюдение ограничений.

Предложен новый метод оптимального управления трехфазным МП с помощью нечеткого регулятора. Применение нечеткой логики позволяет исключить из контура управления подсистемы идентификации параметров нагрузки и уменьшить громоздкость вычислений. Использование предложенного метода управления снижает коэффициент искажений входного тока на 7-38 % в зависимости от параметров входных и выходных цепей при обеспечении необходимого качества выходного напряжения.

Приведены практические рекомендации для реализации адаптивной системы управления процессом преобразования на основе современных компонентов, определены требования к ее функциональным частям с целью обеспечения необходимой точности и быстродействия.

Ключевые слова: адаптивная система управления, процесс преобразования электрической энергии, автономная энергетическая система, матричный преобразователь, оптимальное управление, нечеткий регулятор.



Lebedenko Yu.A. Improving of efficiency of control processes of electric energy conversion in the autonomous power systems. - Manuscript.

Thesis for application of scientific degree of candidate of technical sciences - speciality 05.13.07 - automation of control processes. - Kherson National Technical University, Kherson, 2011.

Dissertation work is devoted to the solution of the problem of improving the efficiency of control processes of electric energy conversion in the autonomous power systems by using of modern structures of the transformation systems on the basis of matrix converter and methods of optimal control. For the analysis of work of the system of electric energy conversion in the different modes of functioning is improved mathematical model of conversion process to the autonomous power systems and the generalized criterion of quality estimation of entrance currents of multi-phase matrix converter is offered for the account of distortions for every entrance phase of converter. The task of optimal control of electric energy conversion processes is formulated as a minimum of entrance currents distortions at limits on output voltage and the new method of optimal control a three-phase matrix converter is offered by an fuzzy regulator. Practical recommendations are resulted to realization of the adaptive control system by the process of conversion on the basis of modern components, requirements are certain to its functional parts with the purpose of providing of necessary precision and performance.

Keywords: the adaptive control system, process of electric energy conversion, autonomous power system, matrix converter, optimal control, fuzzy regulator.

Размещено на Allbest.ru