МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ФИЛЬТРОВ ВЫСШИХ

Основные направления развития региональной электроэнергетики, методы и ...
УДК 621.331
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ФИЛЬТРОВ ВЫСШИХ
ГАРМОНИК В СРЕДЕ MATLAB
С.В. Ершов, В.Ю. Карницкий
Рассмотрены методы и модели моделирования параметров фильтров высших
гармоник, которые применяются в системах электроснабжения для снижения несинусоидальности питающего напряжения. В основу методики моделирования положено
использование библиотеки программы Matlab.
Ключевые слова: электроснабжение, несинусоидальность, гармоники, фильтрация гармоник, проектирование.
Устройства повышения качества электроэнергии на основе активной фильтрации кривой тока имеют сложную электротехническую систему. Реальные экспериментальные исследования и анализ режимов функционирования подобных сложных электронных систем являются достаточно трудоёмкой и дорогостоящей задачей. Поэтому на этом этапе работы
существенную помощь может принести применение виртуальной компьютерной модели вместо реального устройства.
На данный момент существует огромное количество специализированных программ для моделирования, которые направлены на аналоговые
или цифровые схемы. С их помощью можно осуществлять анализ режимов
функционирования самых разных преобразовательных схем и электронных
устройств. Для расчета и проектирования электронных блоков достаточно
хорошо зарекомендовали себя специальные пакеты, в основе которых
применялся пакет Pspice. К этим программам относят OrCAD 9, DesignLab
и др. Среди существующих пакетов программ наиболее широкие возможности имеет пакет OrCAD 9. Он соединяет в себе функционал различного
вида анализа, синтеза, проектирования и конструирования электронных
схем. К тому же он включает в себя обширную библиотеку электронных
составляющих, а также даёт возможность создавать модели не входящих в
базу элементов с применением данных различных производителей. Пакет
программ OrCAD 9 дает возможность проводить самый полный анализ
электронных блоков, выполнять проектирование печатных плат рассматриваемых электронных схем.
При исследовании систем фильтраций высших гармоник основной
задачей математического моделирования является имитация результатов
теоретического анализа энергетических преобразований, протекающих в
устройстве компенсации высших гармоник, а также подтверждение основных принципов построения системы управления и сделанных при этом допущений. Поэтому в качестве наиболее эффективной среды для моделирования устройства фильтрации высших гармоник наиболее целесообразным
25
Известия ТулГУ. Технические науки. 2014. Вып. 8
можно считать применение программного комплекса MATLAB.
Пакет программ MATLAB является мощной средой для выполнения математических вычислений, осуществляемых на основе матричных
представлений данных. Кроме командного режима, MATLAB содержит в
себе графическую среду Simulink, дающую исследователю самые разные
возможности: от структурного моделирования системы до вычисления кодов для программирования микропроцессора согласно структурной схеме
модели. Simulink, так же, как и OrCAD 9, дает возможность выбирать математические модели из элементов библиотек. Кроме этого, в программном комплексе содержится большое количество специализированных библиотек, например: Math – библиотека математических функций, Sinks –
модели виртуальных приборов для наблюдения и графического представления процессов, Electrical Source – моделируют источники электрической
энергии, Library Power Elements - библиотека силовой техники, Power Electronics - библиотека силовых элементов и полупроводниковых преобразователей, Measurements - измерительная аппаратура и др.
Преимуществом пакета программ MATLAB по сравнению с другими математическими пакетами для моделирования электрических схем является наибольший выбор алгоритмов как с переменным, так и с установленным шагом расчета [1]. Это дает возможность сократить время расчёта
при обеспечении высокой точности за счёт подбора более близкого алгоритма. Также есть функция сохранения и последующей обработки результатов моделирования в среде Simulink с помощью набора команд
MATLAB.
Разработка виртуальной модели устройства фильтрации высших
гармоник имеет следующие цели:
- подтвердить основные теоретические положения, сделанные в
процессе разработки системы управления устройством повышения качества электроэнергии;
- оценить качество фильтрации графика тока при различных негативных факторах со стороны нагрузки.
На рис. 1 дана модель трехфазной системы с нелинейной и несимметричной нагрузкой, к которой подключается устройство фильтрации
высших гармоник, смоделированная в приложении Simulink программного комплекса MATLAB.
Для разработки математической модели трёхфазной сети в среде
MATLAB выбираем из базы данных SimPowerSystems блок AC Voltage
Source и блок Series RLC Branch. посредством данных блоков мы моделируем напряжение и индуктивное сопротивление питающей сети.
Нагрузка моделируется двумя блоками. Один блок моделирует нелинейную нагрузку (Non-Linear Load) (рис. 2), а другой блок - несимметричную активно-индуктивную нагрузку (Asymmetrical Load). В модели
предусмотрена возможность изменения показателей каждыго из элементов
26
Основные направления развития региональной электроэнергетики, методы и ...
во время моделирования.
A
A
B
B
B
C
C
C
110kV, 50Hz
a
A
b
B
c
29.3 MVA
a
A
a
B
b
B
b
C
c
C
c
Source
n2
Load
A
C
A
C
A
B
N
Three-Phase
Transformer
b
C
c
a
B
b
C
c
Assimmetrical
Load
A
Three-Phase Breaker1
B
Is
Is
B
A
B
C
C
Vs
a
A
Vs
A
Non _linear Load
Three-Phase Breaker
A1
Iref
A1-
Iref
Three-Phase
Active Filter
m
A2
A2-
B1
B2
B1C1
C1-
B2C2
Vs
Vs
Is
Is
Selector
C2-
Measurements
Iref
Selector1
Iref a
Selector3
?
Double click here for more info
Selector2
Рис. 1. Виртуальная модель трёхфазной системы с нелинейной
и несимметричной нагрузкой в среде MATLAB
Нелинейная нагрузка (Non-Linear Load) моделируется двумя трёхфазными диодными выпрямителями, подключёнными через трансформаторы с различным соединением обмоток, для имитации режима функционирования 6-пульсного или 12- пульсного преобразователей. Коэффициент
трансформации составляет 1.
В качестве модели трёхфазного мостового диодного выпрямителя в
среде MATLAB выбираем из базы данных SimPowerSystems\Power Electronics блок Universal Bridge.
Блок (Asymmetrical Load) необходим для создания имитации активно-индуктивной несимметричной нагрузки в системе электроснабжения.
Моделируемая система содержит по три активно-индуктивных нагрузки на
каждую фазу. Включение каждой из нагрузок задаётся блоками управления выключателями Signal Builder.
Активно-индуктивная нагрузка характеризуется блоком Series RLC
Load, включение и отключение будет выполняться с помощью блочного
выключателя Breaker.
Модель устройства фильтрации высших гармоник состоит из восьми стандартных блоков IGBT-транзисторов, катушек индуктивностей,
двух конденсаторов со стороны постоянного тока и системы управления.
Устройство фильтрации высших гармоник включает в себя блок «Control»
для имитации управляющего сигнала силовой частью. посредством коммутации силовых ключей по предложенному алгоритму устройство фильтрации высших гармоник вырабатывает сигнал ошибки в сеть с небольшой
27
Известия ТулГУ. Технические науки. 2014. Вып. 8
задержкой по времени, таким образом, обеспечивая близкую к идеальной
форме синусоиды тока нагрузки, и, в целом, обеспечивает необходимое
качество электрической энергии.
a
B
b
C
c
A
a
B
b
A
C
c
+
- v
Voltage Measurement
Scope
+
C
Universal Bridge
Three-Phase Source
C ontrolled Current Source
Three-Phase
Transformer
(Two Windings)
Three-Phase Breaker
s
C
+
B
B
-
A
A
Step
a
B
b
A
a
B
b
C
c
A
c
+
v
-
Voltage Measurement1
Scope1
+
C
Universal Bridge1
C ontrolled Current Source1
Three-Phase
Transformer
(Two Windings)1
Three-Phase Breaker1
s
C
+
B
-
A
Step1
Рис. 2 . Блок, моделирующий трёхфазную нелинейную нагрузку
(Non-Linear Load)
c
2
1
Load
Breaker
c
2
1
Load1
Breaker1
Signal 1
c
2
Signal 2
1
Signal 3
Breaker2
Load2
Signal Builder
c
2
1
Load3
Breaker3
c
2
1
Load4
Breaker4
Signal 1
c
2
Signal 2
1
Signal 3
Breaker5
Load5
Signal Builder1
c
2
1
Load6
Breaker6
c
2
1
Load7
Breaker7
Signal 1
c
2
Signal 2
1
Signal 3
Breaker8
Load8
Signal Builder2
Рис. 3. Блок имитации трёхфазной несимметричной
активно-индуктивной нагрузки
Основные компоненты, которые входят в состав блока устройства
фильтрации высших гармоник, даны на рис. 4.
28
Основные направления развития региональной электроэнергетики, методы и ...
[Vabc_source]
[Iabc_source]
[Vabc_AF]
[Iabc_Load]
Iabc
[Iabc_AF]
[Vabc_Load]
Vabc
[Vabc_Load]
Out1
Iabc_F
[Iabc_Load]
Vdc
Vabc_B1
Subsystem
1
[Ioc]
2
C onnection C onnection
Port
Port1
Scope
Selector
Selector1
Sel ector2
Selector3
g
C
g
E
g
C
m
E
g
C
g
m
E
m
E
Ta8
E
E
Ta7
m
E
Ta6
m
Selector7
m
Ta5
Ta4
Sel ector6
C
g
Selector5
C
Selector4
Ta3
m
m
Ta2
C
g
C
g
C
Ta1
E
b
c
C onnection
Port2
C
Iabc
a
B
A
Vabc
3
Рис. 4. Модель устройства фильтрации высших гармоник
в среде MATLAB
Параметры силовой части устройства фильтрации высших гармоник, применяемые при моделировании, с учётом заданной активноиндуктивной и нелинейной нагрузки, установлены со следующими значениями:
- накопительный конденсатор - ёмкость C 1 , С2 1000 мФ;
- индуктивность фильтрующего дросселя L на выходе устройства
фильтрации высших гармоник, исходя из параметров фильтрации, равно
10 мГн.
Система управления может состоять из двух блоков: Transf_P-I и
D-mod. Блок Transf_P-I переводит мгновенную активную мощность, которую необходимо выдать в сеть устройству фильтрации высших гармоник,
в ток для каждой фазы данного устройства. Блок D-mod имитирует «дельта»-модуляцию с постоянной частотой и отвечает за подачу сигнала
управления силовыми ключами.
Для оценки эффективности функционирования разработанной модели устройства фильтрации высших гармоник и системы управления была проверена работа модели на различных режимах нагрузки. Также была
выполнена оценка качества фильтрации графика тока.
Режим с постоянной во времени нелинейной нагрузкой - в этом режиме работает только блок Non-Linear Load. График изменения тока нагрузки показан на рис. 5.
29
Известия ТулГУ. Технические науки. 2014. Вып. 8
Рис. 5. Ток нагрузки до введения в работу устройства фильтрации
высших гармоник
Спектральный анализ тока нагрузки можно видеть на рис. 6.
Из данного графика видно, что до включения активного фильтра гармоник
коэффициент искажения синусоидальности кривой тока К I = 11,47 %.
Рис. 6. Спектральный анализ тока до включения устройства
фильтрации высших гармоник
Представленная в работе методика, основанная на итерационных
методах вычислений, дает возможность выбрать основные параметры силовой части устройства повышения качества электроэнергии с учетом образующихся между ними связей.
Виртуальная модель устройства фильтрации высших гармоник и
его системы управления на основе библиотеки Simulink программного
комплекса MATLAB дает возможность проверить основные теоретические
положения, полученные при разработке системы управления устройством,
повышающим показатели качества, а также выполнить оценку качества
фильтрации графика тока при различных негативных факторах со стороны
нагрузки.
30
Основные направления развития региональной электроэнергетики, методы и ...
Результаты моделирования при использовании представленной модели показывают, что на исследуемых режимах коэффициенты искажения
синусоидальности графика тока, несимметрии тока по обратной последовательности и по нулевой последовательности после включения в работу
устройства фильтрации высших гармоник уменьшаются до допустимых
значений, что доказывает эффективность функционирования предложенной системы моделирования и управления силовой частью устройства повышения качества электроэнергии в узлах нагрузок.
Список литературы
1. Карташев И.И. Качество электроэнергии в системах электроснабжения. Способы его контроля и обеспечения / под ред. М.А. Калугиной. М.: Издательство МЭИ, 2000. 120 с.
2. Управление качеством электроэнергии / И.И. Карташев [и др.];
под ред. Ю.В. Шарова. М.: Издательский дом МЭИ, 2006. 320 с.
3. Климов В.П., Москалев А.Д. Проблемы высших гармоник в современных
системах
электропитания.
Режим
доступа:
http://www.tensy.ru/article01.html.
4. Куликов, Ю.А. Переходные процессы в электрических системах:
учеб. пособие. Новосибирск: НГТУ. М.: ООО «Издательство ACT», 2003.
283 с.
Ершов Сергей Викторович, канд. техн. наук, проф., доц., erschov.serrg@mail.ru,
Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Карницкий Валерий Юльевич, канд. техн. наук, доц., eiests@tsu.tula.ru, Россия,
Тула, Тульский государственный университет
MODELLING OF PARAMETERS OF FILTERS OF HIGHER HARMONICS IN MATLAB
S.V. Ershov, V.Y. Karnitsky
Methods and models for simulation of the parameters of filters highest Gar-Monique,
which are used in power supply systems to reduce naenoaeuii-ness of the supply voltage. The
methodology of modeling supposed to use the library program Matlab.
Key words: power supply, the nonsinusoidal, harmonic filtering of harmonics, design
Ershov Sergey Victorovich, candidate of technical sciences, docent,
schov.serrg@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Karnitsky Valery Yulyevich, candidate of
eiests@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula, Tula State University
31
technical
sciences,
er-
docent,