Идентификация показателей качества несинусоидальных процессов в судовых автоматизированных электроэнергетических системах со статическими преобразователями


Скачать 307,94 Kb.
НазваниеИдентификация показателей качества несинусоидальных процессов в судовых автоматизированных электроэнергетических системах со статическими преобразователями
страница1/3
Румянцев Максим Анатольевич
Дата конвертации22.08.2012
Размер307,94 Kb.
ТипАвтореферат
Год2008
На соискание ученой степениКандидат технических наук
  1   2   3



На правах рукописи


Румянцев Максим Анатольевич


ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА

НЕСИНУСОИДАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ В СУДОВЫХ

АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

СИСТЕМАХ СО СТАТИЧЕСКИМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ


Специальность: 05.13.06 - «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)»


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Санкт-Петербург

2008 г.


Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций (СПГУВК).


Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор Зубарев Юрий Яковлевич


Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Кузнецов Сергей Емельянович

Кандидат технических наук Русинов Игорь Александрович


Ведущая организация:

Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации РАН

(СПИИРАН)


Защита диссертации состоится «_29января 2009 г. в 14:00 часов в ауд.№235а на заседании диссертационного совета Д.223.009.03 при Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций по адресу:

198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, д. 5/7


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПГУВК.

Автореферат разослан «12» декабря 2008г.


Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук,

доцент Барщевский Е.Г.

I ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.


Актуальность темы исследования. Научно-технический прогресс в области силовой полупроводниковой техники привел к широкому использованию в современных и перспективных автоматизированных судовых электроэнергетических системах (АЭЭС) статических преобразователей, которые обладают существенными технико-экономическими преимуществами перед другими преобразователями электроэнергии.

Совершенствование судовых АЭЭС связано как с появлением новых задач, которые должны решать эти системы, так и с научно-техническим прогрессом в области судовой электротехники и других смежных областях. Поэтому при проектировании АЭЭС перспективных судов возникает ряд принципиально новых проблем обеспечения качества электроэнергии. Необходимо отметить следующие особенности, оказывающие значительное влияние на процессы исследования и проектирования АЭЭС перспективных судов:

  • увеличение числа и суммарной мощности статических преобразователей существенно влияет на качество электрической энергии АЭЭС и электромагнитную обстановку на судах;

  • исключение электромашинных преобразователей частоты из систем вторичного электропитания и обеспечение электроэнергией радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) непосредственно от общесудовой сети с частотой 50 Гц требует более тщательного рассмотрения вопросов обеспечения заданного качества электрической энергии;

  • увеличение насыщенности судов радиоэлектронной аппаратурой и рост чувствительности этой аппаратуры к электромагнитным помехам обостряет проблему электромагнитной совместимости (ЭМС) электрооборудования и РЭА в условиях электромагнитных полей, в частности, полей, излучаемых силовыми кабельными линиями. Проблема электромагнитной совместимости должна решаться, прежде всего, на стадии проектирования, как отдельных технических устройств, так и их комплексов в масштабе АЭЭС судна.

Особенно часто указанные проблемы возникают при проектировании АЭЭС перспективных судов, предназначенных для освоения мирового океана, где использование мощных статических преобразователей для питания электроприводов технологических комплексов, систем электродвижения и позиционирования требует принятия специальных мер для обеспечения заданного качества электрической энергии.

Питание судовых электронных средств непосредственно от судовой сети через статические преобразователи позволяет существенно улучшить экономические и массогабаритные характеристики систем вторичного электропитания, а также повысить их надежность и коэффициент полезного действия.

Современные электроэнергетические системы содержат большое число статических преобразователей, суммарная мощность которых соизмерима с суммарной мощностью генераторов.

Статические преобразователи по своей природе представляют существенно нелинейную нагрузку, потребляющую от генераторов несинусоидальный ток. Падение напряжения высших гармонических составляющих несинусоидального тока на индуктивных сопротивлениях отдельных элементов АЭЭС, в частности, генераторов, трансформаторов и кабельных линий, приводит к искажению формы кривой напряжения и тока, вызывают дополнительный нагрев генераторов, асинхронных двигателей, конденсаторов, а также могут вызвать нарушение нормальной работы отдельных потребителей. Наиболее жесткие требования к качеству электроэнергии предъявляют при питании радиоэлектронных, вычислительных и информационных систем и устройств, которые широко применяют на судах. Согласно Российскому Морскому Регистру Судоходства величина коэффициента несинусоидальных искажений формы кривой напряжения судовых АЭЭС не должна превышать 10%. Однако в судовых АЭЭС с мощными выпрямителями величина коэффициента искажения в отдельных режимах превышает эту величину. Наличие гармонических составляющих тока в кабельных линиях, как уже говорилось выше, приводит к возникновению электромагнитных полей. Поэтому увеличение мощности статических выпрямителей существенно усложняет решение проблемы электромагнитной совместимости различных видов электрооборудования, а также электрического и радиоэлектронного оборудования.

Для решения проблемы электромагнитной совместимости статистических преобразователей и электрооборудования в АЭЭС возникает необходимость в создании оперативных методов расчета электромагнитных процессов.

Существующие методы расчета показателей качества электромагнитных процессов в судовых АЭЭС со статическими преобразователями основаны на определении отдельных гармонических составляющих напряжения. Поскольку электромагнитные процессы в АЭЭС со статическими выпрямителями достаточно сложны и описываются дифференциальными уравнениями весьма высокого порядка, то аналитические методы расчета гармоник напряжения разрабатываются на основе ряда допущений (неискаженное питающее напряжение, бесконечно большая индуктивность в цепи нагрузки, линейный характер изменения коммутации и т.д.), что в некоторых случаях приводит к значительным ошибкам. Но даже при этом используемые выражения громоздки, а расчет сложных схем с несколькими статическими выпрямителями с учетом их взаимовлияния оказывается практически невозможным. Также в качестве исходных данных существующих аналитических методов, кроме параметров схем замещения АЭЭС с преобразователями, используют углы управления и коммутации. Указанные углы, в свою очередь, зависят от параметров схем замещения, величин и характера нагрузки, законов регулирования формы выходного напряжения. В результате для получения значений углов управления и коммутации в расчетном режиме, соответствующем заданному выходному напряжению, вычисления приходится вести итеративно, методом последовательного приближения.

Другой метод расчета показателей качества несинусоидальных электромагнитных процессов основан на решении полных дифференциальных уравнений, описывающих указанные процессы в исследуемой АЭЭС, получении мгновенных значений напряжения и проведении гармонического анализа. Этот метод по точности и универсальности значительно превосходит аналитический. Применение персональных компьютеров (ПК) позволяет принять в качестве исходных расчетных данных известные параметры рассчитываемой АЭЭС со статическими преобразователями, причем ПК автоматически выполняет все необходимые операции по заданной программе. Однако такой подход приводит к существенному усложнению расчетов, которые также должны производиться итеративными методами.

Для преодоления указанных трудностей возникает необходимость разработки комплекса полиномиальных моделей несинусоидальных процессов в АЭЭС с силовыми статическими преобразователями, работающими в установившихся режимах.

Так как судовые АЭЭС с выпрямителями были подробно рассмотрены в работах Зубарева Ю.Я., ниже будут рассматриваться полиномиальные модели АЭЭС с непосредственными преобразователями частоты (НПЧ), соответствующие следующим эквивалентным расчетным схемам:

  • АЭЭС с трехфазным шестипульсным непосредственным преобразователем частоты (НПЧ);

  • АЭЭС с шестифазным шестипульсным НПЧ;

  • АЭЭС с трехфазным двенадцатипульсным НПЧ;

  • АЭЭС с шестифазным двенадцатипульсным НПЧ.

Полученные в работе полиномиальные модели позволяют рассчитать показатели несинусоидальных процессов в АЭЭС, содержащих один или несколько разнотипных или однотипных синхронных генераторов, работающих параллельно на общие шины. К этим шинам могут подключаться асинхронные двигатели, один или несколько статических преобразователей и фильтрокомпенсирующее устройство, представляющее собой последовательно соединенные реакторы и батарею конденсаторов. При определенных допущениях, указанные полиномиальные модели могут использоваться для более сложных схем замещения АЭЭС, в частности, для АЭЭС с межсекционными реакторами.

Одной из важнейших проблем, возникающих при исследовании и проектировании судовых АЭЭС, является проблема повышения качества несинусоидальных электромагнитных процессов, решение указанной проблемы сталкивается с рядом трудностей, связанных прежде всего со сложностью описания математических моделей процессов автоматизированных судовых АЭЭС и большим числом противоречивых требований, предъявляемых к ним.

В связи с этим целью исследования диссертационной работы является повышение качества электроэнергии в судовых АЭЭС со статическими преобразователями путем решения задачи идентификации АЭЭС в классе полиномиальных моделей, положенных в основу методик оперативных расчетов показателей качества несинусоидальных процессов.

В соответствии с указанной целью в работе сформулированы, обоснованы и решены следующие задачи:

  1. Анализ существующих АЭЭС со статическими преобразователями и формирование требований, применяемых к этим системам.

  2. Идентификация показателей искажения напряжения в АЭСС на основе многофакторных полиномиальных моделей.

  3. Разработка многофакторных кусочно-полиномиальных и мультипликативно-полиномиальных моделей.

  4. Разработка методики расчета показателей качества несинусоидальных процессов в АЭЭС с НПЧ.

Предмет исследования представляют теоретические основы разработки и практическая реализация моделей показателей качества несинусоидальных процессов в АЭЭС со статическими преобразователями, основанных на обработке результатов расчетов в соответствии с непрерывными оптимальными планами вычислительного эксперимента.

Методы исследования. Методической основой и общей формальной базой диссертационного исследования служит теория планирования эксперимента, теория вероятностей и математическая статистика, а также методы математического моделирования автоматизированных электроэнергетических систем. Исследования опираются на материалы ЦНИИ СЭТ, судостроительных научно-исследовательских институтов (НИИ) и конструкторских бюро (КБ), Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций, Канонерского Судоремонтного Завода, специальную математическую и техническую литературу.

Научная новизна полученных в диссертации результатов состоит в разработке методов построения многофакторных полиномиальных моделей несинусоидальных процессов.

Наиболее значительными результатами, впервые полученными автором, являются:

  1. Формализация задачи многофакторной идентификации судовых АЭЭС со статическими преобразователями на основе полиномиальных моделей.

  2. Определение в явном виде условий для оптимальной идентификации кусочно-полиномиальных и мультипликативно-полиномиальных моделей показателей качества несинусоидальных процессов в АЭЭС со статическими преобразователями.

  3. Синтез планов для определения кусочно-полиномиальных и мультипликативно-полиномиальных моделей показателей качества несинусоидальных процессов в АЭЭС со статическими преобразователями.

  4. Определение кусочно-полиномиальных и мультипликативно-полиномиальных моделей показателей качества процессов в АЭЭС с непосредственными преобразователями частоты, положенных в основу оперативных методов расчета.

Практическая ценность. В результате проведенных исследований доказана целесообразность и эффективность использования кусочно-полиномиальных и мультипликативно-полиномиальных моделей для решения конкретных задач, возникающих при проектировании автоматизированных судовых АЭЭС. Разработанные модели и программные средства легли в основу методики, позволяющей повысить эффективность расчета показателей качества несинусоидальных процессов судовых АЭЭС.

Реализация работы. Разработанные в диссертации кусочно-полиномиальные и мультипликативно-полиномиальные модели показателей качества несинусоидальных процессов в АЭЭС, а также компьютерная система определения показателей качества процессов в АЭЭС с непосредственными преобразователями частоты внедрены в ЗАО “Канонерский Судоремонтный Завод”.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на международной технической конференции “ТрансКом-2005”, “Научно-технической конференции молодых научных сотрудников 2005” СПГУВК, международной конференции “Региональная Информатика - 2006”, научно-методических конференциях НМК-2004, 05, 06 (СПб, СПГУВК, 2004-2006), кафедральных семинарах “Контроль и диагностика транспортных систем” с 2004-2006, СПГУВК, Шестой международной научно – практической конференции “Исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности” 2008 СПГУВК.

Публикации. Основные положения о работе рассмотрены в семи публикациях, в том числе одна из статей опубликована в издании, имеющимся в перечне научных журналов ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы: Работа состоит из введения, 4-х глав основного текста, заключения, списка литературы. Общий объем работы составляет 181 страница, в том числе 32 рисунка, 27 таблиц и список использованных источников из 101 наименования.


II СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В первой главе формулируется задача исследования. Рассматриваются вопросы электромагнитной совместимости статических преобразователей и судового электрооборудования. Уделяется внимание общим принципы преобразования частоты в статических устройствах, классификации преобразователей и краткой характеристике их свойств. Рассматриваются основные требования, предъявляемые к статическим преобразователям частоты. Подробно рассматриваются непосредственные преобразователи частоты (НПЧ) и их электромагнитная совместимость.

Задача повышения качества электроэнергии в АЭЭС перспективных кораблей и судов, в частности, судов для освоения мирового океана, встречает ряд существенных затруднений. Следует учитывать, что совершенствование судовых АЭЭС связано как с появлением новых задач, которые должны решать эти системы, так и с развитием элементной базы. Мероприятия по обеспечению ЭМС во многих случаях оказываются весьма дорогостоящими, и стоимость их реализации существенно увеличивается по мере создания судна на разных стадиях проектирования, постройки и ввода в эксплуатацию. Выявление необходимых для обеспечения ЭМС мероприятий и их реализация должны быть проведены в возможно более ранний период создания судна. Последнее определяет большую значимость методов расчетной оценки и проектного обеспечения ЭМС судовых технических средств. Статические преобразователи, обладая в целом лучшими, чем электромашинные преобразователи, технико-экономическими показателями, не только вытесняют последние, но и находят все новые области применения на современных судах. НПЧ осуществляют непосредственное преобразование частоты на основе реверсивных управляемых выпрямителей без промежуточных преобразований, что обеспечивает более высокий коэффициент полезного действия (КПД), низкий уровень искажения и сравнительно небольшие массогабаритные характеристики.

Вторая глава посвящена формализации идентификации несинусоидальных процессов.

Рассмотрены вопросы моделирования электромагнитных процессов в непосредственном преобразователе частоты на примере стандартной схемы НПЧ.

Разработанная модель позволяет производить расчеты электромагнитных процессов в реверсивном приводе постоянного тока с раздельным управлением.

При этом следует учитывать, что преобразователь представляет собой систему с переменной структурой, каждому состоянию которой соответствует определенная комбинация проводящих и запертых вентилей.

Для решения этой задачи в ЦНИИ СЭТ был разработан структурно-параметрический метод моделирования АЭЭС со статическими преобразователями, который был положен в основу отраслевого стандарта по оценке коэффициента искажения АЭЭС.

Рассмотрим схему судовой АЭЭС с непосредственным преобразователем частоты (рис. 1.):





Рис.1. Схема судовой АЭЭС с НПЧ.

(СГ - синхронный генератор; ТР – трансформатор; НПЧ - непосредственный преобразователь частоты; АДЭ – эквивалентный асинхронный двигатель; АДН - асинхронный двигатель нагрузки).


Анализ электромагнитных процессов в системе синхронный генератор (СГ) — НПЧ, при соизмеримости мощности СГ и НПЧ, показал, что в качестве факторов, определяющих величину коэффициента искажения, могут быть приняты следующие параметры:

    • — расчетное сопротивление генератора,

где , — сверхпереходные сопротивления СГ по продольной и попереч­ной осям соответственно, о. е.;

    • — напряжение короткого замыкания входного трансформатора НПЧ;

    • - глубина регулирования выходного напряжения НПЧ,

где — амплитуда основной гармоники выходного напряжения НПЧ в расчетном режиме;

— амплитуда основной гармоники выходного напряжения НПЧ в режиме холостого хода при максимально открытых тиристорах;

    • — соотношение частот напряжения на входе и выходе НПЧ;

    • — коэффициент мощности нагрузки НПЧ при задаваемой частоте выходного напряжения преобразователя;

    • — относительная полная мощность преобра­зователя, о.е.,

где — полная потребляемая мощность НПЧ в расчетном режиме, кВт;

— полная номинальная мощность генератора, кВА.


Как известно, относительная величина -й гармонической составляющей напряжения АЭЭС со статическими преобразователями может быть представлена через относительную величи­ну -й гармонической составляющей тока следующим образом:

(1)

Тогда величину коэффициента искажения можно представить вы­ражением:

; (2)

Соответственно: , где = - - приведенный коэффициент искажения.

Величины приведенного коэффициента искажения и гармонических составляющих тока меняется в достаточно ограниченных пределах. Поэтому точность аппроксимации приведенных показателей искажения , будет значительно выше, чем у соответствующих не преобразованных показателей, в особенности в областях значений показателей для решения задач оценки и повышения качества электромагнитных процессов в судовых АЭЭС со статическими преобразователями.


Планирование вычислительного эксперимента на основе специализированных вычислительных моделей и обработка полученных результатов позволяет осуществить активную идентификацию процессов в АЭЭС.

В соответствии с функциональным подходом представим судовую АЭЭС в виде некоторой сложной схемы с входными и выходными величинами (рис.2.).






Рис. 2. Вычислительная модель АЭЭС.


Полиномиальные модели процессов в судовых АЭЭС представляют собой полиномиальные зависимости показателей качества процессов от исследуемых параметров АЭЭС или их схем замещения.

При разработке полиномиальных моделей осуществляется путем использования обобщенного критерия наименьших квадратов, предусматривающего минимизацию суммы взвешенных квадратов отклонений:

(3)

Для решения отдельных задач исследования и проектирования судовых АЭЭС, как правило, могут быть использованы полиномиальные модели вида:

(4)

В подобных случаях возникает задача построения планов, обеспечивающих наилучшую возможную аппроксимацию “истинной” полиномиальной зависимости некоторой аппроксимирующей полиномиальной моделью.

Полиномиальные модели в общем случае при идентификации несинусоидальных процессов в судовых АЭЭС могут быть представлены следующим образом: , (5)


где - вектор нормированных значений параметров АЭЭС,

-вектор базисных функций модели,

= - вектор коэффициентов модели.

Будем считать, что в каждом конкретном случае может быть выбрана так называемая аппроксимируемая модель вида модель (5), которая с необходимой точностью описывает зависимость показателя процесса от исследуемых параметров. Однако определение этой модели во многих случаях не представляется возможным или целесообразным. Определяется аппроксимирующая модель процесса, которой соответствуют подвектор базисных функций , не содержащий отдельные компоненты вектора . Указанные компоненты вектора объединяются в подвектор .

Для повышения точности аппроксимирующих моделей необходимо выбрать план вычислительного эксперимента таким образом, чтобы обеспечить оптимальную идентификацию судовой АЭЭС, то есть минимизировать интегральную оценку ошибки аппроксимации, усредненную по заданной области изменения параметров АЭЭС с учетом закона распределения этих параметров.

Матрица моментов плана эксперимента представляется в виде:

(6)

где и – подматрица информационной матрицы, соответствующие векторам и .

Необходимые и достаточные условия оптимальной идентификации записываются в виде матричного уравнения:

, (7)

где и подматрицы матрицы моментов ,закона распределения параметров судовых АЭЭС.

Структура матрицы аналогична структуре матрицы .

Рассмотрен случай, когда аппроксимируемая модель несинусоидального процесса АЭЭС имеет третий порядок, а аппроксимирующая сочетание второго и третьего порядков.

В работах Зубарева Ю.Я. для определения оптимального плана эксперимента рекомендуется воспользоваться достаточными, а не необходимыми и достаточными условиями. Достаточные условия, как это видно из (7), представляются следующим образом:

; (8)

Пусть все нечетные моменты плана эксперимента и тождественно равны нулю. Тогда ненулевым элементам ненулевых подматриц и будут соответствовать четные моменты ,,, , для различных групп параметров. Аналогичные структуры имеют матрицы и , которым соответствую четные моменты , , , , закона распределения параметров.

После проведения необходимых матричных преобразований была получена система уравнений, решение которой позволило получить необходимые и достаточные условия оптимальности планов вычислительного эксперимента, минимизирующих интегральную оценку ошибки аппроксимации. (9) и (10). Эти условия проще, чем достаточные и не предполагают равенства вторых моментов (), что существенно упрощает процесс синтеза непрерывных оптимальных планов вычислительного эксперимента.


;








;

(9)



(10)

;









  1   2   3

Разместите кнопку на своём сайте:
поделись


База данных защищена авторским правом ©dis.podelise.ru 2012
обратиться к администрации
АвтоРефераты
Главная страница