Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
Горева Т. С., Портнягин Н. Н.,
ВВЕДЕНИЕ
В связи с развитием силовой полупроводниковой техники все большее применение в электроэнергетических системах (ЭЭС) находят мощные статические преобразователи электроэнергии (выпрямители, инверторы, преобразователи электроэнергии), а также другое электрооборудование с нелинейными вольт-амперными характеристиками и резкопеременными нагрузками.
При этом происходит ухудшение показателей качества электроэнергии, выражающиеся в нарушении синусоидальности напряжения в цепях питания, бросках и провалах напряжения. Кондуктивные помехи, приводящие к искажению напряжения могут быть:
– импульсными, в виде кратковременного провала или броска напряжения, тока в результате включения или выключения мощных приемников или срабатывания защит;
– осциллирующими, в виде кратковременного двухполярного изменения напряжения, тока из-за резонанса при включении конденсаторов, предназначенных для коррекции коэффициента мощности;
– флуктуационными, в виде изменения среднеквадратического значения напряжения при наличии пульсаций нагрузки.
Несинусоидальность напряжения и наличие в связи с этим высших гармонических составляющих напряжения и тока, в питающей электрической сети отрицательно влияют на работу электрооборудования (возрастают потери в электрических машинах, сокращается срок службы электрической изоляции), средств автоматизации, связи и персональных компьютеров.
В настоящее время большое внимание уделяется вопросам разработки методов и средств, позволяющих устранить влияние высших гармоник, для обеспечения качества электроэнергии, соответствующего требованиям стандартов.
Для минимизации уровня высших гармоник в ЭЭС находят применение фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ). ФКУ настраивается на подавление одной или нескольких гармоник, например ФКУ УСФМ-5/7-0,4-790 У3 обеспечивает подавление пятой и седьмой гармоник. При сложном характере амплитудного спектра токов и напряжений, когда имеют место интергармоники и субгармоники, применение ФКУ может оказаться неэффективным.
Наиболее перспективным способом компенсации в настоящее время является применение активных фильтров компенсаторов. При активной фильтрации основной задачей является разработка эффективного метода идентификации (выделение) кондуктивных помех в электрической сети. Устройство управления обеспечивает формирование соответствующих управляющих сигналов, под воздействием которых широтно-импульсный модулятор активного компенсатора генерирует компенсирующий сигнал.
В общем случае в напряжении ЭЭС содержится разномасштабные локальные особенности, относительная величина и временная протяженность которых зависит от природы возмущения. Выделить кондуктивные помехи в кривой напряжения с подобными особенностями позволяет вейвлет-преобразование.
В монографии представлена разработка активного компенсатора помех для электроэнергетической системы с идентификацией кондуктивных помех в ортогональном вейвлет базисе.
Основные задачи, освещенные в работе:
1. Анализ показателей качества электроэнергии в сети 0,38 кВ с выводом соотношений между относительной амплитудой импульсной помехи и гармоническим составом помех допускаемых МЭК IEC 60050 и ГОСТ;
2. Анализ существующих методов и алгоритмов подавления кондуктивных помех в электрической сети, анализ алгоритмов цифровой фильтрации с целью выделения импульсных кондуктивных помех;
3. Выбор и обоснование базиса представления сигналов и кондуктивных помех, в котором процедура разделения помехи и полезного сигнала наиболее эффективна;
4. Разработка способа управления вейвлет-фильтрацией кондуктивных помех в электроэнергетической системе;
5. Разработка алгоритма и программного обеспечения компенсации кондуктивных помех сетевого сигнала в электроэнергетической системе;
6. Разработка гибридной нейросети прогнозирования кондуктивных помех сигнала для компенсации временной задержки реакции фильтра.
7. Разработка структурной схемы и полезной модели активного компенсатора помех с применением блока вейвлет-анализа.
В процессе разработки использовалась теория цифровой обработки сигналов, теория цифрового вейвлет-анализа, теория построения математических моделей, теория электрических цепей, теория автоматического управления, теория электромеханических преобразователей энергии, методы вычислительной математики, основы функционального анализа.
С целью проверки эффективности полученных новых результатов и синтезируемых на их основе алгоритмов обработки данных, в среде Matlab выполнялись расчеты, и проводилось математическое моделирование с использованием реальных и модельных сигналов.
Данная работа посвящена решению задач, связанных с обработкой и анализом несинусоидальных сигналов, имеющих непериодические кондуктивные помехи. Сигналы питающего напряжения содержат разномасштабные локальные особенности. Относительная величина и временная протяженность таких особенностей зависит от природы возмущения.
Естественным и наиболее эффективным способом представления таких сигналов является построение нелинейных адаптивных аппроксимирующих схем на основе экстраполирующих фильтров. Инструментом, позволяющим реализовать такую процедуру для сигналов с подобными особенностями, является вейвлет-преобразование. На основе вейвлет-преобразования в данной работе предложены методы обработки и анализа формы питающих электрических напряжений, которые базируются на следующих операциях:
1) выбор «наилучшего» аппроксимирующего базиса;
2) идентификация структурных компонентов сигнала;
3) локализация особенностей.
Научная новизна полученных результатов заключается в разработке метода эффективного выделения задающей кривой напряжения и компенсирующего сигнала сети электропитания в условиях действия значительных кондуктивных помех непериодического характера и разработке активного компенсатора кондуктивных помех на основе вейвлет-преобразования.
Наиболее значительными результатами, впервые полученные автором, являются:
1. Методика идентификации структурных составляющих несинусоидальных сигналов напряжения и тока в системах электроснабжения на базе вейвлет-преобразования.
2. Обоснование выбора базисных вейвлет функций для применения в реализации дискретного вейвлет-преобразования, осуществляющего непрерывный анализ сигналов в режиме реального времени.
3. Методика анализа импульсных и флуктуационные помех случайного характера в системах электроснабжения с идентификацией структурных компонент в ортогональном вейвлет базисе.
4. Методика нейросетевого прогнозирования изменений высокочастотной составляющей сигнала электрической сети.
5. Активный компенсатор кондуктивных помех в электроэнергетической системе.
Проведенные исследования, доказали эффективность применения вейвлет-преобразования для создания активного компенсатора кондуктивных помех в ЭЭС, вызванных электрооборудованием с нелинейными вольт-амперными характеристиками и резкопеременными нагрузками. Разработанный активный компенсатор помех питающего напряжения позволяет контролировать качество электроэнергии в ЭЭС и при необходимости компенсировать возникающие кондуктивные помехи.