Активный компенсатор кондуктивных помех в судовой электроэнергетической системе

Актуальность темы

В связи с развитием силовой полупроводниковой техники все большее применение в судовых электроэнергетических системах (СЭЭС) 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.

Этим вопросам посвящен ряд работ отечественных и зарубежных авторов: Агунов A.B., Агунов М. В., Акаджи X., Аррилаги Дж., Воршевский A.A., Вилесов Д. В., Мала С., Сергеенко А. Б., Глинтерник С. Р., Джюджи Л., Жежеленко И. В., Железко Ю. С., Зиновьев Г. С., Карташев И. И. и ДР.

Для минимизации уровня высших гармоник в СЭЭС находят применение фильтрокомпенсирующие устройства. ФКУ настраивается на подавление одной или нескольких гармоник, например ФКУ УСФМ-5/7−0,4−790 УЗ 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 СЭЭС содержится разномасштабные локальные особенности, относительная величина и временная протяженность которых зависит от природы возмущения. Выделить кондуктивные помехи в кривой напряжения с подобными особенностями позволяет вейвлетпреобразование.

В связи с этим целью работы является разработка активного компенсатора помех для судовой электроэнергетической системы с идентификацией кондуктивных помех в ортогональном вейвлет базисе.

Основные задачи, решаемые в работе:

1. Анализ показателей качества электроэнергии в судовой сети 0.38 кВ с выводом соотношений между относительной амплитудой импульсной помехи и гармоническим составом помех допускаемых Российским морским регистром судоходства (РМРС), МЭК1ЕС 60 050 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 судовой электроэнергетической системе;

5.Разработка алгоритма и программного обеспечения компенсации кондуктивных помех сетевого сигнала в судовой 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.

Предмет исследования представляют разработки алгоритмического, программного обеспечения и полезной модели активного компенсатора кондуктивных помех в кривой напряжения СЭЭС на основании вейвлетпреобразования.

Методы исследования. В диссертационной работе 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 МайаЬ 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 в диссертации результатов заключается в разработке метода эффективного выделения задающей кривой напряжения и компенсирующего сигнала судовой 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 судовых 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 судовой электроэнергетической системе.

Практическая ценность состоит в том, что проведенные исследования, доказали эффективность применения вейвлет — преобразования для создания активного компенсатора кондуктивных помех в СЭЭС, вызванных электрооборудованием с нелинейными вольт — амперными характеристиками и резкопеременными нагрузками. Разработанный активный компенсатор помех питающего напряжения позволяет контролировать качество электроэнергии в СЭЭС и при необходимости компенсировать возникающие кондуктивные помехи.

Достоверность результатов. Достоверность полученных научных результатов, выводов и рекомендаций подтверждена корректным применением теории электрических цепей, теории цифровой обработки сигналов, теории построения математических моделей, теории вейвлет анализа, теории электромеханических преобразователей энергии, методов вычислительной математики, теоретическим обоснованием применяемых методов и алгоритмов, результатами компьютерного моделирования и экспериментально при испытании действующих судовых электротехнологических устройств.

Реализация результатов.

Основные научные результаты диссертационной работы внедрены в производственный процесс:

1. ООО «Электромонтажные работы» для поддержания оптимальных режимов и увеличения надежности электроснабжения судов. Рекомендации и технические предложения используются для рационального выбора и эксплуатации электрических установок с точки зрения уменьшения потерь в СЭС предприятия.

2. ОАО «ЮЭСК» в лаборатории по контролю показателей качества электроэнергии с целью анализа импульсных и флуктуационных помех с идентификацией структурных компонент в ортогональном вейвлет базисе для поддержания оптимальных режимов и увеличения надежности электроснабжения. Предметом внедрения являются математические модели и алгоритмы идентификации составляющих сигнала на основе нелинейной аппроксимирующей схемы в базисе вейвлетов при несинусоидальных режимах ЭЭС.

3. Дальневосточного федерального университета г. ПетропавловскКамчатский. Результаты работы используются в учебном процессе, при чтении дисциплин специальности 140 211 «Электроснабжение»: «Электрические измерения», «Промышленная электроника», «Математические задачи энергетики», «Электропитающие системы и электрические сети», в разделах «Нелинейные искажения», «Оценка показателей качества электроэнергии». Результаты используются при выполнении НИР «Разработка микропроцессорной системы обнаружения и компенсации помех питающего напряжения».

4. ООО НПФ «Наносилика» для исключения режимов сбоя системы электроснабжения при производстве углеродных нанотрубок спроектирован цифровой фильтр и передан в виде технического предложения. Внедрение математических моделей и алгоритмов идентификации и компенсации составляющих сигнала на основе нелинейной аппроксимирующей схемы в базисе вейвлетов позволило повысить надежность работы установки. Работа была поддержана фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере УМНИК 9002р/13 172 от 19.04.2011 г. «Разработка микропроцессорной системы обнаружения и компенсации помех питающего напряжения».

Апробация. Полученные результаты докладывались на: 13-ой Международной конференции (Цифровая обработка сигналов и её применение — Б8РА' 2011, г. Москва), 8-ой Международной научно-практической конференции (Наука и современность -2011, г. Новосибирск, 2011 г.), 3-ей Международной научной конференции (Актуальные вопросы современной техники и технологии, г. Липецк, 2011 г.), 12-ой Международной научно — практической конференции (Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности, г. Санкт-Петербург, 2011 г.), 7-м Всемирном электротехнологическом конгрессе (г. Москва, 2011 г.), на научно-технических конференциях ППС ГМА им. адм. С. О. Макарова (г. СанктПетербург, 2012 г.).

Публикации. Основные научные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в 20 печатных работах, в том числе: 5 публикаций в ведущих рецензируемых научных изданиях и журналах, рекомендованных «Перечнем ведущих рецензируемых научных журналов» объёмом 6,3 п.л. (авторский вклад 6 п.л.), 1 монографии объёмом 4,6 п.л. (авторский вклад 4 п.л.), 7 работ в материалах международных конференций объёмом 2,4 п.л. (авторский вклад 1,5 п.л.), 3 публикациях в региональных изданиях объёмом 1 п.л. (авторский вклад 0,7 п.л.), 1 полезная модель, 4 свидетельства об отраслевой регистрации комплексов программ, 1 научно-технический отчёт по НИР.

Личный вклад автора. Все результаты, составляющие существо диссертации получены автором самостоятельно. В работах, выполненных в соавторстве автором осуществлена постановка задач, алгоритмизация процесса их решения, программная реализация разработанных методов, а также непосредственно автором произведены компьютерные эксперименты.

Работа выполнена на кафедре судовых автоматизированных электроэнергетических систем ГМА им. адм. С. О. Макарова, на кафедре электроснабжения и промышленной теплоэнергетики ДВФУ, реализацией многих идей автор обязан Кузнецову С. Е., Пюкке Г. А.

Автор выражает благодарность научному консультанту доктору технических наук, профессору Портнягину H.H.

Большую роль в написании работы сыграло также содружество с рядом исследовательских, учебных и производственных организаций — СПбГТУ, ИКИР ДВО РАН, НИИГТЦ ДВО РАН, ООО НПФ «Наносилика» и др.

Выводы.

В результате проведенных исследований установлено: методы активной фильтрации с контуром регулирования, использующим в качестве задающего воздействия полезный сигнал, предполагают точное отделение полезного сигнала от помехи;

— при использование ФНЧ в качестве выделяющего фильтра возникают существенные динамические погрешности из-за фазовых задержек выделенного опорного сигнала по отношению к реальному;

— при использовании вейвлет фильтров возникающие не существенные динамические погрешности, позволяют обеспечить достаточный уровень подавления помех, для повышения эффективности подавления предлагается использовать фильтры с прогнозом, которые реализуются в системе МАТЬАВ.

На базе разработанных алгоритмов предложена структура и пользовательский интерфейс программного комплекса идентификации и подавления кондуктивных помех.

Предложена структурная схема активного компенсатора помех и разработана математическая модель с использованием методов вейвлет компенсации помех.

Выполненные экспериментальные исследования на модельных сигналах с импульсными помехами и в системе электроснабжения действующего электромонтажного предприятия подтвердили работоспособность активного компенсатора помех.

Внедрено предложение по уменьшению потерь в СЭС на предприятии, ООО «Электромонтажные работы». Рекомендации и технические предложения используются для поддержания оптимальных режимов и увеличения надежности электроснабжения судов [Приложение Б].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В представленной работе решен комплекс актуальных задач, направленных на повышение качества электроэнергии в судовых электроэнергетических системах. В результате проведенных исследований разработаны математическое и программное обеспечение, полезная модель активного компенсатора кондуктивных помех в СЭЭС. Основными результатами работы являются:

1. Анализ кондуктивных помех, действующих в судовых системах электроснабжения. Установлено, что наибольшее опасными являются импульсные широкополосные помехи с апериодической составляющей, и проведена оценка соотношений амплитуды помехи и величины кривых гармоник, создаваемых ею.

2. На основе анализа активных фильтров установлено, что в активных фильтрах при применении процедуры выделения полезного сигнала в базисе Фурье требуется высокий порядок фильтра, приводящий к значительной фазовой задержке и динамической погрешности. Более эффективно изменяющиеся во времени спектры сигналов описывать в базисе вейвлетов.

3. Методика и алгоритмы идентификации структурных составляющих несинусоидальных сигналов напряжения и тока в СЭЭС в ортогональном вейвлет — базисе с выделением опорной частоты (50 или 60 Гц) и составляющих других частот.

4. Алгоритмы функционирования системы управления активным фильтром с вейвлет фильтрацией и нейросетевым прогнозированием изменений высокочастотной составляющей сигнала электрической системы.

5. Структурная схема и полезная модель активного компенсатора кондуктивных помех в СЭЭС на основе вейвлет-преобразования имеет меньшую динамическую погрешность и позволяет по сравнению с преобразованием Фурье гасить импульсную помеху до допустимого по ГОСТам уровня даже без блока предсказания.

6. По выполненным научным исследованиям получено 4 Свидетельства об отраслевой регистрации комплексов программ и одно свидетельство о регистрации полезной модели.