Разработка и исследование комплекса программ математического моделирования, анализа и проектирования электрических преобразовательных систем с энергетическими фильтрами

Актуальность темы

.

Диссертация посвящена решению одной из задач общей проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС) технических систем. В ней разрабатывается комплекс программ математического моделирования и анализа кондуктивных электромагнитных помех в автономных электрических преобразовательных системах (АПС) и проектирования принципиально новых энергетических фильтров, как элементов АПС.

Автономная преобразовательная система — это автономная электроэнергетическая система, в которой преобразуемая энергия составляет значительную часть общей энергии, генерируемой и потребляемой ее элементами. В таких системах проблема электромагнитной совместимости стоит особенно остро.

Автономные преобразовательные системы нашли широкое применение в следующих областях:

• электротехнические системы транспорта и аэрокосмической техники, особенно судовые энергосистемы — гребные установки, системы электропитания локационного, навигационного и технологического оборудования;

• передвижные медицинские установки, особенно при оказании медицинской помощи в труднодоступных местах, с отсутствием линий электропередачи;

• аварийные и бесперебойные источники питания, используемые в технологических процессах, критичных к сбоям в энергоснабжении;

• цеховые энергоустановки.

В последнее время, особенно в странах Европы, наблюдается стойкая тенденция к увеличению доли энергии, вырабатываемой альтернативными источниками, особенно маломощными источниками энергии, питающими всего один жилой дом. Эти источники являются более экологически чистыми по сравнению с традиционными, не требуют затрат невосполнимых природных ресурсов (нефти, газа), не подвержены влиянию изменения цен на эти ресурсы, исключают затраты энергии при ее передаче.

На фоне все возрастающей потребности в АПС появились научно-технические проблемы, сдерживающие их внедрение в практику. Главная из них — отсутствие современных инструментов проектирования, учитывающих особенности АПС. Эти особенности связаны с физическими принципами действия автономных преобразовательных систем.

В связи с тем, что в АПС преобразуемая и потребляемая мощности соизмеримы, а сами они функционируют в процессе переключения своей структуры, возникает проблема, связанная с появлением различного рода неактивных мощностей, которые становятся определяющим фактором при проектировании таких систем. Указанные мощности уменьшают долю активной мощности системы, приводят к ускоренному старению изоляции электрических машин, аппаратов и силовых кабелей, вызывают нарушение в работе систем автоматики, сбои в функционировании всей системы.

Поэтому разработка математических моделей, методов анализа и процедур синтеза АПС является актуальной проблемой нелинейной электротехники.

Проблеме ЭМС посвящены работы отечественных авторов [24, 49, 56, 59, 68, 70, 72, 93, 94, 101], и зарубежных авторов [1, 2, 6 — 8, 12, 13]. Основы теории электромагнитной совместимости элементов преобразовательных систем были заложены в фундаментальных монографиях К. А. Круга, Л. Р. Неймана, И. Л. Качанова, Ю. Г. Толстова, С. Р. Глитерника и других ученых.

Профессор В. Ф. Белов в монографии [34] предложил новый подход к моделированию преобразовательных систем. Диссертация базируется на теории М-систем, описанной в этой монографии.

Основу диссертации составляют результаты, опубликованные в работах автора [15 — 21].

Научная новизна.

1. Показано, что алгоритм спектральной стратегии проектирования, разработанный профессором В. Ф. Беловым, может быть выведен из известного в САПР метода последовательного анализа вариантов сложных систем. Это создало условия для более эффективного применения спектральной стратегии в практике проектирования ЭМС.

2. Впервые получена математическая модель М-системы, учитывающая наличие емкостных элементов в ребрах графа эквивалентной схемы преобразовательной системы. Это значительно расширило границы применимости теории М-систем, распространив ее на преобразовательные системы, содержащие конденсаторное оборудование.

3. Разработан новый принцип действия и схема активного энергетического фильтра, основанные на применении релейного элемента. Разработана его математическая модель, анализ которой в составе полной модели АПС подтверждает новизну решения.

4. Получены результаты исследования эффективности спектральной стратегии проектирования ЭМС с использованием новой математической модели активного фильтра.

Практические результаты.

1. Реализован программный комплекс для проектирования ЭМС в автономных энергосистемах транспорта, системах с альтернативными источниками энергии, передвижных медицинских установках, аварийных и бесперебойных источниках питания, цеховых энергоустановках.

2. Программный комплекс применен для исследований в области нелинейной электротехники. На его основе разработан новый принцип действия энергетического фильтра и исследованы возможности использования этого фильтра для улучшения показателей качества электроэнергии в автономных преобразовательных системах. Получено положительное решение по заявке на изобретение.

3. На базе программного комплекса создан учебный курс по проектированию ЭМС, элементы которого внедрены в учебные процессы Мордовского государственного университета и инженерной школы Иончепингского университета.

Структура диссертации.

Во введении обоснована актуальность темы, формулируется научная новизна, перечисляются полученные практические результаты, а также положения, выносимые на защиту.

В главе 1 «Нелинейные электрические процессы в автономных преобразовательных системах и их регулирование» рассматриваются энергетические аспекты электрических процессов в АПС, формулируются критерии численной оценки качества электроэнергии, показывается, что алгоритм спектральной стратегии проектирования может быть выведен из метода последовательного анализа вариантов путем аппроксимации сложных отношений сравнительной эффективности более простыми критериями, учитывающими специфику решаемой задачи.

В разделе 1.1. анализируются причины и механизмы возникновения в АПС различного рода неактивных мощностей. Описывается отрицательное влияние этих мощностей на функционирование преобразовательной системы.

Дается определение реактивной мощности как ортогональной невязки между полной и активной мощностью. Это определение позволяет ввести новую энергетическую характеристику — кондуктивную помеху. Введенное понятие является очень важной системной характеристикой, позволяющей численно оценить уровень факторов, мешающих нормальному функционированию преобразовательной системы и дающая возможность иметь наиболее полное представление о ее энергетическом состоянии.

Приведены спектральные и интегральные формы выражений для вычисления величин парциальных мощностей и показателей качества электроэнергии, которые могут быть использованы в качестве критериев при проектировании электромагнитной совместимости элементов АПС.

В разделе 1.2. рассматривается возможность применения известного в САПР метода последовательного анализа вариантов для проектирования ЭМС элементов преобразовательной системы. Показано, что метод последовательного анализа обладает свойствами иерархичности и управляемости, необходимыми для достижения целей проектирования. Предложен один из возможных вариантов отношения сравнительной эффективности для оценки альтернатив АПС и обоснована необходимость его аппроксимации менее сложными критериями сравнительной эффективности. Трудность нахождения этих критериев порождает необходимость использования проблемно-ориентированной стратегии проектирования, в качестве которой преложено использовать спектральную стратегию проектирования, разработанную профессором В. Ф. Беловым.

Спектральная стратегия проектирования ЭМС в АПС наследует свойства иерархичности и управляемости от метода последовательного анализа вариантов и максимально учитывает специфику решаемой задачи.

В главе 2 «Математическое моделирование и анализ кондуктивных помех в автономных преобразовательных системах» формулируются требования, предъявляемые к математической модели АПС, показывается возможность постановки задачи математического моделирования преобразовательных систем как задачи Коши, описывается алгоритм автоматического формирования математической модели АПС и алгоритм быстрого преобразования Фурье для определения формы и параметров кондуктивных помех.

В разделе 2.1. дается классификация преобразовательных устройств, указывается на проблемы, возникающие при их математическом моделировании.

Формулируются требования к математической модели АПС. Модель должна:

1. Максимально учитывать энергетические аспекты электрических процессов в преобразовательной системе.

2. Быть полностью формализованной.

3. Быть приемлемой с точки зрения временных затрат.

4. Представляться в форме Коши.

5. Иметь возможность распараллеливать процесс вычислений.

Формулируется постановка задачи математического моделирования АПС с учетом возможности присутствия в ней емкостных элементов. Задача построения математической модели преобразовательной системы в форме Коши сводится к определению формальных процедур генерации двух матричных операторов.

В разделе 2.2. описывается алгоритм автоматического формирования матричных операторов, позволяющих построить математическую модель АПС в форме Коши.

В разделе 2.3. описывается алгоритм быстрого преобразования Фурье, позволяющий определить спектры полученных в результате анализа математической модели токов и напряжений в узлах АПС.

Приводится описание алгоритма, реализующего поиск ЭМС в преобразовательной системе. Основные этапы алгоритма определяются спектральной стратегией проектирования — построение математической модели, ее анализ, получение спектров фазовых переменных, вычисление показателей качества электроэнергии, принятие решения о необходимости доопределения структуры АПС фильтрующими устройствами.

В главе 3 «Математическое моделирование энергетических фильтров» разрабатываются математические модели пассивного фильтра, активного фильтра с релейной системой управления, активного фильтра с двухзонной импульсной модуляцией.

В разделе 3.1. показывается процесс построения математической модели пассивного фильтра с резонансными звеньями, включенными по схеме «треугольник» и основанного на нем фильтрокомпенсирующего устройства. Для разработки математической модели пассивного фильтра используется известный в САПР метод переменных состояния.

В разделе 3.2. описывается новый принцип действия активного фильтра, заключающийся в компенсации токов высших гармоник, протекающих через обмотки синхронного генератора. Токи компенсации формируются с помощью схемы, содержащей релейный элемент и работающей в режиме высокочастотных автоколебаний.

Приведена функциональная схема фильтра и выведена его математическая модель, описывающая электрические процессы в схеме управления фильтром и в его силовой части.

В разделе 3.3. показывается новый подход к моделированию активного фильтра с двухзонной импульсной модуляцией, разработанного в [34].

Математическая модель строится путем разбиения фильтра на подсистемы, названные М-подсистемами, каждая из которых подключена к своему узлу распределительной сети.

В главе 4 «Комплекс программ моделирования и анализа нелинейных электрических процессов в автономных преобразовательных системах» описываются элементы интерфейса и внутренней организации программного комплекса.

В разделе 4.1. формулируется назначение программного комплекса и элементы интерфейса пользователя. Дано краткое описание функциональных возможностей, режимов работы и принципов управления комплексом.

В разделе 4.2. описывается основная структура программы и способ взаимодействия ее элементов друг с другом.

В разделе 4.3. показывается программная реализация матриц и операций над ними. Перечислены операторы, перегруженные для класса матриц и функции для работы с объектами этого класса.

В разделе 4.4. объясняются принципы хранения и обработки структуры распределительной системы. Структура хранится в виде бинарного дерева, что позволяет упростить операции над ней.

В разделе 4.5. перечисляются основные поля и методы класса, реализующего математическую модель М-элемента. Подробно рассмотрена функция, содержащая вычислительный алгоритм анализа его математической модели.

В разделе 4.6. приводится описание класса, инкапсулирующего математическую модель пассивного фильтра.

В разделе 4.7. рассматривается класс, реализующий математическую модель преобразовательной системы, содержащей генератор, активный фильтр с релейной системой управления и источник высших гармоник. Приведены программные фрагменты, содержащие части вычислительного алгоритма анализа математической модели.

В разделе 4.8. приводится листинг объявления класса, содержащего поля и методы для вычисления спектра заданной кривой. Рассмотрены функции, реализующие алгоритм быстрого преобразования Фурье и вычисляющие показатели качества электроэнергии.

В главе 5 «Применение комплекса программ для проектирования электромагнитной совместимости элементов преобразовательных систем» производится тестирование программного комплекса и приводятся примеры реализации спектральной стратегии доопределения структуры преобразовательной системы фильтрующими устройствами.

В разделе 5.1. программный комплекс тестируется на двух примерах, в качестве которых берутся типовые схемы автономных преобразовательных систем. Сравниваются результаты расчета основных параметров электрических процессов в тестовых АПС с помощью приближенных инженерных формул и с помощью программного комплекса.

В разделе 5.2. приводится пример реализации спектральной стратегии доопределения структуры преобразовательной системы пассивным энергетическим фильтром, настроенным на пятую гармонику питающего напряжения.

В разделе 5.3. структура АПС доопределяется активным энергетическим фильтром с релейной системой управления. Производится сравнительный анализ эффективности фильтрации пассивного и активного фильтров.

В заключении формулируются основные результаты, полученные в диссертации.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Новые результаты, показывающие, что алгоритм спектральной стратегии проектирования, разработанный профессором В. Ф. Беловым, может быть выведен из известного в САПР метода последовательного анализа вариантов сложных систем.

2. Математическая модель М-системы, учитывающая наличие емкостных элементов в ребрах графа эквивалентной схемы преобразовательной системы.

3. Новый принцип действия активного энергетического фильтра, его схема и математическая модель, представленная в рамках теории М-систем.

4. Комплекс программ моделирования, анализа и проектирования электромагнитной совместимости в автономных преобразовательных системах.

5. Результаты исследования эффективности спектральной стратегии проектирования ЭМС с использованием нового активного фильтра с релейной системой управления.

Заключение

.

1. Показано, что алгоритм спектральной стратегии проектирования, разработанный профессором В. Ф. Беловым, может быть выведен из известного в САПР метода последовательного анализа вариантов сложных систем.

2. Впервые получена математическая модель М-системы, учитывающая наличие емкостных элементов в ребрах графа эквивалентной схемы преобразовательной системы.

3. Разработан новый принцип действия и схема активного энергетического фильтра, основанные на применении релейного элемента. Разработана его математическая модель, анализ которой в составе полной модели АПС подтверждает новизну решения.

4. Получены результаты исследования эффективности спектральной стратегии проектирования ЭМС с использованием новой математической модели активного фильтра.

5. Реализован программный комплекс для проектирования ЭМС в автономных энергосистемах транспорта, системах с альтернативными источниками энергии, передвижных медицинских установках, аварийных и бесперебойных источниках питания, цеховых энергоустановках.

6. Программный комплекс применен для исследований в области нелинейной электротехники. На его основе разработан новый принцип действия энергетического фильтра и исследованы возможности использования этого фильтра для улучшения показателей качества электроэнергии в автономных преобразовательных системах.

7. На базе программного комплекса создан учебный курс по проектированию ЭМС, элементы которого внедрены в учебные процессы Мордовского государственного университета и инженерной школы Иончепингского университета.