3.3АСКМ: отличия от АСК, новые возможности
АСКМ, сохраняя все свойства и достоинства АСК, благодаря наличию маховика приобретает ряд новых свойств. АСКМ может быть регулятором как реактивной, так и активной мощности в энергосистеме. Общая блок-схема АСКМ приведена на Рисунок 3..
На рисунке обозначено:
СВ – система возбуждения;
Тр СВ – трансформатор системы возбуждения;
Тр Бл – блочный трансформатор АСКМ;
Pc, Qc – активная и реактивная мощности, отдаваемая АСКМ в сеть (потребляемая из сети);
Pг, Qг – активная и реактивная мощности статора АСКМ;
Pсв, Qсв – активная и реактивная мощности СВ АСКМ.
Рисунок 3. Блок -схема АСКМ
Как известно, любой накопитель активной мощности характеризуется двумя параметрами: выдаваемой/потребляемой мощность P и временем максимальной выдачи/потребления t. Их произведение равно ёмкости накопителя, т.е. запасаемой энергии:
,
|
(3.)
|
Соответственно, при одной и той же энергоёмкости время работы накопителя может регулироваться путём изменения выдаваемой/потребляемой активной мощности: большой активной мощности соответствует малое время её выдачи.
Как источник активной мощности АСКМ характеризуется почти мгновенным набором/сбросом мощности, но при этом относительно небольшой ёмкостью. Это сочетание отличает его от имеющихся на сегодняшний день технических решений, предлагаемых для регулирования активной мощности. Известны следующие накопители активной мощности, помимо маховичного: аккумуляторные батареи (АКБ), суперконденсаторы (ионисторы) и сверхпроводящие индуктивные накопители энергии (СПИН).
Однако сочетание почти мгновенных заряда и разряда и высокая перегрузочная способность делают АСКМ уникальным накопителем активной мощности, способным решать задачи, недоступные для аналогичных устройств. Кроме того, при этом он остаётся также и эффективным регулятором реактивной мощности.
Основными конструктивными отличиями АСКМ от АСК являются шихтованный ротор и более мощная система возбуждения. Обе эти особенности связаны с тем, что если для АСК нормальным является режим работы с нулевым (или почти нулевым – в режиме АК) скольжением, то АСКМ в штатном режиме допускает работу со значительным скольжением (до 10%), а в случае трёхфазной (в общем случае нечётнофазной) обмотки принимаются специальные меры по уходу от нулевого скольжения (см. разд. 3.4.1), поскольку при нечётном числе фаз и нулевом скольжении невозможно обеспечить равномерный нагрев обмоток.
3.4Регулятор АСКМ
3.4.1Отличительные особенности регулятора АСКМ
Поскольку для АСКМ режим работы с изменяющимся скольжением является штатным, канал момента регулятора настроен на регулирование скольжения либо активной мощности. При ненулевом скольжении частота вращения ротора не совпадает с частотой вращения магнитного поля машины, а значит, токи ротора АСКМ переменные.
Несмотря на то, что структура регулятора АСКМ подобна общей структуре регулятора АСМ (см. Рисунок 1.), в его составе имеется дополнительный блок – регулятор тока, реализующий подчинённое регулирование проекций тока ротора на опорный вектор.
Кроме того, для регулирования АСКМ по сравнению с регулированием АСК особое значение имеет точность определения углового положения ротора. Это объясняется тем, что АСК работает с постоянными токами в роторе, и ошибка в несколько градусов в определении положения ротора не скажется на режиме машины – эта ошибка скажется только на распределении токов по обмоткам. В то же время АСКМ, как правило, работает с переменными токами в роторе, и их частота должна быть равна частоте скольжения ротора, иначе работа системы управления будет невозможна. Это приводит к повышенным требованиям к датчику положения ротора (ДПР).
По тем же причинам особое внимание при разработке регулятора уделяется алгоритмам работы со скольжением.
Преобразователь координат
Поскольку ротор АСКМ, как правило, несёт симметричную трёхфазную обмотку (см. разд. 3.3), проекции суммарного тока возбуждения на оси dq уже не совпадают с физическими токами ротора, в отличие от ротора АСК. Физические токи ротора представляют собой симметричную трёхфазную систему переменных токов, что приводит к необходимости преобразования двухфазной системы постоянных токов ротора в осях dq в трёхфазную систему переменных токов частоты скольжения. Для этого используется информация о текущей частоте вращения ротора, полученная от ДПР, что объясняет высокие требования к точности и надёжности этого датчика (см разд. 4.2).
Регулятор тока
Активная и реактивная мощности АСКМ пропорциональны проекциям тока ротора на опорный вектор системы регулирования (см. (1.)). Поэтому каналам напряжения и момента подчинены каналы регулирования проекций тока ротора.
Регулятор тока представляет собой двухканальный пропорциональный регулятор, в качестве уставок на проекции тока ротора принимающий выходные сигналы каналов регулирования момента и напряжения, а в качестве регулируемых величин – проекции токов ротора.
3.4.2Специфические алгоритмы АСКМ
Специфика работы АСКМ в отдельных вариантах его применения требует разработки специфических алгоритмов, позволяющих ему выполнять свои задачи при конкретном варианте применения. Отладка и точная настройка параметров таких алгоритмов должны осуществляться для конкретных объектов внедрения АСКМ. В настоящей работе приведены общие принципы их действия (в данном разделе), а также примеры их работы на компьютерной модели (см. ниже разд. 4.4).
Резервирование питания
В случае резервирования питания ответственного потребителя АСКМ подключается по схеме Рисунок 3.. При этом в случае обрыва питающей линии регулятор АСКМ теряет связь с энергосистемой. Это означает потерю опорного сигнала регулирования, что в свою очередь приводит к непредсказуемому и неуправляемому изменению частоты вращения.
Для сохранения частоты напряжения на зажимах АСКМ в регулятор вводится внутренний генератор опорного синусоидального сигнала. В нормальном режиме этот сигнал непрерывно синхронизируется с опорным напряжением, что обеспечивает безударный переход с внешнего опорного сигнала на внутренний. Переход происходит по сигналу потери питающей сети. Это может быть либо внешний сигнал, сформированный РЗА, либо внутренний, формируемый регулятором АСКМ. Признаком, по которому регулятор формирует сигнал потери сети, может служить нулевой ток в питающей сети при ненулевом токе нагрузки.
По сигналу потери питающей сети происходит переход на внутренний программный генератор опорной синусоиды частотой 50 Гц. Одновременно с этим формируется дискретный сигнал на отключение блочного выключателя. Таким образом, АСКМ и нагрузка оказываются полностью отключены от внешней сети. При этом напряжение на верхней стороне блочного выключателя становится равным нулю (до этого момента, но после обрыва сети оно было равно напряжению статора АСКМ). Далее работа АСКМ продолжается в штатном режиме питания автономной нагрузки до тех пор, пока не будет выработан запас энергии маховика (не будет достигнуто максимальное значение скольжения). После этого регулятор развозбуждает машину, формирует сигнал на отключение генераторного выключателя и закорачивание ротора. Машина начинает свободный выбег, потребитель отключается от электроснабжения.
В течение всего времени работы от внутреннего генератора опорного сигнала ведётся слежение за напряжением в точке включения (на верхней стороне блочного выключателя). Как только это напряжение стало равно номинальному (в границах допустимого диапазона), формируется команда на синхронизацию АСКМ с сетью, после чего внутренний опорный сигнал заменяется внешним. Переход с одного сигнала на другой сопровождается изменением фазы напряжения АСКМ. В зависимости от настроек регулятора это изменение может происходить либо одномоментно, либо с некоторой конечной скоростью, что зависит от характера нагрузки (см. ниже). По окончании синхронизации замыкается блочный выключатель, и питание потребителя переходит к сети. АСКМ возвращается к заданному скольжению с помощью регулятора.
Синхронизация АСКМ в этом случае сопровождается изменением фазы питающего напряжения потребителя. С одной стороны, синхронизация должна быть возможно более быстрой, так как запас энергии маховика ограничен, и при появлении напряжения сети нужно как можно быстрее перейти на питание от неё, а с другой стороны, почти мгновенное изменение фазы напряжения может негативно сказаться на потребителе. Поэтому в каждом случае необходимо перед настройкой регулятора АСКМ проанализировать характер того потребителя, для резервирования питания которого устанавливается АСКМ, и определить максимально возможную скорость изменения фазы питающего напряжения.
Резервирование питания при наличии телеметрической информации
Изложенный выше алгоритм предполагает отсутствие какой бы то ни было связи АСКМ с энергосистемой. Однако, если возможно каким-то образом получить телеметрическую информацию о фазе напряжения сети (до места обрыва), алгоритм работы АСКМ может быть иным.
Обрыв питающей линии, как и в предыдущем случае, определяется либо по сигналу РЗА, либо по внутренним сигналам регулятора. Но после обрыва опорным сигналом становится не внутренний генератор синусоидального сигнала, а телеметрический сигнал о фазе напряжения сети. При этом происходит следующее. До обрыва электрический угол АСКМ (т.е. угол между его ЭДС и напряжением на зажимах) практически равнялся нулю, поскольку АСКМ работал с нулевой активной мощностью. Но после обрыва, поскольку АСКМ становится фактически генератором, напряжение на его зажимах смещается относительно ЭДС на угол, определяемый нагрузкой. Таким образом образуется ненулевой угол между напряжением сети и напряжением на нагрузке, что при восстановлении питания (ликвидации обрыва) приводит к значительным переходным процессам. Для того, чтобы этого избежать, сразу после перехода на выдачу активной мощности вектор ЭДС АСКМ смещается таким образом, чтобы напряжения нагрузки и сети совпадали по фазе. Таким образом, при восстановлении питания разность напряжений нагрузки и сети (то есть по разным сторонам блочного выключателя) будет определяться только их модулями, что сведёт переходной процесс к минимуму.
Рисунок 3. Схема резервирования питания ответственного потребителя
Сглаживание колебаний активной мощности нагрузки
При работе АСКМ при сглаживании колебаний активной мощности в качестве входного сигнала на регулятор возбуждения поступает величина потребляемой нагрузкой активной мощности. Характерный вид такой нагрузки представлен на Рисунок 3..
Однако при этом возникает трудность с определением уставки – из приведённого рисунка видно, что даже после демпфирования высокочастотных колебаний останутся низкочастотные. Таким образом, нельзя заранее предсказать величину средней потребляемой мощности, которую можно было бы использовать в регуляторе возбуждения АСКМ в качестве уставки. В связи с этим предлагается следующий алгоритм работы АСКМ при сглаживании колебаний активной мощности нагрузки.
Рисунок 3. График нагрузки алюминиевого завода
Сигнал потребляемой нагрузкой активной мощности программно фильтруется с большой постоянной времени (порядка минут). Получаемый таким образом сглаженный сигнал используется в качестве текущей уставки активной мощности. Параллельно с этим ведётся контроль запаса энергии (фактически скольжения), причём как потребляемой, так и выдаваемой. При снижении запаса мощности ниже определённого порога (то есть выхода скольжения за пределы некоторого диапазона) вносится дополнительная корректировка уставки таким образом, чтобы предотвратить исчерпание запаса энергии АСКМ. Важно заметить, что эта корректировка должна вноситься не скачкообразно, а с некоторой конечной интенсивностью, что позволит плавно изменить переток мощности по подводящей линии. Для этого порог срабатывания такой корректировки должен выбираться с достаточным запасом. Кроме того, во избежание ложных срабатываний контроль снижения запаса энергии необходимо производить не по мгновенному значению, а с учётом времени его нахождения ниже порогового значения.
Уход от нулевого скольжения
АСКМ может иметь на роторе как две, так и три обмотки. В случае трёх обмоток АСКМ не может работать с нулевым скольжением (см. разд. 3.3), поэтому был разработан алгоритм ухода от нулевого скольжения. Предварительно заводом-изготовителем задаётся зона скольжений, внутри которой работа АСКМ нежелательна. Эта зона становится запрещённой. При работе АСКМ непрерывно отслеживается попадание машины в эту зону. Поскольку границы этой зоны достаточно близки к нулю, попадание в запрещённую зону может произойти по разным причинам, будь то команда «Больше»-«Меньше», изменение частоты питающей сети или что-то ещё. Независимо от причин при попадании в запрещённую зону канал момента регулятора начинает работу не по уставке, заданной оператором, а по специальному регулятору, выводящему машину на границу запрещённой зоны с некоторой скоростью, исключающей резкие динамические процессы. Знак скольжения при этом принимается равным знаку уставки, заданной оператором. До тех пор, пока уставка находится в пределах запрещённой зоны, скольжение остаётся на одной из границ этой зоны (в зависимости от знака уставки). При выходе уставки из запрещённой зоны происходит возврат на регулирование по командам «Больше»-«Меньше».
3.4.3Регулятор АСКМ и его испытание на стенде НТЦ ФСК ЕЭС
Для проверки и отработки описанных выше алгоритмов работы регулятора АСКМ был разработан макетный образец АРВ и проведены его испытания на компьютерном стенде ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС».
Устройство и работа компьютерного стенда описаны в разд. 3.5. Благодаря универсальности стенда для подключения вновь созданного макетного образца АРВ было достаточно оснастить стенд соответствующим блоком согласования – концентратором. Такой концентратор и был создан автором настоящей работы.
Проектирование, создание и отладка макетного образца АРВ АСКМ, подключаемого к компьютерному стенду, также были произведены при непосредственном участии автора настоящей работы.
Создание регулятора
В качестве аппаратной платформы для регулятора была выбрана продукция фирмы Beckhoff. Для этого был собран блок из элементарных блоков ввода-вывода под управлением контроллера C6915 на базе операционной системы Windows XP Embedded. Регулятор выполнен в мобильном корпусе со встроенным блоком питания и устройством ввода-вывода в виде сенсорного экрана (см. Рисунок 3.).
Рисунок 3. Общий вид регулятора
Программирование регулятора производилось с помощью среды разработки TwinCAT, поставляемой в комплекте с контроллером. TwinCAT является развитием программного продукта CoDeSys и, так же как и CoDeSys, поддерживает все пять языков стандарта МЭК 61131-3, а именно IL, LD, FBD, SFC и ST, а также CFC, являющийся дальнейшим развитием FBD. Для реализации регулятора были выбраны языки CFC и ST.
Верхний уровень регулятора выполнен на языке CFC; его общий вид представлен на Рисунок 3..
Рисунок 3. Верхний уровень регулятора роторного инвертора на языке CFC
Блок input_convertor выполняет вспомогательную функцию преобразования входных сигналы с датчиков к виду, пригодному для дальнейшей обработки. Его необходимость вызвана особенностями исполнения датчиков фирмы Bechkfoff.
Блок Solver на основе измеренных и полученных с датчиков величин вычисляет параметры режима, необходимые для работы регулятора. Здесь же происходит нормирование сигналов, то есть приведение их к номинальным величинам.
Блок ARV_RI является собственно регулятором, формирующим управляющие воздействия на основе полученных значений параметров режима. В него встроены также служебные алгоритмы: пуска, останова, ограничения токов статора и ротора, реакция на короткое замыкание в энергосистеме и прочие.
Выдача управляющих сигналов осуществляется параллельно как на ПК-модель (см. разд. 3.5) с помощью блоков DAOutput, так и на контрольные зажимы с помощью блоков AOutput для возможности прямого осциллографирования формируемых регулятором сигналов.
Испытания на компьютерном стенде
Для испытаний на специализированном компьютерном стенде (см. ниже) применялась универсальная модель АСК.
В натурный образец регулятора передавались:
сигналы с ДПР (углоизмерительной машины);
напряжение статора (две фазы);
напряжение сети (две фазы);
ток статора (две фазы);
ток ротора (две фазы).
В качестве управляющего воздействия АРВ передавал три нормированных сигнала, соответствующих напряжениям в обмотках ротора. Преобразование этих управляющих сигналов в напряжения ротора осуществлялась в рамках Simulink-модели блоком ШИМ-преобразователя.
Протокол испытаний АРВ приведён в Приложении А.
|