Способ регулирования электропотребления в энергосистемах с вентильными преобразователями Советский патент 1991 года по МПК H02J3/06 

Изобретение относится к электротехнике и энергетике и может быть использовано при регулировании электроэнергии в системах питания предприятий и отдельных цехов с вентильными преобразователями, которым присущи искажения токов и напряжений.

Цель изобретения - повышение точности управления потреблением электроэнергии и экономичности энергосистем с вентильными преобразователями и несинусоидальными токами и напряжениями.

Нафиг.1 изображена структурная схема устройства регулирования потребления

электроэнергии, реализующего предлагаемый способ; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства регулирования.

Структурная схема устройства регулирования (фиг.1) содержит нагрузки 1, источники 2 питания, управляемые сечения энергосистемы 3, входной схемный блок 4, вычислитель 5, запоминающее устройство 6, блок 7 селекции, блок 8 задания временных интервалов, компаратор 9, генератор 10 опорных сигналов, распределительный блок 11, генератор 12 сигналов состояния, блок 13 управления нагрузками, блок 14 уп

VI

О О

сх

XI

о

равления источниками питания и блок 15 управления топологией энергосистемы.

Временные диаграммы (фиг,2) состоят из графиков 16 и 17 передачи информации с входного схемного блока 4 соответственно на компаратор 9 и вычислитель 5, графика 18 моментов времени регулирования параметров генератора 10 опорных сигналов, графика 19 интервалов времени, на котором параметры генератора 10 опорных сигналов являются неизменными и графика 20 моментов изменения сигналов на положительном входе компаратора 9.

В устройстве, реализующем предлагаемый способ регулирования электропотребления в энергосистемах с вентильными преобразователями, входы входного схемного блока 4 подключены к выходным зажимам нагрузок 1 источников 2 питания и к управляемым сечениям энергосистемы 3, а выходы блока 4 подключены к входу вычислителя 5 и первому входу компаратора 9, вычислитель 5 связан двунаправленной шиной с запоминающим устройством 6, которое двунаправленной шиной связано с блоком 7 селекции, выходные зажимы которого подсоединены к входным зажимам компаратора 9, генератора 10 опорных сигналов, распределительного блока 11,выход- ная клемма генератора 10 опорных сигналов связана с выходом вычислителя 5, а выходная клемма генератора 10 подключена к второму входу компаратора 9, выход которого подсоединен к входу генератора 12 сигнала состояния, выходной зажим которого связан с выходным зажимом распределительного блока 11, выходы последнего подключены к входам блоков управления нагрузками 13, источниками питания 14 и топологией энергосистемы 15, выходы блоков 13-15 управления связаны с регулирующими органами соответственно нагрузок 1, источников 2 питания, управляемых сечений энергосистемы 3, выходы блока 8 задания временных интервалов подключены к входам входного схемного блока 4, вычислителя 5, запоминающего устройства 6, блока 7 селекции, генератора 10 опорных сигналов, распределительного блока 11 и генератора 12 сигнала состояния.

Предлагаемый способ регулирования электропотребления позволяет учесть особенности цепей с вентильными элементами: на выделенном периоде Т работы системы имеются интервалы времени t, когда источник питания отключен от нагрузки; интенсивность преобразования электромагнитной энергии в другие виды не постоянна; большое число переключений вентилей; искажения токов и напряжений.

Вводят следующие определения. Контролируемое сечение системы - сечение системы, в котором определяются значения мгновенных токов и напряжений.

Энергетически неизменное состояние

(ЭНС) системы - состояние системы, характеризующееся интервалом работы (trti i), для которого являются неизменными номер интервала постоянства структуры и направ0 ление потоков мгновенных значений энергии через контролируемые сечения.

Основным фактором, предопределяющим сущность способа регулирования электропотребления в системах с вентильными

5 преобразователями, является наличие нелинейных элементов (например, вентилей). Нелинейные элементы приводят к моделированию таких систем, как кусочно-линейные системы. При работе систем с

0 вентильными преобразователями возможны случаи, когда на интервале линейности (интервале постоянства структуры) потоки энергии меняют резко свою интенсивность или направления. Поэтому при определении

5 ЭНС учитываются как существование фиксированных комбинаций включенных и выключенных вентилей, так и особенности (интенсивность и направление) потоков энергии.

0 Необходимость ранжирования множества ЭНС на значимые и незначимые вызвана существованием в рассматриваемых системах вентилей двух типов. Первый тип вентилей обеспечивает формирование за5 данных форм тока и напряжения на нагрузках, соответствующие этому процессу конфигураций (топологии) системы электропитания и состояние источников питания. Вентили второго типа являются вспомога0 тельными. Они обеспечивают нормальную работу вентилей первого типа (например, коммутационные процессы, защиту). Следовательно, при выделении значимых ЭНС для большинства систем электропитания

5 (кроме специальных систем питания, напри-мер автономных, небольшой мощности, где вентили второго типа существенно влияют на характер процессов) коммутации вентилей второго типа не учитываются. Для конк0 ретной системы электропитания на выделенных ЭНС может осуществляться неоднократная коммутация вентилей, отнесенных к второму типу.

Длительность интервала времени, на

5 котором определяются ЭНС, равна периоду входного сигнала (периоду Т, задаваемого источниками питания), или длительности интервала времени, превышающей период. Во втором случае интервалы времени определяются частотой сигнала на нагрузке, режимами работы конкретных электротехнологических установок При этом длительность одного значимого ЭНС может превышать период питающего напряжения или тока.

Способ регулирования базируется на выполнении оптимального баланса энергии в системе, заключающегося в выполнении равенства энергии, генерируемой источниками питания и возвращаемой нагрузками и энергии, запасаемой в накопителях электромагнитной энергии нагрузок и преобразуемой нагрузками в другие виды последовательно на каждом интервале выделенного периода энергосистемы, соответствующему конкретному ЭНС.

Вводят обозначения: пэ - число ЭНС системы; пгг(пгн) - число генераторов; пнг(пнн) - число нагрузок, работающих в режиме генерации (потребления) электро- энергии; Wrr(Wrn) - энергия, генерируемая (потребляемая источниками питания); WHI-(WHH) - энергия, генерируемая (потребляемая) нагрузками; fi, f2. fa, f4 - функции целочисленных переменных, устанавливаю- щие связь между порядковым номером источника питания или нагрузки, ЭНС системы и индексами суммирования j, к, I, т. Баланс электроэнергии в системах с вентильными преобразователями для множест- ва контролируемых сечений определяется выражениями

11|,д,,,и.,4)-°

0)

Величины пэ, nrr.i, Пнг,1, пнн,1, пгн,1, составляющие энергии, вид функций fi, fa, fa, f4, определяются на основании расчета энергетического режима в энергосистеме с вентильными преобразователями.

Для выделенных множеств ЭНС выявляют длительность интервалов существования ЭНС t| (| 1, пэ); вычисленные на этих интервалах по величинам мгновенной мощности p(t) в контролируемых сечениях величины энергии, накопленной в электромагнитном поле WH и преобразованной в другие виды WA; ско- рость изменения накопленной WH dWH/3t и преобразованной в другие виды WA 5WA/ eft энергий на каждом из выделенных

ЭНС.

Регулирование сводится к управлению величинами энергий WH и WA таким образом, чтобы выполнялось соотношение (1), являющееся оптимальным для рассматриваемого режима системы. Для снижения вычислительных затрат (снижения Пэ) все

энергетически неизменные состояния системы ранжируются по степени значимости, что позволяет разделить все состояния на два типа: значимые и незначимые Значимые ЭНС - это состояния системы, на которых происходит изменение оптимальных величин (эталонных сигналов), пропорциональных требуемым значениям энергий. Для них по меньшей мере один из указанных параметров превышает заданные значения, полученные при подведении оптимального баланса (1). Незначимые ЭНС - это состояния системы, на которых не изменяются эталонные сигналы, пропорциональные величинам энергий.

При изменении характера нагрузки (Сброс или Наброс нагрузок, включение части нагрузок) меняются режимы работы элементов энергосистемы. Это приводит к тому, что изменяются оптимальные параметры ЭНС. Следовательно, для каждого возможного режима работы множество значимых ЭНС различно, Для определения всех возможных комбинаций множеств значимых ЭНС при заданной точности на основе анализа предполагаемых границ изменений режимов работы осуществляется кусочно- линейная аппроксимация характеристик. На каждом интервале постоянства структуры множество ЭНС различно. Параметры всех множеств значимых ЭНС заносятся в запоминающее устройство.

Для каждого энергетически неизменного состояния из выделенного множества значимых состояний по заранее определенным для конкретного типа нагрузок энергосистемы зависимостям оптимальных значений энергий, накопленной в электромагнитном поле и преобразованной в другие виды, от указанных параметров, характеризующих ЭНС, определяют оптимальные значения энергий, накопленной в электромагнитном поле Wnopt и преобразованной в другие виды WAopt. При построении данных зависимостей учитываются требования к гармоническому составу сигналов в контролируемых сечениях.

Далее на каждом значимом ЭНС в контролируемых сечениях сравнивают текущие значения энергий WH и WA с их оптимальными значениями WHopt и WAopt. Определяют отклонения выбранных фактических текущих величин энергий от оптимальных величин

AWH WH-WHoPt:

A WA WA - WAopt,

для всех нагрузок, источников питания, контролируемых сечений линий электропередач.

Регулирование генерации и потребления энергии производится за счет изменения моментов включения teic/i, выключения t &ь||$, выходных параметров источников питания и входных параметров нагрузокРт, а также топологии в энергосистемы ( взаимного подсоединения элементов системы друг с другом). Следовательно, процесс регулирования потребления электроэнергии в системе сводится к определению составляющих IBKJ, Т.ВЫКЛ, Ргн, 0 для S-ro шага регулирования из решения уравнения регулирования

()

где Пкс - число контролируемых сечений энергосистемы;

Рбэ - зависимость, отражающая выполнение оптимального баланса на (5-1)-м шаге регулирования;

Fp - функциональная зависимость закона регулирования, задаваемого для конкретной энергосистемы таблично, аналитическими выражениями или из решения оптимизационной задачи.

По заранее полученным характеристикам из уравнения регулирования (2) выраба- тывают управляющие воздействия на регулирующие органы источников питания, нагрузок и каждого контролируемого сечения линий электропередач.

Согласно предлагаемому способу регулирования можно выделить следующие основные этапы:

измерение мгновенных и интегральных характеристик;

определение множества ЭНС, ранжирование этого множества на значимые и незначимые;

составление реального баланса энергии на выделенных значимых ЭНС;

определение оптимальных значений составляющих энергии для выделенных значимых ЭНС и оптимальных значений спектрального состава напряжения или тока;

измерение разности между эталонными (опорными) значениями энергии и их текущими значениями с частотой, задаваемой длительностью интервала Tsa (фиг.2);

определение элементов вектора регулирования Нт-вкл, 1выкл, Ргн О II из решения уравнения регулирования (2);

сведение к нулю ошибки (полученной на этапе 6) на протяжении интервала времени Ts2 (фиг,2) с помощью управления работой

источников питания, нагрузок и контролируемых сечений линий электропередач.

Из перечисленных этапов способа только первая часть первого этапа (измерение

мгновенных характеристик) и седьмой этап обязательно должны быть выполнены в виде законченных отдельных блоков.

Все остальные этапы в принципе могут быть реализованы с помощью вычислителя

0 (программных средств). Однако для повышения быстродействия устройства, помехозащищенности, надежности, уменьшения стоимости при разработке конкретного устройства регулирования энергопотребле5 ния в выбранной системе с вентильными преобразователями требуется находить компромисс между использованием аппаратных и программных средств. При этом часть функций, например поиск эталонных

0 сигналов, параметров вектора регулирования, могут осуществляться следующим образом; из решения уравнения, из функциональной зависимости, из таблично заданных соотношений. И в этих случаях вы5 бор подхода к поиску представленных величин определяется структурой, режимами работы конкретной электросистемы, требованиями, предъявляемыми к ней.

Регулирование оптимального энергопот0 ребления осуществляется за счет уп равления нагрузками, источниками питания и управлением режимами работы контролируемых (управляемых) сечений энергосистемы. Функции таких управляемых сечений энер5 госистемы выполняют не только известные устройства (регулируемые трансформаторы, переключатели линии электропередач и конфигурации (топологии) системы, групповые компенсаторы реактивной энергии), но

0 и специальные устройства, отражающие особенности систем с вентильными преобразователями, К таким устройствам относятся компенсаторы энергии по мгновенным характеристикам, минимизато5 ры тока, потребляемого от генератора и ре-- гулируемые накопители энергии.

Регулирование активной энергии также осуществляется за счет уменьшения или увеличения величины нагрузки, а также уст0 ройств поддержания стабильным выходно- го напряжения источников питания.

Измерение текущей информации осуществляется на протяжении выбранного заранее интервала времени, на котором

5 определяют множество ЭНС. Если длительность такого интервала, состав блоков нагрузок и источников питания не позволяют измерить информацию о мгновенных значениях тока, напряжения, мощности, то такие измерения производят на протяжении нескольких интервалов времени (например, двух последовательных интервалах), Так как предполагается, что территория, на которой расположена рассматриваемая система, незначительна, то не представляет особого труда с помощью известных способов (например, экранированным кабелем) передать информацию в регулирующие устройства, реализующие предлагаемый способ.

Процесс регулирования разделяется на дискретное регулирование - за счет отключения и подключения нагрузок и источников питания, изменения коэффициентов трансформации трансформаторов, и плавное регулирование - регулирование состояния источников питания (воздействие на регулирующие органы), отслеживание опорных сигналов (за счет переключения вентилей преобразовательных устройств, входящих в состав нагрузок и управляемых сечений).

Физически регулирование энергопотребления в системах с вентильными преобразователями можно разделить по следующим признакам:

управление работой непосредственно самих преобразователей (регуляторов, ши- ротно-импульсных преобразователей, инверторов, выпрямителей, преобразователей частоты) с целью обеспечения оптимального отбора мощности от источников питания (уменьшения максимальных значений потребляемого тока и напряжения на входных зажимах группы преобразователей, исключение пауз в отборе мощности на выделенных интервалах, равномерное распределение нагрузок);

управление регулирующими органами источников питания;

управление работой специальных устройств, обеспечивающих оптимальное энергопотребление (компенсаторов энергии, минимизаторов действующего значения потребляемого тока от генераторов).

Исходя из изложенного следует, что1вкл и Твыкл содержат моменты включения вентильных преобразователей, моменты коммутации вентилей самих преобразователей и моменты подключения и отключения источников питания в энергосистеме. Составляющие вектора Рш содержат параметры выходного напряжения и тока источников питания (частота, фаза, амплитуда), также входные параметры на грузок (частота, фаза, амплитуда т/жа и напряжения), Часть из перечисленных элементов векторов твкл, Ъвым, Ргн может отсутствовать, если осуществлено ранжирование этих элементов по степени важности и исключение из вектора

регулирования незначимых параметров, Вектор топологии в содержит все возможные варианты изменения конфигурации системы, вид и число определяется конкретной структурой энергосистемы с вентильными преобразователями.

Регулирование потребления электроэнергии в системах с вентильными преобразователями с помощью устройства,

0 реализующего предлагаемый способ, осуществляется следующим образом.

Информация о мгновенных значениях тока и напряжения от нагрузок 1, источников 2 питания и управляемых сечений энер5 госистемы 3 поступает на входы входного схемного блока 4. Число точек съема информации определяется числом контролируемых сечений, а число каналов входного схемного блока 4 равно числу контролируе0 мых сечений. Работа одного из каналов блока 4, содержащего датчики тока и напряжения, умножитель двух сигналов, два счетчика энергии и компаратор, заключается в следующем.

5 С помощью датчиков и напряжения осуществляется гальваническая развязка, согласование уровней сигналов энергетических цепей и измерительной части устройства, а также измерение мгновенных значений тока

0 и напряжения в контролируемом сечении. Сигналы с датчиков поступают на умножитель двух сигналов, на выходе которого формируется сигнал, пропорциональный мгновенной мощности P(t). Выходной сигнал с умножите5 ля поступает на счетчики энергии, которые вычисляют активную энергию WA и энергия накопления WH, а также на компаратор, который определяет моменты перехода кривой мощности P(t) через ноль Таким

0 образом, сигналы, пропорциональные значениям тока, напряжения, мгновенной мощности, активной энергии и энергии накопления, моментам перехода функции мгновенной мощности через ноль и форми5 рующиеся на выходе входного схемного

блока 4, поступают на входы вычислителя 5

и на положительные входы компаратора 9,

состоящего изпкс независимых компараторов.

Передача информации с блока 4 в

0 вычислитель 5 и компаратор 9 осуществляется в моменты времени, задавав-, мые блоком 8 задания временныхt интервалов. Период следования управляющих импульсов 16 (фиг.2) на компаратор

5 9 равен Tsi; период следования управляющих импульсов 17 (фиг.2) на вычислитель 5 равен Т$2. Между Tsi и Т$2 выбираются соотношения k-Tsi Ts2, где к - целое. Выбор длительности периодов TSI и Т$2 зависит от вида конкретной энергоси стемы с вентильными преобразователями, числа контролируемых сечений пкс и вида уравнения регулирования (2). Время определения составляющих энергии равно ц (график 16; фиг.2), время определения параметров эталонных сигналов из решения уравнения регулирования (2) равно t2 (график 17, фиг.2),

Вычислитель 5 на основании информации, поступившей от блока 4, определяет число и характеристики ЭНС системы. При этом в вычислитель 5 от запоминающего устройства 6 поступают сигналы, на основании которых ЭНС системы энергопотребления -ранжируются на значимые и незначимые. Для значимых ЭНС в вычислителе 5 определяются параметры оптимальных величин (уравнение регулирования (2)) по функциональным зависимостям.

Информация о эталонных (оптимальных) значениях величин WAoptj WHoptj O 1, пкс) с вычислителя 5 поступает на запоминающее устройство 6. Период Tsa поступления информации от запоминающего устройства в вычислитель и обратно задается блоком 8 задания временных интервалов. Запоминающее устройство 6 служит для хранения рассчитанных оптимальных значений величин с целью организации ее дальнейшей обработки (последовательной или параллельной). Блок 7 селекции в соответствии с сигналами от блока 8 осуществляет выборку оптимальных величин (последовательным или параллельным способом) и пе- редает на гейератор 10 опорных сигналов. Параметры последнего изменяются в соответствии с сигналами от блока 7 селекции, что позволяет на выходе генератора 10 опорных сигналов получить сигналы, про- порциональные величинам WAopt.j, WHoptj О1 1, пКс). Число выходов генератора опорных сигналов равно числу отрицательных входов компаратора 9 и определяется числом контролируемых оптимальных и текущих сигналов,

В Соответствии с управляющими импульсами блока 7 селекции выходные сигна- лы генератора 10 на компараторе 9 сравниваются с сигналами, пропорциональными текущим значениям величин мощности и спектра контролируемых сигналов. На выходе компаратора 9 формируются сигналы, пропорциональные разности между текущими и опорными (оптимальными) величинами ( AWAJ, AWHj). Эти сигналы с частотой 1/Tsi поступают на генераторов 12 сигналов состояния, который определяет элементы управляющего вектора 1Квкл, 1выкл, Ргн, 011 s на основе функциональных зависимостей, заданных таблично. Время

определения параметров регулирования 1вкл, 1выкл, Ргн, в равно гз (график 18, фиг.2). Сигналы, пропорциональные параметрам регулирования т,вкл, 1Выкл, Ргн 0 , в соответствии с синхронизирующими импульсами от блока 8 задания временных интервалов и управляющими импульсами от блока 7 селекции поступают на распределительный блок 11.

Блок 11 производит распределение элементов множества параметров регулирова- ния;натри непересекающихся подмножества Mi, M2, Мз, соответствующих параметрам регулирования нагрузок 1 (Mi), источников 2

питания (Ма), управляемых сечений энергосистемы 3 (Мз). Подмножества Mi и Ма содержат элементы Гвкл, гвыкл, Ргн, подмножество Мз - элементы 1вклДвыкл.# , Причем элементы подмножеств Mi, M2, Мз группируются в

комбинации, число которых равно соответственно числу нагрузок, источников питания и управляемых сечений системы. Каждая комбинация соответствует сигналам регулирования к одной нагрузке, источнику питания и управляемому сечению энергосистемы.

Сигналы с распределительного блока 11 поступают на входы блоков управления нагрузками 13, источниками питания 14, топологией энергосистемы 15. Блоки 13-15 управления вырабатывают управляющие воздействия соответственно на нагрузки, источники питания и управляемые сечения системы.

Интервалы времени, на которых параметры генераторов 10 опорных сигналов являются неизменными, приведены на графике 19 фиг.2, моменты изменения положительных сигналов компаратора 9 - на графике 20 фиг.2.

Регулирование энергопотребления с помощью предлагаемого способа позволяет повысить эффективность и оперативность управления работой энергосистемы с вентильными преобразователями за счет отображения реальных физических процессов в системе. Это улучшит эффективность преобразования и использования электроэнергии и, в конечном итоге, даст возможность

сократить сырьевые, материальные и людские ресурсы в отраслях широкого применения энергосистем с преобразователями.

Формула изобретения Способ регулирования электропотребления в янергосистемах с вентильными преобразователями, заключающийся в тем, что измеряют мгновенную мощность источников питания, по заранее определенным характеристикам вырабатывают управляющие воздействия на регулирующие органы источников питания, отличающийся тем, что, с целью повышения точности управления потреблением электроэнергии и экономичности энергосистем с вентильными преобразователями и несинусоидальными токами и напряжениями, измеряют мгновенные мощности нагрузок и контролируемых сечений линий электропередач между источниками питания и нагрузками, выделяют моменты времени перехода через ноль функции мощности, отражающие изменение направления потоков Анергии для каждого источника питания, нагрузки и контролируемого сечения, на интервале времени выделяют энергетически неизменные состояния, характеризующиеся неизмененностью состояний вентилей и направлений потоков энергии, выявляют величины параметров, характеризующих энергетически неизменные состояния, а именно длительность интервалов существования энергетически неизменных состояний, вычисленные на этих интервалах по величинам мгновенной мощности величины энергии, накопленной в электромагнитном поле и преобразованной в другие виды, скорости изменения накопленной и преобразованной энергии,

сравнивают указанные параметры с заданными значениями, выделяют множество энергетически неизменных состояний системы, для которых по меньшей мере один из

указанных параметров превышает заданное значение, для каждого энергетически неизменного состояния из выделенного множества по заранее определенным для конкретного типа нагрузок энергосистемы

зависимостям оптимальных значений энергии, накопленной в электромагнитном поле и преобразованной в другие виды, от указанных параметров, характеризующих энергетически неизменные состояния, определяют оптимальные значения энергии, накопленной в электромагнитном поле и преобразованной в другие виды, сравнивают текущие значения указанных величин энергии с оптимальными значениями, определяют отклонения выбранных фактических текущих величин энергии от оптимальных значений для всех нагрузок, источников питания, контролируемых сечений линий элек- тропередач, по заранее полученным

характеристикам вырабатывают управляющие воздействия на регулирующие органы нагрузок и каждого контролируемого сечения линий электропередач.

I.|

Фиг.1

Pus.2

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при регулировании электроэнергии в энергосистемах, содержащих вентильные преобразователи. при несинусоидальных токах и напряжениях. Целью изобретения является повышение точности управления потребления электроэнергии и экономичности энергосистем с вентильными преобразователями и несинусоидальными токами и напряжениями. Для этого измеряют мгновенные мощности источников питания, нагрузок и контролируемых сечений линий электропередач между источниками питания и нагрузками. Выделяют моменты времени перехода функций мощности через ноль, определяют параметры энергетически неизменных состояний. Для каждого энергетически неизменного состояния в соответствии с балансом энергии определяют оптимальные значения составляющих энергии, являющихся опорными сигналами, относительно которых производят регулирование потребляемой системой энергии. 2 ил. СО С