Come migliorare la qualità dell'energia

Esistono molti dispositivi e misure per migliorare la qualità dell’energia. Nuovi dispositivi con dispositivi elettronici di potenza ad alta potenza come unità principali possono essere utilizzati per sopprimere o compensare efficacemente vari disturbi transitori e a breve termine nel sistema di alimentazione, mentre le misure convenzionali sono adatte per la regolazione della tensione a stato stazionario. I dispositivi di controllo della qualità dell'energia possono essere suddivisi nelle seguenti tre categorie in base alle loro funzioni: dispositivi di compensazione reattiva, filtri e condizionatori unificati della qualità dell'energia (UPQC) che si concentrano sulla risoluzione dei problemi di qualità dell'energia transitoria. Affinché il dispositivo di controllo della qualità dell’energia svolga appieno la sua funzione progettuale, è fondamentale adottare metodi di analisi e controllo accurati ed efficienti. Innanzitutto, è necessario ottenere informazioni tempestive e precise sulla "sorgente", come tensione trifase, corrente trifase, corrente di neutro e tensione neutro-terra, quindi analizzare queste informazioni sulla sorgente in tempo reale e rapidamente per ottenere le informazioni di controllo richieste. Il dispositivo di controllo utilizza metodi di controllo appropriati per produrre azioni corrispondenti basate su queste informazioni di controllo e infine ottiene l'effetto di compensazione ideale.
1. Estrazione dei segnali di disturbo
Per problemi di qualità dell'energia quali fluttuazioni e sfarfallii di tensione, armoniche e squilibrio trifase, che cambiano in modo relativamente lento e durano a lungo, il metodo dei componenti simmetrici e il metodo di analisi armonica sono i metodi di analisi nel dominio del tempo più comunemente utilizzati. Sono caratterizzati da semplici espressioni matematiche e chiari concetti fisici. Tuttavia, il metodo di analisi nel dominio del tempo prevede una grande quantità di calcoli, richiede molto tempo e non può ottenere il controllo in tempo reale e online. Pertanto, il metodo di trasformazione deve essere utilizzato per ottenere in modo rapido e preciso il segnale di controllo richiesto. Essendo il metodo di elaborazione del segnale più classico, la trasformata di Fourier svolge un ruolo importante nel rilevamento della qualità dell'energia. Attualmente, la trasformata discreta di Fourier (DFT) e la trasformata veloce di Fourier (FFT) di vari algoritmi sono diventate la base dell'analisi spettrale e dell'analisi armonica.
Per disturbi della qualità dell'energia quali caduta di tensione, aumento di tensione, impulso istantaneo e interruzione istantanea di tensione, a causa della sua breve durata e della grande casualità nel tempo in cui si verifica, la trasformata di Fourier non può più soddisfare i requisiti, quindi è necessario utilizzare nuovi metodi di analisi del segnale , come la trasformata di Fourier con finestra, la trasformata di Fourier a breve termine e la trasformata wavelet. Inoltre, anche la combinazione di metodi di analisi tradizionali con metodi intelligenti emergenti è una tendenza nell’analisi dei problemi di qualità dell’energia.
Il rilevamento e l'analisi della corrente armonica è un altro aspetto importante dell'analisi della qualità dell'energia. I metodi di rilevamento della corrente armonica esistenti includono metodi di rilevamento basati sulla definizione di potenza di Fryze, metodi di rilevamento del filtro passa-banda analogico, metodi di rilevamento FFT basati sull'analisi del dominio della frequenza, metodi di determinazione sincrona, metodi di rilevamento adattivo, metodi di rilevamento istantaneo di corrente distorta basati sulla teoria della potenza reattiva istantanea, ecc. Inoltre, esistono metodi di rilevamento delle armoniche variabili nel tempo basati sulla trasformata wavelet, metodi di rilevamento della corrente armonica basati sul principio di discriminazione di fase e metodi di rilevamento delle armoniche basati su reti neurali artificiali. Tra questi, il metodo di rilevamento della corrente armonica basato sulla teoria della potenza reattiva istantanea proposta da H. Akagi et al. nel 1984 ha ottime prestazioni in tempo reale ed è stato ampiamente utilizzato nel filtraggio attivo. Tuttavia, questo metodo ignora l'influenza dei componenti a sequenza zero. Quando la tensione è distorta, la corrente armonica ottenuta è diversa dal valore reale. La trasformazione dq0 basata sulla teoria generalizzata della potenza reattiva istantanea può rilevare la corrente armonica in modo più accurato e in tempo reale.
2. Strategia di controllo
Una volta rilevate e analizzate le informazioni sul problema della qualità dell'energia, è necessario utilizzare un metodo di controllo efficace per eliminare o sopprimere tali informazioni. Il metodo di controllo utilizzato è strettamente correlato al tipo di problema di qualità dell'energia e al dispositivo di controllo.
Alcuni dispositivi tradizionali utilizzati per la regolazione della tensione a stato stazionario, come condensatori shunt, reattori shunt, prese del trasformatore, ecc., sono meccanici. Reagiscono lentamente ai problemi di qualità dell’energia, hanno un controllo impreciso e hanno capacità di regolazione limitate. In passato venivano generalmente utilizzati metodi di controllo manuale. Ora, alcuni dispositivi utilizzano metodi di commutazione automatica. Le loro strategie di controllo includono un controllo ad anello aperto molto semplice e strategie di controllo moderne come il controllo fuzzy e il controllo intelligente.
Esistono più metodi di controllo per i dispositivi di controllo della qualità dell'energia basati sulla tecnologia dell'elettronica di potenza e collegati al sistema di alimentazione tramite convertitori, come SVG (generatore di var statico), APF (filtro di potenza attivo), DVR (ripristinatore dinamico di tensione), DSTATCOM (ovvero DVR parallelo), UPQC, ecc. La tecnologia di controllo PWM per i convertitori è attualmente il metodo di controllo più comunemente utilizzato. Regolando l'angolo di conduzione ∆ e l'ampiezza dell'impulso di modulazione Ｈ, lo scambio attivo o reattivo tra il dispositivo di accumulo dell'energia e la rete elettrica può essere controllato in quattro quadranti e le armoniche sul lato CA possono essere efficacemente soppresse. In base al segnale di disturbo della qualità dell'energia estratto, viene determinato il segnale di attivazione del convertitore finale. Allo stato attuale, i metodi di controllo ampiamente studiati e applicati sono i seguenti:
UN. Controllo PID: questo è il metodo più comunemente utilizzato nel sistema di alimentazione. Ha una teoria perfetta, una forte robustezza, una buona stabilità, un'elevata precisione in stato stazionario ed è facile da implementare in ingegneria. Il controllo PID classico utilizza moduli di controllo tipici come proporzionale, integrale e differenziale, oltre a diverse reti di correzione, che possono migliorare le prestazioni dinamiche e stazionarie del sistema. Tuttavia, il controllo PID presenta anche dei limiti, quali la risposta in eccesso, la scarsa capacità di perturbare i parametri del sistema e la resistenza ai disturbi del carico. Pertanto, sono emersi il controllo PID a parametri variabili e metodi di controllo come la combinazione del PID con il controllo della struttura variabile.
B. Controllo del confronto dell'isteresi: attualmente il metodo di controllo più utilizzato per il tracciamento delle correnti armoniche è il controllo del confronto dell'isteresi. Il principio del controllo comparativo dell'isteresi consiste nel confrontare la quantità controllata con il suo valore dato entro un dato intervallo per determinare i tempi di commutazione dell'elemento di commutazione del convertitore di potenza. Il controllo del confronto dell'isteresi presenta i vantaggi di una rapida velocità di risposta, un'elevata precisione di controllo, una facile implementazione e l'assenza della necessità di comprendere le caratteristiche del carico; lo svantaggio principale è che la frequenza di commutazione non è fissa, vi è una grave interferenza di fase quando viene utilizzato in un sistema trifase a tre fili e la quantità controllata spesso non può essere controllata in modo efficace quando il carico viene commutato. La combinazione con il controllo vettoriale e altri metodi può superare efficacemente gli svantaggi di cui sopra.
C. Controllo del vettore spaziale: Il principio del controllo del vettore spaziale è quello di ottenere la quantità DC (dq) basata sul sistema di coordinate rotanti bifase mediante trasformazione di Park dalla quantità AC misurata (abc) basata sul sistema di coordinate stazionarie trifase, realizzare controllo di disaccoppiamento e buone prestazioni stazionarie e transitorie. I metodi di controllo vettoriale convenzionali richiedono operazioni complesse di funzioni seno e tangente inversa, che vengono generalmente elaborate da DSP; per abbreviare il tempo di funzionamento in tempo reale e ridurre i requisiti per l'hardware, è possibile utilizzare alcuni algoritmi semplificati.
D. Controllo deadbeat: KPGokhale et al. ha proposto per la prima volta il metodo di controllo deadbeat dell'inverter nel 1987. La sua idea principale è quella di dedurre la quantità di controllo dell'interruttore del ciclo successivo in base all'equazione dello stato del sistema e alle informazioni sullo stato corrente, e infine raggiungere lo scopo di fare in modo che la quantità di output segua la quantità di input . L'uso del controllo deadbeat può eliminare gli errori di stato stazionario e terminare il processo di transizione nel più breve tempo possibile; tuttavia, presenta anche degli svantaggi quali scarsa robustezza, ampio superamento della risposta ai transitori, forti calcoli in tempo reale ed elevati requisiti hardware. L'uso del controllo deadbeat con osservatore dello stato di disturbo o della tecnologia di controllo predittivo ottimale può migliorare notevolmente le prestazioni del controllo deadbeat.
e. Linearizzazione del feedback: il metodo della linearizzazione del feedback diretto (DFL) converte il sistema originale in un sistema lineare compensando accuratamente i fattori non lineari del sistema, che possono essere controllati dalla teoria del controllo lineare.
F. Controllo robusto non lineare: considerando che lo SMES (dispositivo di accumulo di energia superconduttore) sarà influenzato da varie incertezze durante il funzionamento effettivo, è possibile introdurre interferenze nel modello deterministico dello SMES per ottenere un modello robusto non lineare di secondo ordine. Per questo modello non lineare, è possibile applicare il metodo di linearizzazione del feedback per renderlo globalmente linearizzato, quindi è possibile utilizzare la legge di controllo di tutti i sistemi lineari per il controllo; oppure la teoria del controllo robusto può essere utilizzata direttamente per progettare il controller. Il rappresentante più tipico della teoria del controllo robusto basata sull’ottimizzazione di determinati indicatori di prestazione è la teoria del controllo H∞ introdotta dallo studioso canadese G. Zames nel 1981. Questa teoria si è ora sviluppata ad un livello relativamente maturo ed è diventata un potente strumento per analizzare e progettare sistemi incerti.
G. Controllo adattivo: l'effettivo sistema SMES sarà inevitabilmente influenzato da disturbi del carico e cambiamenti di altri fattori ambientali durante il funzionamento. È ovviamente difficile ottenere risultati soddisfacenti utilizzando un controller convenzionale per adattarsi a vari cambiamenti con una serie di parametri del controller invariati. Il metodo di controllo adattivo può identificare il modello di sistema online e quindi regolare i parametri del controller in tempo in base al modello di sistema e agli indicatori di controllo per ottenere un controllo ad alta precisione.
H. Controllo logico fuzzy: quando si progetta un controller utilizzando il "metodo nel dominio della frequenza" della teoria di controllo classica e il "metodo nel dominio del tempo" della moderna teoria del controllo, deve essere noto il modello matematico preciso dell'oggetto controllato. Sebbene il controllo adattivo e il controllo autocorrettivo abbiano notevolmente ridotto i requisiti di accuratezza della modellazione, richiedono l’uso di una grande quantità di dati preliminari e richiedono l’identificazione online del modello. L'algoritmo è complesso e la quantità di calcoli è elevata, il che ne limita l'ambito di applicazione. Essendo un metodo di controllo intelligente, il controllo fuzzy non richiede un modello matematico accurato per il sistema. Descrivendo in modo confuso le caratteristiche del sistema, il costo per ottenere le caratteristiche dinamiche e statiche del sistema può essere notevolmente ridotto. Il controllo fuzzy ha una forte robustezza ed è insensibile alle interferenze esterne, alle modifiche dei parametri di processo e ai fattori non lineari. Tuttavia, il controllo fuzzy presenta errori stazionari ed è soggetto a oscillazioni su piccola scala vicino al punto operativo. Altri metodi di controllo possono essere combinati con il controllo fuzzy, come il controllo a struttura variabile e le reti neurali artificiali, per migliorare le prestazioni del controllo fuzzy.
io. Rete neurale artificiale (ANN): le reti neurali artificiali hanno capacità adattive e auto-organizzanti e possono apprendere la relazione non lineare tra input e output basandosi su di esse senza la necessità di un modello matematico del sistema; la tolleranza ai guasti e l'adattabilità della ANN possono far fronte a molti fattori incerti nel funzionamento di sistemi complessi e migliorare la capacità anti-interferenza del sistema; la struttura parallela intrinseca e le capacità di elaborazione parallela della ANN le consentono di elaborare rapidamente grandi quantità di dati nel sistema.
In breve, l'eccesso e la carenza di potenza reattiva sono un fattore importante che influenza la deviazione della tensione di alimentazione. I metodi tradizionali di test della qualità dell’energia presentano dei limiti. Haiyida Energy Technology ha sviluppato il sistema di distribuzione intelligente dell'energia EPDS™, ovvero il sistema di monitoraggio e miglioramento della qualità dell'energia. Ha creato una rete di monitoraggio online della qualità dell'energia che copre l'intera rete, nonché una piattaforma di monitoraggio e gestione unificata e aperta, che monitora dinamicamente il livello di qualità dell'energia della rete elettrica e quindi trasforma i carichi interferenti che influiscono gravemente sulla qualità dell'energia della rete elettrica, migliorando efficacemente il livello di gestione della qualità dell’energia. Utilizza inoltre moderne tecnologie di misurazione e controllo, elaborazione dati e tecnologie di comunicazione per ottenere la gestione e il controllo di tutte le strutture di distribuzione dell'energia e del sistema di alimentazione all'utente, comprese le linee di alimentazione alle apparecchiature terminali, a un costo economicamente ragionevole, migliorando notevolmente la efficienza operativa e gestionale della distribuzione dell'energia, dei sistemi e degli impianti energetici e riduzione dei costi operativi.