Устройство для управления статическим тиристорным компенсатором

 

Изобретение относится к электротехнике , в частности к устройствам повышения качества электроэнергии с помощью статических тиристорных компенсаторов реактивной мощности, и может найти применение в системах энергоснабжения промышленных предприятий, сельского хозяйства и транспорта . Цель изобретения - повышение качества компенсации колебаний напряжения сети от из.менения тока нагрузки. Сигнал с выхода фильтра 3 поступает на нуль-орган 4, который формирует логические сигналы «1 и «О, соответствующие полуволнам напряжения основной частоты. Эти логические сигналы используются для фазовой автоподстройки частоты фазоуправляемого генератора 7 и для синхронизации работы формирователей 8-10 функций с частотой питающей сети. Кроме того, сигнал с выхода фильтра 3 поступает на измеритель амплитуды напряжения 5, который формирует выходной сигнал, пропорциональный значению , где Um - амплитуда линейного напряжения нагрузки, XL - реактанстиристорнореакторной группы (ТРГ) статического компенсатора . Этот сигнал поступает на аналоговый вход формирователя 10 функций, выходной сигнал которого является произведением аналогового сигнала на входе формирователя 10 и выходного сигнала логической матрицы этого формирователя и представляет собой кривую зависимости амплитуды тока первой гармоники ТРГ компенсатора от угла управления тиристорами при 4z-U )ot:6. Дифференциаторы 6 и 19, формирователи 8 и 9 функций синус и косинус, сумматоры 16-18, режекторный фильтр 20, блок 21 компенсаций запаздывания служат для формирования сигнала управления по току нагрузки путем выделения сигналов, содержащих огибающие амплитуд реактивного тока и активного тока. В момент равенства сигналов с выхода умножителя 15 и блока 21 на выходе блока 22 сравнения формируется импульс управления тиристорами фазы ТРГ компенсатора. 3 з. п. ф-лы. 5 ил. с S СО о со О

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) А1 (1)4 Н02 JЗ 18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИф"

t > .

Уиг.1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3877740/24-07 (22) 04.04.85 (46) 07.05.87. Бюл. № 17 (71) Всесоюзный электротехнический институт им. В. И. Ленина (72) В. П. Агафонов, А. И. Ступель и В, А. Кузьменко (53) 621.3.072.86 (088.8) (56) Патент США № 3987359, кл. Н 02 J 3/18, 1974.

Акцептованная заявка Японии № 56-24290, кл. Н 02 J 3/16, 1981. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ

СТАТИЧЕСКИМ ТИРИСТОРНЫМ КОМПЕНСАТОРОМ (57) Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам повышения качества электроэнергии с помощью статических тиристорных компенсаторов реактивной мощности, и может найти применение в системах энергоснабжения промышленных предприятий, сельского хозяйства и транспорта. Цель изобретения — повышение качества компенсации колебаний напряжения сети от изменения тока нагрузки. Сигнал с выхода фильтра 3 поступает на нуль-орган

4, который формирует логические сигналы

«!» и «О», соответствующие полуволнам напряжения основной частоты. Эти логические сигналы используются для фазовой автоподстройки частоты фазоуправляемого генератора 7 и для синхронизации работы формирователей 8 — 10 функций с частотой питающей сети. Кроме того, сигнал с выхода фильтра 3 поступает на измеритель амплитуды напряжения 5, который формирует выходной сигнал, пропорциональный значению —, где U — амплитуда линейного напряK жения нагрузки, Մ— реактанс тиристорнореакторной группы (ТРГ) статического компенсатора. Этот сигнал поступает на аналоговый вход формирователя 10 функций, выходной сигнал которого является произведением аналогового сигнала на входе формирователя 10 и выходного сигнала логической матрицы этого формирователя и представляет собой кривую зависимости амплитуды тока первой гармоники ТРГ компенсатора от угла управления тиристорами при ( и).t % . Дифференциаторы 6 и 19, формирователи 8 и 9 функций синус и косинус, сумматоры 16 — 18, режекторный фильтр 20, блок 21 компенсаций запаздывания служат для формирования сигнала управления по току нагрузки путем выделения сигналов, содержащих огибающие амплитуд реактивного тока и активного тока. В момент равенства сигналов с выхода умножителя 15 и блока 21 на выходе блока 22 сравнения формируется импульс управления тиристорами фазы ТРГ компенсатора. 3 з. и. ф-лы.

5 ил.

1309175

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам автоматического управления статическим тиристорным компенсатором.

Цель изобретения — повышение качества компенсации колебаний напряжения сети от изменения тока нагрузки.

На фиг. 1 приведена блок-схема одной фазы устройства; на фиг. 2 — функциональная схема узла устройства, содержа щая один из формирователей функций и умножитель; на фиг. 3 — значение модуля частотной характеристики канала измерения управляющего сигнала в облас1и частоты

100 Гц; на фиг. 4 — амплитудная и фазовая погрешности канала измерения управляющего сигнала в области рабочих частот; на фиг. 5 — кривые погрешности компенсации колебаний мощности нагрузки в двух случаях: со звеном компенсации запаздывания (6 к) и без этого звена (6).

Устройство (фиг. 1) содержит датчик 1 тока, датчик 2 напряжения, подключенный к его выходу полосовой фильтр 3, подключенные к выходу фильтра 3 нуль-орган 4 и измеритель 5 амплитуды напряжения, блок 6 сдвига фазы, причем вход блока 6 подключен к выходу дагчика 1 тока, фазоуправляемый генератор 7, подключенный входом к выходу нуль-органа 4, формирователи 8 — 10 функций, счетные входы которых подключены к выходу фазоуправляемого генератора 7, а их входы установки подключены к выходу нуль-органа 4, умножители 11 — 15, причем первые входы умножителей 11 и 12 подключены к выходу датчика 1 тока, первые входы умножителей 13 и 14 подключены к выходу блока 6 сдвига фазы, первый вход умножителя 10 подключен к выходу измерителя 5 амплитуды напряжения, вторые входы умножителей 11 и 13 подключены к выходу формирователя 8 функции синус, вторые входы умножителей 12 и 14 подключены к выходу формирователя 9 функций косинус, второй вход умножителя 15 подключен к выходу формировател я 10 опорной функции t(cc), сум м аторы 16 — 18, причем первый вход сумматора 16 подключен к выходу умножителя 11, а его второй вход подключен к выходу умножителя 4, первый вход сумматора 17 подключены к выходу умножителя 12, а второй его вход подключен к выходу умножителя 13, выход сумматора 16 соединен с первым входом сумматора 18, выход сумматора 17 соединен через последовательно включенный блок 19 сдвига фазы с вторым входом сумматора 18, выход которого соединен через последовательно включенные режекторный фильтр 20 и блок 21 компенсации запаздывания с первым входом блока 22 сравнения, второй вход которого соединен с выходом умножителя 15.

Датчик 1 тока, датчик 2 напряжения, полосовой фильтр 3, нуль-орган 4, блок 6

2 сдвига фазы (дифференциатор), сумматоры 16 — 18 и блок 22 сравнения (компаратор) представляют собой известные устройства на операционных усилителях: датчик 1 тока преобразует ток трансформатора фидера нагрузки в напряжение 5 — 10 В, датчик 2 напряжения преобразовывает напряжение трансформатора напряжения в уровень 5—

10 В, полосовой фильтр 3 выделяет из входного сигнала напряжения составляющую основной частоты 50 Гц, нуль-орган 4 и компаратор 22 сравнивают величину входного аналогового сигнала с нулем или заданным значением, дифференциатор 6 и сумматоры 16 — 18 осуществляют математические

15 операции дифференцирования и суммирования соответственно.

В качестве измерителя 5 амплитуды напряжения может быть использовано любое устройство для измерения амплитуды аналогового сигнала..

20 Режекторный фильтр 20 служит для подавления составляющих основного сигнала в области частот 100 020 Гц. Фильтр 20 имеет передаточную характеристику вида

1-

+ 5(j®) 2 2

25 -+-)2 т gt — 1 т

® т2

1+ j2E W — Ф"т где. а — текущая частота;

g =0,2, т = 0,00163 с; т = 0,00151 с; т1 — соответствует нулю числителя при

95 Гц; тг — соответствует нулю числителя при

105 Гц.

Амплитудно-частотная характеристика канала измерения с режекторным фильтром в области частоты 100 Гц приведена на фиг. 3.

Блок 21 компенсации запаздывания яв40 ляется форсирующим звеном, предсказывающим в момент 1 значение сигнала, соответствующее моменту (t+T ), где т — суммарное запаздывание тракта измерения плюс и собственное запаздывание тиристорно-реакторной группы (ТРГ) компенсатора.

Передаточная характеристика блока 16 имеет вид

j(0 Т1 (! +/о т2)(1+/< тЗ)

Аппаратная реализация фильтров 3 и 21, дифференциатора 19, блока 21 компенсации запаздывания осуществляется по их передаточным характеристикам при помощи

ЭЭ операционных усилителей с обратными связями.

На фиг. 2 приведен пример реализации цифроаналогового узла„выполняюшего опе1309175 рацию формирования функции и умножения.

По этой схеме могут быть выполнены пары блоков 8 — 11, 8 — 13, 9 — 12, 9 — 14, 9 — 15.

Каждый узел состоит из схемы 23 выделения фронта, двоичного восьмиразрядного счетчика 24, программируемой логической матрицы 25 на 4096 бит, восьмиразрядного цифроаналогового преобразователя 26, выходного операционного усилителя 27, соединенных следующим образом: вход 28 высокой частоты соединен со счетным входом С счетчика 24 и адресным входом Ао логической матрицы 25, выходы Yi, Yg, ..., Ув счетчика 24 соединены в соответствии с индексами с входами Аi, А2, ..., Aв матрицы 25, выходы

Fp, Рь ..., F7, которой соединены в соответствии с индексами с цифровыми входами Хо, Хь ..., Х цифроаналогового преобразователя 26, выход К которого соединен с выходом операционного усилителя 27, выход

m — с инверсным входом, а выход n — с прямым входом этого усилителя, вход 29 основной частоты соединен с входом схемы 23 выделения фронта, выход которой соединен с R-входом установки счетчика 24, аналоговые входы Уо(30) цифроаналоговых преобразователей 26 соединены с выходами блоков 1, 5 и 6 соответственно.

Схема 23 выделения фронта, входящая в состав формирователей функций, состоит из резистора 31, конденсатора 32 и логической микросхемы НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ

33, соединенных следующим образом: вход

29 схемы соедин -н с первым входом резистора 31 и первым входом схемы НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ 33, второй вход которой соединен с вторым выводом резистора 31 и первым выводом конденсатора 32, второй вывод которого присоединен к нулю питания, выход схемы НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ 33 является выходом схемы 23 выделения фронта.

Цифроаналоговые узлы 8 — 11, 8 — 13, 9 — 12, 9 — 14, 10 — 15 работают следующим образом. Со счетного входа 28 высокая частота поступает на счетный вход с восьмиразрядного счетика 24 и на первый адресный разряд Ао логической матрицы 25, на отдельные адресные разряды которой с выходов счетчика 24 поступает пониженная в 2" раз частота в соответствии с номером и выхода счетчика.

Сигналами, поступающими с синхронизирующего входа 29 через схему выделения фронта 23 íà R- âõîä установки счетчика 24, работа последнего синхронизируется с основной частотой /, в моменты перехода напряжения основной частоты через ноль. Выделение фронтов логических сигналов происходит на интервале осуществления логических сигналов разного уровня на первом и втором входах микросхем НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ 33.

Разный логический уровень этих сигналов создается в момент изменения логичеВ логические матрицы 25 формирователей записываются следующие функции: для формирователя 8 fp=sincoot; для формирователя 9 fg=coscoot; для формирователя 10 fio = при 0(coot(30

fop IlpH (coot(JT;

f p = — copt + — slIl2copt

Jt

40 где coot — текущи и угол основ ной частоты входного сигнала.

Устройство работает следующим образом.

Напряжение системы шин питания У(/) через датчик 2 напряжения поступает на полосовой фильтр 3, который выделяет из него составляющую основной частоты 50 Гц и ее модуляционные составляющие в области

50+15 Гц с искажением фазы сигнала 50 Гц не более 0,5 . Сигнал с выхода фильтра 3 поступает на нуль-орган 4, который формирует логические сигналы «1» и «О», соответствующие полуволнам напряжения основной частоты. Эти логические сигналы используются для фазовой автоподстройки частоты фазоуправляемого генератора 7 и для синхронизации работы формирователей 8 — 10 функций с частотой питающей сети. Кроме того, сигнал с выхода фильтра 3 поступает

55 ского уровня сигнала на входе 29 за счет

RC-цепи 31 — 32.

Вид функции, формируемой формирователем, определяется типом аналогового сигнала, подаваемого на аналоговый вход 30 формирователя и типом программы, записываемой в логическую матрицу 25. Программа составляется из 29 двоичных слов длиной 8 бит каждое, представляющих собой записи мгновенных значений выходного сигнала формирователя в двоичной форме в моменты, определяемые адресом Ао, Аi, ..., Ав на входе матрицы 25. Так как адрес линейно нарастает в течение полупериода основной частоты, то на выходах матрицы Fp, F, ..., F7 происходит развертка во времени сигнала, записанного в память матрицы 25. Сигналы в двоичной форме с выходов Fp, Fi, ..., Fz матрицы 25 поступают на цифровые входы

Хо, Хь ..., Х цифроаналогового преобразователя 26 (ЦАП), на аналоговый вход Uo

20 которого с входа 30 формирователя подается опорный аналоговый сигнал. ЦАП совместно с подключенным к его выходам операционным усилителем 27 осуществляет преобразование цифрового двоичного кода в аналоговую величину, пропорциональную опорному аналоговому сигналу, осуществляя тем самым операцию умножения цифрового и аналогового сигналов, подаваемых на

ЦАП.

1309175 на измеритель 5 амплитуды напряжения, который формирует выходной сигнал, пропорциональныи значению —, К, Х„. где U,. амплитуда линейного напряжения нагрузки;

Մ— реактанс тиристорно реакторной группы (ТРГ) статического компенсатора.

Этот сигнал поступает на аналоговый (первый) вход 30 формирователя 10 функций, выходной сигнал которого при 0(Not(XEL — (

® = A(t)coscupt+C®sin0)pt (1) где А(/) — амплитуда активной составляющей тока;

C(t) — амплитуда реактивной составляющей тока; озо — промышленная частота через датчик 1 тока, подается на первые (аналоговые) входы 30 умножителей 11 и 12 и на вход первого дифференциатора 6, выходной сигнал которого

q(t)== — — — i(t)=(A(t) — 1 C (t)) sin pt—

1d. (0о dt w, — (С®+ — -А ®) cos(opt. (2) подается на первые (аналоговые) входы 30 умножителей 13 и 14. (COOT(Л является произведением аналогового сигнала на входе 30 формирователя 10 и выходного сигнала f o логической матрицы 25 этого формирователя и представляет собой кривую зависимости амплитуды тока первой гармоники ТРГ компенсатора от угла управления тиристорами при ф-(озо/(л. Дифференциаторы 6 и 19, формирователи 8 и 9 функций, сумматоры 16 — 18, режекторный фильтр 20, блок 2! компенсации запаздывания служат для формирования сигнала управления по току нагрузки путем выделения сигналов, содержащих огибающие амплитуд реактивного тока (блоки 1, 6, 8, 9, 11, 14, 16) и активного тока (блоки 1, 6, 8, 9, 12, 13, 17).

В момент равенства сигналов с выхода блоков 15 и 21 на выходе блока 22 формируется импульс управления тиристорами фазы ТРГ компенсатора. Приводится математическое описание тракта формирования сигнала управления и характеристики этого тракта.

В результате на выходе первого умножителя 11 формируется функция

Yi=i(t) sin®pt; на выходе второго умножителя 2

Y z=((t) cos ot; (4) на выходе третьего умножителя 13

Уз= Ч ®sin ot, (5) (9) + — А (t)cos2coot, 2соо

1, 1

Af„(t)=A(t) — — С () — — А (t)sin2u)o+

2озо 2ао

+ — С ®cos2coot.

2озо

Сигналы М,(t) и М„® складываются из

З0 полезной составляющей и помехи, образованной второй гармоникой, модулированной производными полезного сигнала. При постоянстве амплитуд активной и реактивной составляющей помеха равна нулю.

Синфазное с первой гармоникой напря35 жение сети

U(t) = Ucos pt, (1 1) падение напряжения AU(t) от тока нагрузки

i(t) на реактансе сети Х=юо/ с учетом урав40 нения (2) запишется в виде

AU(t)=t» — I=NoL(5(t))=X(C(t)+

+ А (t))cos ot.

%о (12) 45 Для компенсации этого падения статически и компенсатор должен генерировать в сеть ток, равный и противоположный по фазе току

ih(t)=(C(t)+ — А (t)) coscopt, (1 3)

50 Mo т. е. управляюгций сигнал, подаваемый на блок 22 сравнения, должен быть равен

Y(t)= — C(t)+ — А (t). (14) озо

Переходя в уравнения (9), (10) и (14) к изображениям по Фурье и не учитывая составляющих второй гармоники, которые

10 на выходе четвертого умножителя 14

Y4= q(t)cos not. (6)

Сигнал на выходе первого сумматора !6

М,= YI — Y ==i(t)sin

Сигнал на выходе второго сумматора 17

М„= Y + Уз==t(t)coscopt+q(t)sin(opt. (8)

Подставляя в (7) и (8) выражения (1) и (2), получим

20 Мс®=СЯ+ — - А (t)+ — С (t)sin2 p+

2 ойдо 2озо

1309175 подавляются в сигнале управления фильтром 20, характеристики которого рассмотрены, получают

М,0со)=С0со)+ — )со А0со);

1 (15) М„() )=A() ) -) С0 );

1 (16) У 0 )= 0 )+ — ) А 0 ). (17) 1О

Решая совместно уравнения (.1 5), (16) и (17), получают

1 — 2со" Т,, . j coTo

У()со) — Мс()со)+;, 1 — а Т 1 — со Т

° М„()со), (18) где То=, То=0,15910 с.

Граничная частота спектра сигналов

A(i) и С(с) не превышает 20 Гц. В этой области частот передаточная функция

1 2соà Tоo

1 т а- у

1 — со То

25 погрешность на границе не превышает 4Я. со То

Передаточная функция — — --, эквива1 — со То лентируется инерционным дифференциатором 19 с передаточной функцией

)а то 4() со ) =

1+)со То

На границе рабочей области частот фазовая погрешность при эквивалентировании не превышает 10, амплитудная — 6Я, причем эти цифры относятся лишь к той составляющей сигнала управления, которая компенсирует синфазиое падение напряжения от изменения активного тока.

Таким образом, с указанными погреш- 4О ностями уравнение (18) для сигнала управления может быть заменено следующим:

} *Осо)=М ()со)+ — ) — о - Мд0со) (19)

1+)соТо которое реализуется дифференциатором 19 45 и сумматором 18.

Для устранения модуляционных составляющих второй гармоники, присутствующих в сигналах М,0со) и M„(jm) (уравнения (9) и (10), выходной сигнал сумматора 18 подают на режекторный фильтр 20 с указанными характеристиками. Как видно из амплитудно-частотной характеристики фильтра, приведенной на фиг. 3, на границах диапазона 100+-20 Гц результирующее подавление помехи не менее 26 дБ (в 20 раз), в диапазоне 100+ -10 Гц, где сосредоточена основная часть спектра помехи, подавление не менее 46 дБ (в 200 раз). Значения амплитудной и фазовой погрешности тракта, вызванные фильтрацией сигнала управления звеньями 5 д0со) с указанными параметрами, приведены на фиг. 4. На границе рабочей области частот фазовая погрешность не превышает 10, амплитудная — ЗЯ. В диапазоне до 10 Гц, где сосредоточена основная часть спектра сигнала управления, фазовая погрешность не более 5, амплитудная не более 0,75о .

Сигнал У ()) с выхода фильтра 20 подается на блок 21 компенсации запаздывания, выходной сигнал которого Y+» (t) является предсказанным в момент с сигналом Y. (/+т,), где т, — время предсказания, равное времени суммарного запаздывания, рассмотренного при описании блока 21.

Относительная погрешность компенсации статическим компенсатором гармоники частоты со, содержащейся в сигнале У(с), при отсутствии блока 21 компенсации запаздывания, определяется выражением

/ Ы: ())/ (20)

/Y(i )/ при наличии блока 21 компенсации б„„ИЫ вЂ” 4.&2 (21)

/Y(i )/

Зависимости (20) и (21) приведены на фиг. 5.

Блок 22 сравнения формирует фронт импульса сс, управляющего вентилем ТРГ, в момент равенства сигналов с выхода блоков 15 и 21, т. е. при выполнении равенства — -(иоi+ sipp2pppt) = ip„o). (22)

Формула изобретения

l. Устройство для управления статическим тиристорным компенсатором, содержащее датчики тока и напряжения, умножитель, формирователь опорной функции и блок сравнения, отличающееся тем, что, с целью повышения качества компенсации колебаний напряжения сети от изменения тока нагрузки, оно снабжено полосовым фильтром, нуль-органом, измерителем амплитуды напряжения, фазоуправляемым генератором, двумя блоками сдвига фазы, формирователем функции синус, формирователем функции косинус, четырьмя умножителями, тремя сумматорами, режекторным фильтром, причем выход датчика тока соединен с первыми входами первого и второго умножителей и входом первого блока сдвига фазы, выход которого соединен с первыми входами третьего и четвертого умножителей, выход датчика напряжения соединен с входом полосового фильтра, выход которого соединен с входами нуль-органа и измерителя амплитуды напряжения, а выход последнего соединен с первым входом пятого

1309175 умножителя, выход нуль-органа соединен с входом фазоуправляемого генератора и синхронизирующими входами формирователей функций синус, косинус и опорной, а выход фазоуправляемого генератора соединен с входами частоты указанных формирователей функций, при этом выход формирователя функции синус соединен с вторыми входами первого и третьего умножителей, выход формирователя функции косинус соединен с вторыми входами второго и четвертого 1О умножителей, а выход опорной функции соединен с вторым входом пятого умножителя, выход первого умножителя соединен с прямым входом первого сумматора, инверсный вход которого соединен с выходом четвертого умножителя, а выход соединен с пер15 вым входом третьего сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго блока сдвига фазы, вход которого соединен с выхо!

О дом второго сумматора, первый вход которого соединен с выходом второго умножителя, а второй вход соединен с выходом третьего умножителя, выход третьего сумматора через последовательно включенный режекторный фильтр соединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом пятого умножителя.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в него введен блок компенсации запаздывания, включенный между выходом режекторного фильтра и первым входом блока сравнения.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что блок компенсации запаздывания выполнен в виде форсирующего звена.

4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что блок компенсации запаздывания выполнен в виде оптимального предсказывающего фильтра.

1309175 ди/ j -й Р град а

2,5

20 УП

Риг.4

Составитель О. Наказная

Редактор А. Сабо Техред И. Верес Корректор М. Пожо

Заказ 1444 49 Тираж 619 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035> Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4