Способ управления фильтром высшей гармоники в системе электроснабжения

 

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использова;но в системах промышленного электроснабжения, содержащих нагрузки с нелинейными вольт-амперными характеристиками (вентильный электропривод , электротехнологические установки , электрифицированный транспорт ). Целью изобретения является уменьшение потерь электрической энергии . Изобретение позволяет улучшить качество электроэнергии путем настройки фильтра высшей гармоники, которая обеспечивает минимальное значение модуля входного сопротивления системы электроснабжения, внешней по отношению к ветви с нелинейной нагрузкой . Для этого в каждом цикле управления одновременно измеряют квадратурные составляющие гармоники напряжения на шинах питания нелинейной нагрузки, гармоники тока в цепи питания этой нагрузки и гармоники тока в цепи фильтра высшей гармоники. Определяют полные входные сопротивления фильтра и системы электроснабжения , питающей нелинейную нагрузку и устанавливают новое значение реактивного .сопротивления фильтра, вычисленное по формуле, указанной в тексте описания. 7 ил. easm bliB:::

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А1

ÄÄSUÄÄ 1458926 (51}4 Н О? Х 3 18

l (.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К A ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4174762/24-07 (22) 05.01. 87 (46) 15.02.89. Бюл. 6 (71) Омский политехнический институт (72) В.И.Розенов и А.H.Кириченко (53) 621.316(088 ° 8) (56) Заявка ФРГ 9 2127108; кл. Н 02 J 3/26, 1972.

Анторское свидетельство СССР

11 1077006, кл. Н 02 J 3/18> 1984, Заявка ФРГ М 1513855, кл. Н 02 М, 1979. (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ФИЛЬТРОМ ВЫС ШЕЙ ГАРМОНИКИ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано в системах промышленного электроснабжения, содержащих нагрузки с нелинейными вольт-амперными характеристиками (вентильный электропривод, электротехнологические установки, электрифицированный трансI

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано н системах промышленного электроснабжения, содержащих нагрузки с нелинейными вольт-амперными характеристиками (вентильный электропривод, электротехнологические установки, электрифицированный транспорт и др.).

Целью изобретения является уменьшение потерь электрической энергии.

Ha фиг. 1 приведена упрощенная схема узла системы электроснабжения, на фиг. 2 — схема замещения; на фиг. 3 - функциональная схема устройпорт). Целью изобретения является, уменьшение потерь электрической энергии. Изобретение позволяет улучшить качество электроэнергии путем настройки фильтра высшей гармоники, которая обеспечивает минимальное значение модуля входного сопротивления системы электроснабжения, внешней по отношению к ветви с нелинейной нагрузкой. Для этого в каждом цикле управления одновременно измеряют квадратурные составляющие гармоники напряжения на шинах питания нелинейной нагрузки, гармоники тока в цепи питания этой нагрузки и гармоники тока в цепи фильтра высшей гармоники.

Определяют полные входные сопротивления фильтра и системы электроснабжения, питающей нелинейную нагрузку и устанавливают новое значение реактивного,сопротинления фильтра, вычисленное по формуле, укаэанной в тексте описания. 7 ил. ства для реализации способа; на фиг. 4 — схема фиксации аналоговых сигналов; на фиг. 5 — схема согласующего устройства; на фиг. 6 — схема блока управления; на фиг. 7 — схема формирователя сигналон управления.

Сущность изобретения поясняется следующим.

В соответствии со схемой замещения (фиг. 2) полное входное сопротивление электрической сети, внешней по отношению к ветви с нелинейной нагрузкой, на частоте )-й гармоники равно

1458926 (5) Ф.0 Lñ.)

1.

0 ьф,)+ь, u,+gU, L = « — — — - =r +IX „1

rrX (I yJI у Вк Вх1 где L =L<<+gX«- полное сопротивлеФ ) Ф ние резонансного фильтра;

Ь =г,,)+,)Х „- полное сопротивле-. ние питающей системы.

Модуль входного сопротивления сети на частоте 4-й гармоники можно записать в виде следующего выражения (индекс 4 опущен) (2)

Если определить значение реактивного сопротивления резонансного фильтра (Х ), при KQTopoM значение моду- 2 ля входного сопротивления сети, внешней по отношению к ветви с нелинейной нагрузкой минимально на частоте

)1-й гармоники, то будет иметь место соотношение 25

Х

Ф 2Х, -(2r

Введя обозначение A=2rer.+гc+X, 2 формула (3) запишется в виде х = — — )) А +4Х г -А) .

2Х с (4)

Минимум потерь электроэнергии в элементах фильтра и питающей системы имеет место при минимальном значении уровня остаточного напряжения гармоники на шинах питания нелиней- ной нагрузки . 40

В свою очередь, минимальное значение остаточного напряжения имеет место при минимуме модуля входного сопротивления всей электрической сети, внешней по отношению к ветви с нели- 45 нейной нагрузкой. Следовательно, формула (4) определяет оптимальную настройку фильтра.

Из формулы (4) следует, что для определения искомого значения реак- 50 тивного сопротивления фильтра необходимо знать полное сопротивление питающей системы.

Его значение удобно получить по результатам измерения полного входного сопротивления электрической сети и полного сопротивления силового фильтра в соответствии с формулами:

Uy+) Uc

L = .-- — — =rq+JXф, (6)

А + Сф где г,Х - активная и реактивная

9x rrx составляющие полного входного сопротивления;

U„,Uà .Iê í,I H I«I Ô- пары квадратурных соетавляющих гармоник соответственно напряжения на шинах питания нелинейной нагрузки, тока в цепи питания этой нагрузки и тока в цепи резонансного фильтра;

r4,,Õ ф - активная и реактивная составляющие полного сопротивления фильтра, Используя (1), получим составляющие полного сопротивления питающей системы:

Х = -(Х „/гФ/ -ХФ/Ь„/ ); (7) (8) (г,х/1,ф/ -гф/йВх/ ) где B=(rВ„-гф) +(Хвх Хф)

2 2

В этих формулах

2 2 (L4,l-- гф+Хф, где составляющие r q и Хф получены путем измерения значений напряжения и тока. В каждом цикле управления в соответствии с основной формулой (4) устанавливают новое значение реактивного сопротивления фильтра.

Устройство для реализации способа (фиг. 3) содержит трансформатор

1 тока в цепи питания нелинейной нагрузки, трансформатор 2 напряжения, подключенный к шине питания нелинейной нагрузки, трансформатор 3 тока в цепи силового фильтра, схему 4 фиксации аналоговых-сигналов, блок 5 управления, аналого-цифровой преобразователь 6, вычислительное устройство 7, формирователь 8 сигнала управления силовым фильтром и управляемый элемент 9 реактивного сопротивления силового фильтра 10, нелинейную нагрузку 11.

Устройство работает следующим образом, По сигналу из блока 5,синхронизированного сетью через трансформатор

2, схема 4 запоминает тройку (три) 5

1458926 мгновенных значений сигналов, имеющих место на вторичных обмотках трансформаторов 1, 2 и 3. После этого блок 5 вырабатывает последовательно во времени три одинаковые серии иэ

5 двух импульсов, Первым управляется схема 4, на выходе которой появляется мгновенное значение первого из трех сигналов, хранящихся в памяти 1п схемы 4 (например, мгновенное значение сигнала с выхода трансформатора2, а в третьей — трансформатора 3).

Все описанные процессы циклически повторяются N раз через одинаковые промежутки в течение времени длительностью в один период основной частоты сети. В результате в вычислительное устройство за время одного периода частоты сети. поступают 3N 2р выборок (отсчетов) трех непрерывных аналоговых сигналов. Вычислительное устройство 7 производит счет,количества выборок до 3N. После этого оно вычисляет квадратурные составляющие 25

Uê U Iê„í HI,„ IêÔH Т по формуле дискретного преобразования Фурье, т.е.

Х(К)= x(n) . е (9) зо где Х(К) — комплексное значение К-й гармоники; х(п) — последовательность эквидистантных отсчетов (ВьГ З5 борок) мгновенных значений непрерывной кривой (в нашем случае, тока или напряжения);

N — количество отсчетов на 4п одном периоде кривой;

n=1,2,...,N; Я в которой вместо чисел x(n) используются выборки соответствующей кривой. Затем вычислительное устройство 45

7 производит вычисление величин Ь „ и Ьф соответственно по формулам (5) и (6) и значения искомого параметра

Хф по формуле (4). После этого вычислительное устройство 7 передает вычисленное значение Хф на вход фор- . мирователя 8, который одновременно

1 осуществляет пропорциональное Х 4 регулирование управляемого элемента силового фильтра и формирует импульс запуска блока 5. Этот импульс является сигналом начала следующего цикла работы устройства для управления силовым фильтром внешней гармоники в системе электроснабжения. Следующий цикл идентичен предыдущему, Длительность цикла управления при умеренных требованиях к быстродействию вычислительного устройства составляет 0,2-0,5 с, Схема 4 фиксации аналоговых сигналов (фиг ° 6) содержит согласующие устройства 12, фильтры 13 нижних частот, схемы 14 выборки - запоминания и аналоговый коммутатор iI5.

Согласуищие устройства 12 необходимы для того, чтобы преобразовать, вторичный ток трансформаторов 1 и 3 в напряжение, которое более удобно для дальнейшей обработки.

Согласующее устройство реализовано по схеме активного трансформатора тока (фиг. 5). Эта схема, состоящая иэ трансформатора ТР и операционного усилителя ОУ, обеспечивает гальваническую развязку и имеет линейную амплитудно-фазочастотную характеристику в широкой частотной полосе. Фильтры 13-нижних частот нужны для ограничения по спектру сигналов, поступающих на их входы, Ограничение необходимо для того, чтобы исключить погрешности иэ-за эффекта

"наложения частот" при дальнейшей обработке и вычислении квадратурных составляющих высшей гармоники вычислительным устройством 7. Частота ñðåза F фильтров 13 должна выбираться иэ соотношения (условия теоремы Котельникова-111еннона а дискретизации).

F 2gf где f =50 Гц — частота первой гармоники сети.

Схема 4 фиксации работает следующим образом.

По сигналу из блока 5 срабатывают схемы 14 и запоминают мгновенные значения. Затем на управляющий вход аналогового коммутатора из блока 5 поступают последовательно три сигнала, а коммутатор поочередно передает аналоговые значения на выход схемы 4.

Блок 5 управления (фиг. 6) содержит компаратор 16, умножитель 17 частоты, одновибраторы 18, логические элементы И 19, 20, двоичные счетчики

21 и 22, триггеры 23-25, кнопку 26 и логический элемент ИЛИ 27. Компаратор 16 необходим для формирования прямоугольных импульсов в моменты пе-. рехода через нуль напряжения сети.

1458926

10

30

Умножитель 17 частоты умножает частоту входной импульсной последовательности, порождая на первом выходе тактовый сигнал с частотой Ъ И разбольше частоты сети„ а на втором выходе — вспомогательную последовательность импульсов частоты- большей, чем тактовая, например в 8. раз (m — как и прежде, количество мгновенных значений аналогового сигнала на периоде основной частоты сети).

Блок 5 работает следующим образомм.

Исходное положение блока задается нажатием кнопки 26. При этом триггер

23 через элемент 27 сбрасывает в "0" счетчик 21, устанавливает триггер 24 в положение, при котором он создает разрешающий потенциал на входе элемента 19, и запрещает прохождение импульсов через элемент 19, При отпускании кнопки триггер 23 выдает сигнал, который разрешает прохождение импульсов через элемент 19 и через элемент 27 выдает сигнал, разрешающий счет счетчику 21. Счетчик 21 производит счет импульсов до 11, а счетчик 22 — до тех трех, На выходе одновибратора 18 имеют место задержанные импульсы частотой 8N. Первые три импульса с выхода этого одновибратора„ .проходя через элементы 19 и 20, изменяют состояние счетчика

22„ кодовое слово которого управляет аналоговым коммутатором 15 и является выходным сигналом блока 5.

Импульс переполнения счетчика 22 изменяет состояние триггера 25 на противоположное, который запирает элемент 20, запрещая прохождение импульсов на вход счетчика 22,Триггер 25 выдает разрешение на прохождение следующих трех импульсов в счетчик 22 только к моменту прихода следующего импульса тактовой ча:-стоты с выхода умножителя 17.. Одновибратор 18 с задержкой по времени относительно каждого входного импульса счетчика 22 формирует импульсы запуска аналого-цифрового преобразователя 6.

По истечении И тактовых импульсов на выходе счетчика 21 появляется сигнал переполнения, изменяющий состояние триггера 24 на противоположное, Триггер 24 запирает элемент 19, На этом заканчивается один цикл работы блока 5.Следующий цикл работы блока 5 начинается при появлении импульса на входе элемента 27, поступающего от формирователя 8. Таким образом, кнопка 26 необходима только для начального пуска блока 7 а вся дальнейшая работа осуществляется автоматически. Умножитель 17 частоты выполнен по схеме фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с делителем частоты в цепи обратной связи.

В качестве вычислительного устройства 7 может быть использована серийная микроЗВМ или микроконтроллер.

Конструктивное выполнение формирователя может быть различным в зависимости от конструкции управляемого элемента 9 реактивного сопротивления силового фильтра.

Формирователь сигналов может быть выполнен по схеме на фиг. 7. Схема содержит регистр 28, цифроаналоговый преобразователь 29 и усилитель

30 мощности. Формирователь работает так. По сигналу, поступающему по одной из линий выхода данных вычислительного устройства 7 (этот же сигнал является вторым выходом формирователя 8, поступающим на первый вход . блока 5), срабатывает регистр 28 и запоминает код выходного слова вычислительного устройства 7. Одновременно этот код поступает на вход преобразователя 29, который преобразует его в- аналоговое напряжение. Усилитель 30 пропорционально усиливает это напряжение по мощности (по току) и, тем самым, регулирует величину индуктивного сопротивления управляемого элемента 9 силового фильтра высшей

1 гармоники.

Предложенный способ управления фильтром высшей гармоники в системе электроснабжения обладает следующими основными преимуществами: .. уменьша.ются потери электроэнергии, обусловленные током гармоники в цепи фильтра и в элементах системы, питающей нелинейную нагрузку: повышается качество электроэнергии, так как минимизируется уровень остаточного напряжения гармоники на шинах питания нелинейной нагрузки; повышается надежность работы фильтра, что обусловлено снижением несинусоидальности напряжения, приложенного к батарее конденсаторов, и уменьшением действующего значения несинусоидального тока в цепи фильтра.

Способ управления фильтром высшей гармоники в системе электроснабжения, 5 содержащей нелинейную нагрузку, заключающийся в том, что регулируют реактивное сопротивление резонансного фильтра, отличающийся тем, что, с целью уменьшения потерь электроэнергии, управление производят идентичными независимыми циклами, причем в каждом цикле управле- ния одновременно измеряют квадратурные составляющие 0„, U напряжения гармоники на шинах питания нелинейной нагрузки, квадратурные составляющие I „, I „тока гармоники в цепи питания нелинейной нагрузки, квадратурные составляющие I«, У тока гар- 2п моники..в цепи резонансного фильтра, определяют полное сопротивление элек" трической сети, внешней по отношению к ветви с нелинейной нагрузкой, по формуле

U+)U

Ь = — — — — -- =г+„T вх «(I +gZ ) вх Ъх и полное сопротивление резонансного фильтра по формуле

Uw+JUc

Lt = -re+tX49 кФ где r+ Х - активная и реактивная составляющие полного сопротивления фильтра, и устанавливают новое значение реактивного сопротивления резонансного фильтра равным вычисленному по формуле

Хр= — (Н +4Х r y-А), /» 1 1

ГХс L где a= (r в, -r ) +(Хк„-Х )

Х.= -(Х,„ /L / -Х,/т „/ );

- = в(.

1

A=2ryr,+г,Х

9 1458926 10

Ф о р м у ;л..а и з о б р е т е н и я где г,Xs — активная и реактивная

Ьх вх составляющие полного входного сопротивления, Г

1458926

Входное гопроти8ленце системы элекгпро снабжения

1458926

pr щраяхрормнару1 К трансрарнатсру2 . Н ораниРорнавору 1

l 458926

Составитель О.Наказная

Редактор М„Келемеш Техред И.Дидык Корректор О.Кравцова

Заказ 374/56

Тираж 605

Подписное

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

ВНЯИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

333035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5