Способ компенсации высших гармоник и коррекции коэффициента мощности сети

Использование: в области электротехники и электроэнергетики. Технический результат заключается в повышении качества электрической энергии в сети с нелинейной нагрузкой за счет снижения коэффициентов искажения синусоидальности. Способ заключается в формировании импульсов управления силовыми ключами инвертора с использованием фазовой синхронизации напряжения и тока сети, при этом до фазовой синхронизации напряжения и тока сигналы от датчиков напряжения обрабатываются фазовым преобразователем, а после фазовой синхронизации выходные сигналы блока фазовой синхронизации умножаются на сигнал задания по току регулятора напряжения накопительного конденсатора, обрабатываются фазовым преобразователем, затем сравниваются с измерительными сигналами тока нелинейной нагрузки, заданного и фактического тока инвертора, и полученный в результате этого сигнал рассогласования подается на входы релейных регуляторов. 2 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике и электроэнергетике, а именно к способам подавления и компенсации высших гармоник в электрических сетях и коррекции коэффициента мощности. Способ может быть использован в системах электроснабжения промышленных предприятий с большим количеством нелинейной нагрузки, генерирующей высшие гармоники тока и напряжения, для приведения в соответствие с требованиями нормативной документации величины коэффициента искажения синусоидальности и коэффициента n-ой гармонической составляющей кривой напряжения.

Известен способ и устройство для адаптивного подавления гармоник тока в силовой линии (патент США №5726504, дата подачи заявки: 24.05.1996, H02J 3/01), содержащее датчик тока, шаблонную цепь, цепь сравнения и цепь коррекции тока. Датчик тока измеряет амплитуду тока силовой линии на каждой половине периода основной гармоники. Шаблонная цепь формирует чистый синусоидальный ток основной частоты в качестве эталона. Цепь сравнения получает сигналы с датчика тока и шаблонной цепи и формирует сигнал разности этих двух сигналов. Полученный сигнал поступает в цепь коррекции, которая несколько раз на полупериоде основной гармоники поглощает часть тока силовой линии, если этот ток превышает шаблонный, или формирует добавочный ток, если ток линии меньше шаблонного. Цепь коррекции тока содержит накопитель энергии, который заряжается при поглощении тока линии и разряжается при необходимости генерации тока в линию.

Недостатком способа является отсутствие фазовых преобразований измеренного тока и напряжения компенсируемой сети. При этом невозможно осуществить компенсацию высших гармоник и коррекцию коэффициента мощности в условиях режима работы нелинейной нагрузки с динамическим изменением потребляемого искаженного тока.

Известен способ и устройство для компенсации появляющихся в сети искажений формы сетевого напряжения (патент Германии №19738125, дата подачи заявки: 01.09.1997, H02J 3/01) на основе активного фильтра, содержащее импульсный преобразователь тока в виде инвертора и индуктивно-емкостную связь колебательного контура. Способ заключается в формировании импульсов управления силовыми ключами инвертора на основе определения пространственных векторов искаженного напряжения сети.

Недостатком способа является отсутствие фазовых преобразований и фазовой синхронизации измеренного тока и напряжения компенсируемой сети, что не позволяет осуществить компенсацию высших гармоник и коррекцию коэффициента мощности сети в условиях режима работы нелинейной нагрузки с динамичным изменением потребляемого искаженного тока. Инвертор согласно способу работает в режиме постоянной частоты широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Известен способ формирования группы управляющих сигналов для полупроводникового преобразователя активного фильтра для компенсации гармонических и других колебаний и устройство для осуществления способа (патент Германии №10244056, дата подачи заявки: 10.09.2002, Н02М 1/12). В соответствии со способом измеряются токи или напряжения в сетевых проводах и, при необходимости, в нулевом проводе. Из измеренных сигналов удаляется, по меньшей мере, основная составляющая с частотой f₀. Для выработки управляющего сигнала или сигналов используется преобразованная функция tr(t) на каждом измеренном сигнале.

Недостатком способа является отсутствие фазовых преобразований и фазовой синхронизации измеренных напряжений и токов компенсируемой сети.

Известен способ управления активным фильтром в системе компенсации реактивной мощности (патент Японии №6087631, дата подачи заявки: 19.01.1988, H02J 3/01), принятый за прототип, который заключается в формировании импульсов управления силовыми ключами инвертора в составе активного фильтра на основе вычисления разности между полным током сети и суммой активной и реактивной составляющей тока сети. Реактивная мощность контролируется по вычисленной величине полного тока и напряжению сети. По среднему значению реактивной мощности и стандартному синусоидальному сигналу, синхронному с напряжением сети, вычисляется реактивный ток неизменяющейся составляющей тока нагрузки. По величине тока нагрузки и напряжению сети вычисляется активная мощность, которая используется вместе со стандартным синусоидальным сигналом для вычисления активной составляющей тока. Из полного тока вычисляется активная и реактивная составляющие, и в соответствии с полученным значением формируются импульсы управления силовыми ключами инвертора активного фильтра.

Недостатком прототипа является отсутствие фазовых преобразований измеренных напряжений и токов искаженной сети. Инвертор согласно способу не может работать в режиме переменной частоты ШИМ.

Технический результат изобретения заключается в снижении коэффициентов искажения синусоидальности формы кривых тока и напряжения сети при наличии нелинейной нагрузки, режим работы которой связан с динамическим изменением потребляемого несинусоидального тока, и повышении коэффициента мощности сети.

Технический результат изобретения достигается тем, что в способе компенсации высших гармоник и коррекции коэффициента мощности сети, заключающемся в формировании импульсов управления силовыми ключами инвертора с использованием фазовой синхронизации напряжения и тока сети, согласно изобретению до фазовой синхронизации напряжения и тока сигналы от датчиков напряжения обрабатываются фазовым преобразователем, а после фазовой синхронизации выходные сигналы блока фазовой синхронизации умножаются на сигнал задания по току регулятора напряжения накопительного конденсатора, обрабатываются фазовым преобразователем, затем сравниваются с измерительными сигналами тока нелинейной нагрузки, заданного и фактического тока инвертора, и полученный в результате этого сигнал рассогласования подается на входы релейных регуляторов.

Предлагаемый способ поясняется чертежами, представленными на фиг.1 и фиг.2., где на фиг.1 показана структура параллельного активного фильтра, на основе которого реализуется предлагаемый способ, на фиг.2 - формирование импульсов управления силовыми ключами инвертора релейным регулятором. На фиг. 1: 1 - нелинейная нагрузка; 2 - инвертор; 3 - накопительный конденсатор; 4 - выходной пассивный фильтр; 5 - датчик напряжения; 6, 8 - преобразователи фаз; 7 - блок фазовой синхронизации; 9 - блок релейных регуляторов, состоящий из трех релейных регуляторов для каждой фазы компенсируемой сети; 10 - датчик тока; 11 - регулятор напряжения накопительного конденсатора; 12 - датчик тока; 13 - контроллер системы управления. На фиг.2: i_з, - заданный ток фильтра; i_ф - фактический ток фильтра; Δi - ширина гистерезиса релейного регулятора; Т_и - импульсы управления ключами инвертора по напряжению; Т_i - импульсы управления ключами инвертора по току.

Способ компенсации высших гармоник и коррекции коэффициента мощности реализуется следующим образом.

Измерительные сигналы линейных напряжений искаженной сети от датчика напряжения 5 поступают на вход преобразователя фаз 6, обрабатывающего поступающие сигналы в соответствии со следующими выражениями:

где u_αb, u_bc- измеренные линейные напряжения искаженной сети; u_α, u_β - преобразованные линейные напряжения искаженной сети в системе координат αβ0. Фазовые преобразования позволяют определить угол φ между изображающим вектором искаженного напряжения сети и его проекцией на ось α. Характер изменения и величина угла φ содержат информацию об уровне искажения, присутствующих высших гармониках и фазовом сдвиге напряжения и тока компенсируемой сети.

Сигналы u_α, u_β поступают на вход блока фазовой синхронизации напряжения и тока сети 7, который выполняет подстройку направляющих косинусов и синусов угла φ так, чтобы полученная в результате этого величина φ^/ соответствовала синусоидальной форме кривых напряжения сети. Исходные направляющие косинусы и синусы определяются следующим образом:

После обработки блоком фазовой синхронизации скорректированные направляющие синусы cosφ^/ и косинусы sinφ^/, соответствующие синусоидальной форме кривых напряжений сети, умножаются на сигнал задания по току i₃ от регулятора 11 согласно следующим формулам:

в результате чего получаются сигналы задания по току i_зα и i_зβ в системе координат αβ0, синфазного с напряжением сети.

Регулятор 11 контролирует уровень напряжения накопительного конденсатора 3 у заданной величины и дает сигнал на его подзарядку, если фактическое напряжение ниже задания. Сравнивая заданную и фактическую величину напряжения накопительного конденсатора 3 с учетом величины искаженного тока сети от датчика 10, регулятор 11 формирует сигнал задания по току заряда i_з для инвертора. Регулятор 11, обладая высоким быстродействием, которое позволяет отрабатывать резкие изменения тока нелинейной нагрузки длительностью от единиц до десятков микросекунд, обеспечивает запас величины напряжения конденсатора 3 в случае внезапного изменения режима работы нелинейной нагрузки, приводящего к увеличению потребляемого ей искаженного тока и, как следствие, к росту величины необходимого компенсационного тока. Регулятор 11 имеет верхний и нижний пределы ограничения, не позволяющие устройству работать в режиме длительной перегрузки.

После вычислений по формулам (3) сигналы i_зα и i_зβ поступают на вход преобразователя фаз 8, где они обрабатываются в соответствии со следующими формулами:

Полученные сигналы i_зα, i_зb, i_зc поступают на вход блока релейных регуляторов 9 в виде заданий по току инвертора 2. На вход блока релейных регуляторов 9 также подается сигнал задания по току регулятора 11.

Изменение ширины и частоты гистерезиса релейных регуляторов блока 9 осуществляется сигналом рассогласования, который получается по результатам сравнения заданного и фактического тока инвертора, и тока нелинейной нагрузки на основе сигналов от датчиков 10 и 12 с учетом сигнала задания по току от регулятора 11 для инвертора 2. Релейные регуляторы генерируют импульсы, поступающие на управляющие электроды силовых ключей инвертора.

Релейные регуляторы формируют управляющие импульсы для силовых ключей инвертора на основе сигналов ошибки, которые являются разницей между заданными токами i_зα, i_зb, i_зc, полученными в соответствии с (4), и фактическими генерируемыми инвертором токами i_фα, i_фb, i_фc (см. фиг.2) с учетом сигнала задания по току от регулятора напряжения накопительного конденсатора и измерительного сигнала тока нелинейной нагрузки. Когда сигнал ошибки достигает верхнего предела (i_з+Δi) первый транзистор k₁ рассматриваемой ветви (см. фиг.1) инвертора отключается, а второй транзистор k₂ той же ветви включается, таким образом, происходит форсированное снижение тока. Когда сигнал ошибки достигает нижнего предела (i₃-Δi) транзистор k₁ рассматриваемой ветви инвертора включается, а транзистор k₂ той же ветви отключается, таким образом, происходит форсированное увеличение тока. Гистерезисные пределы сигнала ошибки (i₃+Δi) и (i₃-Δi) релейных регуляторов непосредственно определяют число пульсаций управляющих сигналов для ключей инвертора при изменении заданного тока в зависимости от режима работы нелинейной нагрузки.

Изменение ширины и частоты гистерезиса релейных регуляторов в предлагаемом способе позволяет обеспечить режим работы инвертора с переменной частотой ШИМ, требуемую точность отработки задания по компенсационному току при сохранении уровня быстродействия, достаточного для отслеживания динамических изменений режима работы большинства типов нелинейной нагрузки, контролировать непрерывное изменение спектра генерируемого компенсационного тока

С увеличением частоты гистерезиса релейных регуляторов растет точность отработки задания по компенсационному току инвертора. Величина ширины гистерезиса релейных регуляторов Δi определяет частоту ШИМ инвертора.

Динамическое изменение режима работы компенсируемой нелинейной нагрузки и генерируемого ею гармонического спектра делает неэффективным использование других типов регуляторов для формирования импульсов управления ключами инвертора в данном способе.

Аппаратная реализация предлагаемого способа может быть осуществлена с помощью существующих силовых электротехнических, электронных и микропроцессорных устройств при надлежащем выборе и настройке соответствующих параметров.

Способ компенсации высших гармоник и коррекции коэффициента мощности сети, заключающийся в формировании импульсов управления силовыми ключами инвертора с использованием фазовой синхронизации напряжения и тока сети, отличающийся тем, что до фазовой синхронизации напряжения и тока, сигналы от датчиков напряжения обрабатываются фазовым преобразователем, а после фазовой синхронизации выходные сигналы блока фазовой синхронизации умножаются на сигнал задания по току регулятора напряжения накопительного конденсатора, обрабатываются фазовым преобразователем, затем сравниваются с измерительными сигналами тока нелинейной нагрузки, заданного и фактического тока инвертора, и полученный в результате этого сигнал рассогласования подается на входы релейных регуляторов.