Способ регулирования напряжения в трехфазной электрической сети

Изобретение относится к электротехнике, в частности к силовой электронике, и может быть использовано в системах электроснабжения для регулирования или стабилизации трехфазного напряжения с улучшенными энергетическими показателями. Суть способа заключается в формировании и суммировании с напряжением сети двух добавочных напряжений трехступенчатой формы, сдвинутых относительно напряжения сети в разные стороны на угол, равный четверти максимальной ширены ступени. Техническим результатом от применения способа является повышение точности выравнивания напряжения в электрических сетях и улучшение формы добавочного напряжения. Это достигается за счет увеличения числа поддиапазонов регулирования до 12 против 6 в прототипе и повышения в 2 раза частоты модуляции напряжения без повышения частоты коммутации. Предлагаемый способ, как более совершенный, может заменить известные технические решения в высоковольтных сетях систем электроснабжения. 4 ил.

 

Изобретение относится к области электротехнике, в частности, к силовой электронике и может быть использовано для регулирования и стабилизации напряжения с улучшенной формой.

Известен способ регулирования напряжения в трехфазной электрической сети RU №2253939, МПК: Н02М 7/48, опубл. 10.02.2005 г, Бюл. №16, предназначенный для систем электропитания и устройств автоматики.

Реализация способа производится многофазным мостовым инвертором, состоящего из анодных и катодных полностью управляемых ключей, соединенных с нагрузкой.

Способ регулирования напряжения обеспечивается за счет сдвига фазы многоуровневого напряжения относительно сигнала синусоидальной формы, взятого в качестве меры. Формирование многоуровневого выходного напряжения происходит за счет циклического переключения инверторов по специальной таблице состояний.

Недостатком устройства является невысокая точность регулирования и сравнительно большое значение коэффициента несинусоидальности выходного напряжения.

Известен также способ регулирования напряжения в трехфазной электрической сети (RU №2236078, МПК: Н02М 5/12, G05F 1/24, опубл. 10.09.2004 г.), который взят за прототип.

Суть способа-прототипа заключается в том, что, используя принцип совместного согласованного управления, углом включения α и углом выключения β=(π-α) транзисторов однофазных мостовых инверторов напряжения, производят встречное симметричное регулирование добавочного напряжения внутри каждого полупериода напряжения сети в пределах от π/12 до (π-π/12), причем при α≤π/2 производят шунтирование вторичных фазных обмоток вольтодобавочного трансформатора на интервалах [0, α] и [β, π], а при α≥π/2 шунтирование производят на интервалах [0, β] и [α, π]. Известный способ реализуется при помощи вольтодобавочного каскада, выполненного в виде трехфазного вольтодобавочного трансформатора, первичные фазные обмотки которого включены между соответствующими фазами сети и нагрузки, а вторичные фазные обмотки через блок однофазных мостовых инверторов напряжения подключены к источнику постоянного напряжения. Блок инверторов напряжения выполнен в виде трех однофазных транзисторных IGBT модулей. Начала и концы вторичных обмоток вольтодобавочного трансформатора подключены к общим точкам между четными и нечетными транзисторами IGBT модулей, управляемые инверсными и не инверсными 180-градусными сигналами соответственно.

Регулирование напряжения способом-прототипом производится без сдвига первой гармоники и пропорционально cos(α). Следует также отметить, что регулирование производится в 6 поддиапазонах с совместным согласованным 150-градусным управлением и частотой модуляции в 3 раза выше частоты коммутации транзисторов блока инверторов напряжения (см. в кн. Климаш B.C. «Вольтодобавочные устройства для компенсации отклонений напряжения и реактивной энергии с амплитудным и фазовым регулированием»: Монография. - Владивосток: Дальнаука, 2002. - стр. 24, рис. 1.12 и стр. 53-56, рис. 2.13).

Недостатком прототипа является сравнительно большое значение коэффициента несинусоидальности напряжения (см. там же стр. 65, рис. 2.17), что требует применения дополнительных фильтров напряжения. Применение фильтров в определенной степени приведет к снижению быстродействия и точности регулирования напряжения.

Задачей технического решения является повышение точности выравнивания напряжения в электрических сетях и улучшение формы добавочного напряжения.

В результате решения поставленной задачи повысится точность выравнивания напряжения в электрической сети и улучшится форма добавочного напряжения и напряжения у потребителей.

Решение поставленной задачи достигается тем, что применено два вольтодобавочных каскада с пофазно последовательно соединенными первичными обмотки первого и второго трехфазных вольтодобавочных трансформаторов и с углами управления первого и второго блоков однофазных мостовых инверторов напряжения, сдвинутыми относительно фазного напряжения сети в противоположные стороны на угол π/24 и соответственно равными α₁=(α-π/24), β₁=(β-π/24) и α₂=(α+π/24), β₂=(β+π/24), при этом мощности первого и второго трехфазных вольтодобавочных трансформаторов и число витков их первичных обмоток уменьшены в 2cos(π/24) раза.

Суть предлагаемого способа регулирования напряжения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми к нему чертежами. На фиг. 1 изображена принципиальная схема с двумя вольтодобавочными каскадами 1 и 2, подключенными между сетью с напряжением U_c и нагрузкой с напряжением U_н. В состав вольтодобавочных каскадов входят вольтодобавочные трансформаторы 3 и 4, блоки из трех однофазных инверторов напряжения 5 и 6, синхронизированную с сетью систему управления 7 с задающим сигналом U_з, выводы для питания инверторов напряжения 5 и 6 подключены к зажимам U_d источника постоянного напряжения. Наименования VT2 и VT4 обозначают четные, a VT1 и VT3 нечетные транзисторы.

На фиг. 2 представлены временные диаграммы 12-ти сигналов управления для четных транзисторов: A1_VT2, A1_VT4 - фазы A, B1_VT2, B1_VT4 - фазы В, C1_VT2, C1_VT4 - фазы С блока инверторов первого вольтодобавочного каскада и соответствующие сигналы управления A2_VT2, A2_VT4, B2_VT2, B2_VT4, C2_VT2, C2_VT4 блока инверторов второго вольтодобавочного каскада, а также результирующее выходное напряжение двух каскадов U_ВДК.

На фиг. 3 представлены фрагменты фазных напряжений при произвольно выбранных углах управления. Здесь 8 - напряжения сети; 9 - напряжение нагрузки, равное сумме напряжений сети и каскадов U_н=U_c+U_ВДК; 10 - напряжение каскада; углы управления α=π/24 и α=3π/24 соответствуют режиму вольтодобавки, а углы управления α=π-π/24 и α=π-3π/24 режиму вольтовычета. Для наглядной иллюстрации процесса формирования напряжения нагрузки, величина добавочного напряжения каскада была увеличена (задан диапазон регулирования ±25% от номинального значения напряжения сети).

На фиг. 4 показано изменение коэффициента несинусоидальности напряжения (К_н) в функции угла управления.

Отличия предлагаемого способа заключается в применении известных и вновь введенных операциях, последовательности и взаимосвязи между ними. Напряжение на выходе инверторов формируется из напряжения U_d переключением транзисторов по специальному 150-градусному алгоритму. Системы управления по сигналу задания U_з, обеспечивая согласованное смещение фаз сигналов управления между четными транзисторами каждого модуля (фиг. 1) на углы α и β соответственно, на интервале от π/12 до π-π/12. При этом сигналы управления соответствующих нечетных пар транзисторов всегда находятся в противофазе с их четными сигналами. Выходное напряжение инверторов приобретает прямоугольную форму с регулируемой шириной углами α и β интервалов подключения вторичных обмоток вольтодобавочных трансформаторов к напряжению U_d и их шунтирование. Кроме этого, введено дополнительное фиксированное смещение фаз сигналов управления на +π/24 для блоков инверторов первого вольтодобавочного каскада и на -π/24 для блоков инверторов второго вольтодобавочного каскада, относительно перехода через нуль фазного напряжения сети (фиг. 2). Вольтодобавочные трансформаторы, подключенные к соответствующим блокам инверторов напряжения, исполняя роль силовых сумматоров, прибавляют векторы напряжений каскадов к вектору напряжения сети. Поскольку векторы добавочных напряжений первого и второго каскадов являются комплексно сопряженными с аргументами +π/24 и -π/24, то в соответствии с преобразованиями Эйлера результирующий вектор двух каскадов совпадает с вектором напряжения сети и имеет модуль, который больше модуля вектора напряжения одного каскада в 2cos(π/24) раза. При соединении нагрузки в звезду без нулевого провода в процессе формирования многоуровневого добавочного напряжения присутствует действие межфазного взаимодействия напряжений (фиг. 3), при котором частота модуляции и число поддиапазонов регулирования напряжения повышается кратно числу фаз сети и количеству каскадов, образующих комплексно сопряженные векторы добавочного напряжения. В результате этих преобразований количество уровней добавочного напряжения и число поддиапазонов регулирования возрастает до 12 против 6 в прототипе, улучшается форма и повышается точность выравнивания напряжения потребителей, что подтверждается снижением в 2 раза коэффициента несинусоидальности напряжения (фиг. 4).

Областью применения способа регулирования напряжения являются трехфазные электрические сети. Предлагаемый способ как более совершенный может заменить в электрических сетях известные способы регулирования напряжения.

Способ регулирования напряжения в трехфазной электрической сети при помощи вольтодобавочного каскада, выполненного в виде трехфазного вольтодобавочного трансформатора, первичные фазные обмотки которого включены между соответствующими фазами сети и нагрузки, а вторичные фазные обмотки через блок однофазных мостовых инверторов напряжения подключены к источнику постоянного напряжения, заключается в том, что используя принцип совместного согласованного управления, углом включения α и углом выключения β=(π-α) транзисторов однофазных мостовых инверторов напряжения производят встречное симметричное регулирование добавочного напряжения внутри каждого полупериода напряжения сети в пределах от π/12 до (π-π/12), причем при α≤π/2 производят шунтирование вторичных фазных обмоток трехфазного вольтодобавочного трансформатора на интервалах [0, α] и [β, π], а при α≥π/2 шунтирование на интервалах [0, β] и [α, π], отличающийся тем, что применено два вольтодобавочных каскада с пофазно последовательно соединенными первичными обмотками первого и второго трехфазных вольтодобавочных трансформаторов и с углами управления первого и второго блоков однофазных мостовых инверторов напряжения, сдвинутыми относительно фазного напряжения сети в противоположные стороны на угол π/24 и соответственно равными α₁=(α-π/24), β₁=(β-π/24) и α₂=(α+π/24), β₂=(β+π/24), при этом мощности первого и второго трехфазных вольтодобавочных трансформаторов и число витков их первичных обмоток уменьшены в 2cos(π/24) раза.