Способ адаптивной компенсации высших гармоник в электрической сети переменного напряжения

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для компенсации высших гармоник сетевого напряжения с помощью активного фильтра, подсоединенного к шинам низкого напряжения электрической подстанции, питающей мощные нелинейные нагрузки (например, тяговые подстанции), которые искажают форму сетевого напряжения и, тем самым, снижают качество электроэнергии. Технический результат изобретения - повышение устойчивости работы подсоединенного к электрической сети активного фильтра компенсации высших гармоник и соответствующее повышение качества электроэнергии. Измеряют мгновенные значения напряжения сети, тока активного фильтра и тока в контролируемом присоединении. Выделяют высшие гармоники измеренных токов. Вычисляют вектор тока уставки в системе dq-координат для каждой выделенной гармоники. Преобразуют вычисленные векторы в мгновенные значения тока. Формируют ток суммарной уставки активного фильтра. Формируют управляющие воздействия на активный фильтр, основанные на рассогласовании его тока и тока суммарной уставки. При этом вектор тока уставки каждой гармоники перед преобразованием в мгновенные значения тока поворачивают на фазовый угол между производными векторов соответствующей гармоники измеренных токов. 2 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к электоэнергетике и может быть использовано для компенсации высших гармоник сетевого напряжения с помощью активного фильтра, подключенного к шинам низкого напряжения электрической подстанции, питающей мощные нелинейные нагрузки (например, тяговые подстанции), которые искажают форму сетевого напряжения и, тем самым, снижают качество электроэнергии.

Уровень техники

Известны способы компенсации высших гармоник тока в электрической сети переменного напряжения с помощью активного фильтра, подсоединенного к шинам низкого напряжения электрической подстанции, питающей искажающую нелинейную нагрузку, при которых управляющие воздействия на активный фильтр вырабатывают, используя измеренные мгновенные значения тока активного фильтра и одного из двух токов: либо тока i_н нагрузки [1], либо суммарного тока (i_н+i_ф) нагрузки и активного фильтра [2]. Из измеренных величин выделяют высшие гармоники, для компенсации которых формируют соответствующие управляющие воздействия на активный фильтр. В сетях сложной конфигурации гармоники суммарного тока, выделяют из тока, измеряемого в выбранном контролируемом присоединении, через которое протекает, по меньшей мере, часть указанного суммарного тока тока i_н+i_ф. Применяемые в известных способах методы цифровой обработки измеренных мгновенных значений указанных токов для формирования управляющих воздействий на активный фильтр, компенсирующий гармоники, описаны, например, в [3] и [4].

Известный способ компенсации высших гармоник, рассматриваемый в качестве прототипа, включает измерение мгновенных значений напряжения сети, тока активного фильтра и тока в контролируемом присоединении, выделение высших гармоник измеренных токов, вычисление вектора уставки в системе dq-координат для каждой выделенной гармоники, преобразование вычисленных векторов в мгновенные значения тока, формирование тока суммарной уставки активного фильтра и формирование управляющих воздействий на активный фильтр, основанных на рассогласовании его тока и тока суммарной уставки [4].

Как показано в [5], недостатком прототипа является возможность неустойчивого режима регулирования активного фильтра в случае изменения конфигурации сети (например, с кольцевой на радиальную и обратно), сопровождающегося значительными изменениями фазового угла между напряжением сети и током в присоединении, контролируемом для компенсации высших гармоник.

Задача изобретения - устранение вышеуказанного недостатка.

Сущность изобретения

Технический результат изобретения - повышение устойчивости работы подсоединенного к электрической сети активного фильтра компенсации высших гармоник и соответствующее повышение качества электроэнергии.

Предметом изобретения является способ компенсации высших гармоник в электрической сети переменного напряжения с помощью подсоединенного к сети активного фильтра, включающий измерение мгновенных значений напряжения сети, тока активного фильтра и тока в контролируемом присоединении, выделение высших гармоник измеренных токов, вычисление вектора тока уставки в системе dq-координат для каждой выделенной гармоники, преобразование вычисленных векторов в мгновенные значения тока, формирование тока суммарной уставки активного фильтра и формирование управляющих воздействий на активный фильтр, основанных на рассогласовании его тока и тока суммарной уставки, отличающийся тем, что вектор тока уставки каждой гармоники перед преобразованием в мгновенные значения тока поворачивают на фазовый угол между производными векторов соответствующей гармоники измеренных токов.

Краткое описание фигур

На фиг. 1 приведена функциональная схема, иллюстрирующая осуществление предлагаемого способа.

Фиг. 2 иллюстрирует пример подключения к электрической сети активного фильтра, компенсирующего высшие гармоники в соответствии с заявляемым способом.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 показаны:

1 - силовая часть активного фильтра, представляющая собой преобразователь напряжения, работающий в режиме управляемого источника тока;

2 - программируемая система управления активным фильтром, на вход которой поступают мгновенные значения измеряемых величин: сетевого напряжения u_c, тока активного фильтра i_ф и тока контролируемого присоединения i_Σ, через которое протекает, по меньшей мере, часть суммарного тока нагрузки и активного фильтра,

В составе программируемой системы 2 условно показаны следующие функциональные блоки:

3 - блок фазовой автоподстройки частоты, определяющий опорное значение фазы ψ сетевого напряжения u_c;

4, 5 - блоки выделения k-ой гармоники из мгновенных значений токов i_ф, i_Σ, и преобразования выделенной гармоники в соответствующие векторные значения I_ф и I_Σ в системе dq-координат, вращающейся на комплексной плоскости в k раз быстрее 1-ой гармоники сетевого напряжения (прямое преобразование Парка);

6 - блок, вычисляющий производные векторов I_ф и I_Σ по времени и определяющий фазовый угол ϕ между вычисленными производными;

7 - блок вычисления вектора тока уставки I_y(ϕ), зависящего от угла ϕ;

8 - блок преобразования вектора I_y(ϕ) в мгновенные значения тока i_y, выполняющий обратное преобразование Парка;

9 - блок получения тока суммарной уставки активного фильтра по компенсируемым гармоникам и формирования управляющих воздействий на силовую часть 1 активного фильтра.

Обозначения i_Σ и I_Σ, приведенные выше, относятся к высшим гармоникам, выделенным как из суммарного тока искажающей нагрузки и активного фильтра, так и из части этого тока, протекающей в контролируемом присоединении.

Функциональные блоки 4-8, показанные на фиг. 1 в составе системы 2, иллюстрируют процесс выделения и цифровой обработки k-ой высшей гармоники (где k - нечетное целое), выполняемый программируемой системой 2 в соответствии с заявляемым способом на основе измерения мгновенных значений токов i_ф, i_Σ,. и сетевого напряжения u_c. Другие высшие гармоники измеряемых величин, контролируемые при осуществлении способа, обрабатываются аналогично. Количество контролируемых высших гармоник определяют, исходя из возможностей используемых средств цифровой обработки и технической целесообразности. Обычно достаточно контролировать 5-10 высших гармоник.

На фиг. 2 дополнительно обозначено:

10 - шины 220 кВ, 11 - силовой автотрансформатор, 12 - шины 110 кВ, 13 - искажающая нагрузка, например, тяговая подстанция, 14 - шины 10 кВ, 15 - измерительные трансформаторы тока, 16 - датчик тока фильтра, 17 -измерительный трансформатор напряжения.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом (фиг. 1).

Измеренные мгновенные значения напряжения сети u_c, тока i_ф и тока i_Σ поступают на соответствующие входы системы 2. Блоки 4 и 5 обрабатывают измеренные мгновенные значения токов для выделения из них высших гармоник. Кроме того, блоки 4 и 5, используя полученное в блоке 3 значение фазы ψ, выполняют прямое преобразование Парка, формируя «d» и «q»-компоненты векторных значений токов I_ф и I_Σ.

В блоке 6, рассчитывают производные векторов I_ф и I_Σ по времени и фазовый угол ϕ между ними.

В блоке 7 вычисляют в системе координат Парка вектор тока уставки, пропорциональной интегралу по времени от вектора тока I_Σ, а затем поворачивают вычисленный вектор на угол ϕ, в соответствии с выражением:

где А^-1 (ϕ, k) - матрица поворота вектора на угол ϕ, Т_и - постоянная времени интегрального регулятора, используемого в блоке 9 для формирования управляющих воздействий, k - номер гармоники.

Полученный в блоке 7 адаптивный вектор тока уставки I_y(ϕ), подвергается в блоке 8 обратному преобразованию Парка с использованием значения фазы ψ.

Блок 9 выполняет суммирование тока уставки i_y, полученного в блоке 8, с токами уставок других выделенных гармоник, полученными в результате аналогичной цифровой обработки, и формирует известным методом [4] управляющие воздействия на силовую часть 1 активного фильтра на основе рассогласования тока I_ф и тока суммарной уставки.

Предлагаемый способ обладает способностью адаптации и, следовательно, повышенной устойчивостью к изменениям конфигурации электрической сети, благодаря тому, что вектор тока уставки каждой гармоники перед преобразованием в мгновенные значения тока (обратное преобразование Парка) поворачивают на фазовый угол ϕ между производными векторов I_ф и I_Σ соответствующей гармоники измеренных токов.

Эффективность описанного способа в отношении компенсации высших гармоник и в отношении обеспечения устойчивой работы при изменениях конфигурации электрической сети (в том числе с переходами от кольцевой конфигурации сети к радиальной и обратно) подтверждена расчетами и экспериментами на математических моделях [5].

Источники информации

1. Патент РФ №2619919, опубл. 19.05.2017.

2. Патент РФ №2446536, опубл. 27.03.2012.

3. Yousefi, S. Harmonic Elimination of 25 kV AC Electric Railways Utilizing a New Hybrid Filter Structure [Text] / S. Yousefi, M. M. Hosseini Biyouki, A. Zaboli et al. // AUT Journal of Electrical Engineering 2017. - vol. 49. - issue 2. -pp. 3-10. - (DOI: 10.22060/eej.2016.811).

4. Akagi, H. Instantaneous Power Theory and Applications to Power Conditioning / H. Akagi, E. H. Watanabe, et al. // Wiley-IEEE Press. - 1st edition. - March 9, 2007. - 379 p.

5. H.A. Алексеев, A.M. Матинян, A.H. Киселев. Особенности работы поперечно-подключаемого высоковольтного активного фильтра в электрической сети высокого напряжения // Электрические станции. - 2020. - №8. - с. 24-32. - (DOI: 10.34831/ЕР.2020.1069.8.005).

Способ компенсации высших гармоник в электрической сети переменного напряжения с помощью подсоединенного к сети активного фильтра, включающий измерение мгновенных значений напряжения сети, тока активного фильтра и тока в контролируемом присоединении, выделение высших гармоник измеренных токов, вычисление вектора тока уставки в системе dq-координат для каждой выделенной гармоники, преобразование вычисленных векторов в мгновенные значения тока, формирование тока суммарной уставки активного фильтра и формирование управляющих воздействий на активный фильтр, основанных на рассогласовании его тока и тока суммарной уставки, отличающийся тем, что вектор тока уставки каждой гармоники перед преобразованием в мгновенные значения тока поворачивают на фазовый угол между производными векторов соответствующей гармоники измеренных токов.