СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СТАТИЧЕСКИМ КОМПЕНСАТОРОМ
METHOD FOR CONTROLLING A STATIC COMPENSATOR

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в системах электроснабжения для повышения качества электроэнергии.
a
рн
Известны способы управления статическими компенсаторами, включенными параллельно с нагрузкой, при которых измеряют активный I и реактивный I токи нагрузки и регулируют ток емкостного компенсирующего устройства (Баркан Я.З. Автоматическое управление режимом батарей конденсаторов. - М., Энергия, 1978, с. 52-67; Патент РФ № 2239271, МПК H02J 3/16; H02J 3/18, Опубл. 27.10.2004; Патент РФ № 2368992, H02J 3/18; Опубл. 27.09.2009).
Известные способы предусматривают полную или частичную компенсацию реактивного тока нагрузки без учета потери напряжения в питающей сети. В результате этого напряжение на нагрузке изменяется в зависимости от потребляемых активного и реактивного токов, т.е. имеют место колебания и отклонения напряжения. Для реализации таких способов управления статическими компенсаторами требуется измерение активного и реактивного токов и выполнение математических операций по вычислению управляющего воздействия для статического компенсатора. В результате этого процесс управления происходит с задержкой, что приводит к снижению качества электроэнергии на нагрузке. Следовательно, недостатком известных способов является низкое качество электроэнергии на нагрузке.
a
рн
Известны способы управления статическими компенсаторами, включенными параллельно с нагрузкой, при которых измеряют активный I и реактивный I токи нагрузки и регулируют ток емкостного компенсирующего устройства таким образом, чтобы емкостной ток питающей сети был равен активному току нагрузки, умноженному на коэффициент, равный отношению активного сопротивления питающей сети к индуктивному сопротивлению питающей сети. В этом случае напряжение на нагрузке поддерживается приближенно равным напряжению в центре питания (А.с. СССР № 1737619, МПК H02J 3/18, Опубл. 30.05.92, Бюлл. № 20; Патент РФ № 2572807, МПК H02J 3/18, Опубл. 20.01.2016, Бюлл. № 2).
Для реализации такого способа управления статическим компенсатором требуется измерение активного и реактивного токов и выполнение математических операций по вычислению управляющего воздействия для статического компенсатора. В результате этого процесс управления происходит с задержкой, из-за которой снижается качество электроэнергии на нагрузке.
Следовательно, недостатком известных способов являются повышенная сложность технической реализации и низкое качество электроэнергии на нагрузке.
Из известных способов наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ управления статическим компенсатором, включенным параллельно с нагрузкой, при котором измеряют ток и напряжение питающей электрической сети, сдвигают по фазе сигнал, пропорциональный напряжению, и формируют из этого сигнала импульсы прямоугольной формы, умножают импульсный сигнал на сигнал, пропорциональный току, произведение интегрируют и устанавливают ток компенсатора пропорционально результату интегрирования, при этом фазовый сдвиг сигнала, пропорционального напряжению, устанавливают равным четверти периода (Авт. свид. СССР № 1721705. МПК H02J 3/18. Регулятор / С.И. Малафеев. - Опубл. 23.93.1992. Бюлл. № 11).
При реализации известных способов производится регулирование квадратурной составляющей тока питающей сети на нулевом уровне, т.е. происходит полная компенсация реактивного тока. При этом ток питающей сети содержит только активную составляющую и имеет минимальное значение. Регулирующие устройства, реализующие такой способ, отличаются высоким быстродействием. При этом потеря напряжения в питающей сети и напряжение на нагрузке не контролируется и, следовательно, не обеспечивается высокое качество электроэнергии на нагрузке.
Следовательно, недостаток известного способа - низкое качество электроэнергии на нагрузке.
Цель предлагаемого изобретения - повышение качества электроэнергии путем компенсации потери напряжения в питающей линии.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе управления статическим компенсатором, включенным параллельно с нагрузкой, при котором измеряют ток и напряжение питающей электрической сети, сдвигают по фазе сигнал, пропорциональный напряжению, и формируют из этого сигнала импульсы прямоугольной формы, умножают импульсный сигнал на сигнал, пропорциональный току, произведение интегрируют и устанавливают ток компенсатора пропорционально результату интегрирования, дополнительно выполняют измерение активного r и индуктивного x сопротивлений питающей электрической сети и устанавливают фазовый сдвиг сигнала, пропорционального напряжению, равным
По сравнению с наиболее близким аналогичным техническим решением предлагаемый способ управления статическим компенсатором содержит следующие новые операции:
- выполняют измерение активного r и индуктивного х сопротивлений питающей электрической сети;
- устанавливают фазовый сдвиг сигнала, пропорционального напряжению, равным
Следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует требованию «новизна».
По каждому из отличительных признаков проведен поиск известных технических решений в области электротехники, автоматики и электрооборудования. Операции:
- выполняют измерение активного r и индуктивного х сопротивлений питающей электрической сети;
- устанавливают фазовый сдвиг сигнала, пропорционального напряжению, равным
в известных технических решениях аналогичного назначения не обнаружены.
Таким образом, указанные признаки обеспечивают предлагаемому техническому решению соответствие требованию «существенные отличия».
При реализации предлагаемого технического решения обеспечивается повышение качество электроэнергии на нагрузке за счет компенсации потери напряжения в питающей сети при высоком быстродействии регулирования и без непосредственного измерения активного и реактивного токов. Таким образом, предлагаемое техническое решение характеризуется упрощением технической реализации и повышением качества электроэнергии.
Следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 показана упрощенная схема регулятора статического компенсатора, реализующего предлагаемый способ. На фиг. 2 показан пример реализации регулятора статического компенсатора.
На фиг. 1 обозначено: 1 - питающая линия с активным сопротивлением r и индуктивным сопротивлением х; 2 - источник питания; 3 - измерительный трансформатор напряжения; 4 - контроллер; 5 - фазосдвигающий блок; 6 - релейный элемент; 7 - датчик тока; 8 - блок перемножения; 9 - интегратор; 10 - исполнительное устройство; 11 - статический компенсатор; 12 - нагрузка.
Статический компенсатор 11 включен параллельно с нагрузкой 12, которая подключена к источнику питания 2 с помощью питающей линии 1, трансформатор напряжения 3 входом подключен к питающей линии 1 со стороны нагрузки 12, а выходом соединен с объединенными первым входом контроллера 4 и входом фазосдвигающего блока 5, управляющий вход которого через релейный элемент 6 подключен к выходу контроллера 4, а выход соединен с первым входом блока перемножения 8, второй вход которого объединен с вторым входом контроллера 4 и подключен к выходу датчика тока 7 питающей линии 1, выход блока перемножения 8 через последовательно соединенные интегратор 9 и исполнительное устройство 10 соединен с управляющим входом статического компенсатора 11.
м
Работа статического компенсатора происходит следующим образом. Напряжение на нагрузке определяется выражением u=Usinωt,
м
где U - амплитудное значение напряжения;
ω - угловая частота.
Ток i питающей сети сдвинут по фазе относительно напряжения на угол γ и определяется выражением
м
i=Isin(ωt+γ),
м
где I - амплитудное значение тока питающей сети.
Ток i питающей сети можно представить в виде суммы трех составляющих:
a
p
к
i=i+i+i,
a
а
м
м.а
где I - активная составляющая тока нагрузки, i=Icosϕsinωt=Isinωt;
р
р
м
м.рн
I - реактивная составляющая тока нагрузки, i=Isinϕcosωt=Icosωt;
к
к
м.к
i - ток статического компенсатора, i=Icosωt;
м.а
м
I=Icosϕ - амплитудное значение активной составляющей тока;
м.рн
м
I=Isinϕ - амплитудное значение реактивной составляющей тока нагрузки;
м.к
I - амплитудное значение тока статического компенсатора;
ϕ - фазовый сдвиг тока нагрузки относительно напряжения.
Выходное напряжение трансформатора 3, пропорциональное напряжению питающей сети, действует на первом входе контроллера 4 и входе фазосдвигающего блока 5, на выходе которого формируется сигнал
3
где k - коэффициент передачи трансформатора напряжения; коэффициент передачи фазосдвигающего блока принят равным 1.
Релейный элемент 6 формирует сигнал
6
e
5
u=Usgnu,
e
где U - напряжение, соответствующее уровню логической единицы.
Выходной сигнал датчика тока 7, пропорциональный току питающей сети, и выходной сигнал релейного элемента 6 действуют на входах блока перемножения 8. В результате на выходе блока перемножения 8 формируется сигнал
8
7
e
м.а
м.рн
м.к
u=kU[Isinωt+(I+I)cosωt]sgn[sin(ωt+γ)],
7
где k - коэффициент передачи датчика тока 7.
8
Среднее за период напряжения питающей сети значение сигнала u равно
a
р
где I и I - действующие значения активного и реактивного тока питающей сети.
8
На выходе интегратора 9 формируется сигнал, пропорциональный интегралу от напряжения u, т.е.
9
где k - коэффициент передачи интегратора.
Сигнал с выхода интегратора 9 действует на входе исполнительного устройства 10, которое устанавливает ток статического компенсатора 11 пропорционально этому сигналу.
к
В установившемся состоянии на выходе интегратора действует напряжение, обеспечивающее протекание тока компенсатора i, при котором среднее значение погрешности регулирования, которая формируется на выходе блока перемножения 8, стремится к 0. Напряжение на выходе интегратора 9 поддерживается постоянным в том случае, если среднее значение напряжения на его входе равно 0. Приравняв среднее значение сигнала  к нулю, получим выражение
р
Решение последнего уравнения относительно I дает выражение
Из уравнения (3) следует, что при рассмотренном способе управления статическим компенсатором в сети протекает реактивный ток, пропорциональный активному току нагрузки с коэффициентом пропорциональности, равным ctgγ. Знак «минус» в формуле (3) означает, что при положительном значении у реактивный ток емкостный, в случае рекуперации энергии нагрузкой (активный ток отрицательный) реактивный ток индуктивный.
Если выполнить условие  т.е. принять  то реактивный ток питающей сети будет пропорционален активному току нагрузки
а потеря напряжения в питающей электрической сети будет практически полностью скомпенсирована (А.с. СССР № 1737619, МПК H02J 3/18, Опубл. 30.05.92, Бюлл. № 20).
Управление фазосдвигающим блоком 5 производится контроллером 4, который по сигналам, пропорциональным току и напряжению питающей сети, вычисляет активное и индуктивное сопротивления соответственно r и х. При этом могут использоваться различные алгоритмы (Патент РФ № 2556281. МПК G01R 27/08. Способ идентификации параметров линии электропередачи, питающей экскаватор / С.И. Малафеев, Ю.В. Тихонов. - Опубл. 10.07.2015. Бюл. № 19; Хрущев Ю.В., Бацева Н.Л., Абрамочкин Л.В. Идентификация погонных параметров протяженной линии электропередачи с использованием регистраторов аварийных сигналов / Известия Томского политехнического университета. 2011, Т. 318, № 4. - С. 118-122; Файбисович В.А. Определение параметров электрических систем. - М., Энергоиздат, 1982. - С. 20-29; Балаев С.С., Способ внутрипериодного измерения комплекса параметров трехфазной сети / Электричество, 2011, № 1. - С. 26-31). Так как параметры питающей линии обычно изменяются медленно, то измерения и вычисление угла γ могут выполняться периодически или вообще однократно. Для определения γ не требуется знание абсолютных значений r и х, а необходима информация только об отношении  поэтому значение γ можно вычислить по отношению погонных активного и индуктивного сопротивлений линии.
Достоинствами предлагаемого способа управления статическим компенсатором являются:
- высокое быстродействие, обусловленное минимальным временем обработки сигналов тока и напряжения при формировании воздействия на статический компенсатор;
- простая реализация, не требующая измерения действующего значения напряжения, активного и реактивного токов, формирования задающего воздействия.
р
0
С целью подтверждения положительного эффекта, достигаемого при использовании предлагаемого способа, было выполнено моделирование регулятора тиристорно-реакторного статического компенсатора. Схема моделируемой системы для одной фазы показана на фиг. 2. На чертеже обозначено: 13 - питающая линия с активным сопротивлением r и индуктивным сопротивлением х; 14 - датчик тока; 15 - трансформатор напряжения; 16 - реактор с индуктивностью L; 17 - нагрузка; 18 - конденсаторная батарея емкостью С; 19 и 20 - встречно-параллельно включенные тиристоры; 21 - фазосдвигающий блок; 22 - релейный элемент; 23 - блок перемножения; 24 - формирователь синхронизирующих импульсов; 25 - интегратор с коэффициентом передачи k; 26 и 27 - первый и второй формирователи импульсов; 28 - источник опорного напряжения; 29 - сумматор; 30 и 31 - первый и второй пороговые элементы; 32 - блок ограничения; 33 и 34 - первый и второй интеграторы со сбросом, k - коэффициент передачи интеграторов со сбросом. Фазное напряжение питающей сети 3470 В.
Силовая часть компенсирующего устройства содержит реактор 16 с тиристорным регулятором из двух встречно-параллельно включенных тиристоров 19 и 20 и конденсаторную батарею 18. Генератор синхронизирующих импульсов 24 формирует последовательность прямоугольных импульсов, совпадающих по фазе с напряжением питающей сети. Фазосдвигающий фильтр 21 формирует гармонический сигнал, сдвинутый по фазе относительно напряжения на угол γ. На выходе релейного элемента 22 действует последовательность прямоугольных импульсов, сдвинутых по фазе относительно напряжения на угол γ. Блок перемножения 23 формирует сигнал, пропорциональный произведению выходного сигнала датчика тока 14 и выходного сигнала релейного элемента 22. Интегратор 25 формирует сигнал для устройства управления встречно-параллельными тиристорами 19 и 20. Это устройство содержит два идентичных канала, каждый из которых состоит из интегратора со сбросом (33 и 34), порогового элемента (30 и 31) и формирователя импульсов (26 и 27). Источник опорного напряжения 28 обеспечивает компенсацию зоны нечувствительности устройства формирования импульсов для тиристоров 19 и 20. Блок ограничения 32 предназначен для установления максимального значения угла включения тиристоров.
р
0
н
н
н
н
a
p
-1
Моделирование системы выполнено с помощью Simulink. Параметры системы: С=180 мкФ; L=0,08 Гн; активное сопротивление сети r=5 Ом; индуктивность сети х=10 Ом; k=10 с; U=10 В; γ=64 град. На фиг. 3 приведены диаграммы процессов для мгновенных значений тока в сети i(t) и напряжения u(t) на нагрузке и действующего значения напряжения на нагрузке U(t). Постоянно действующая нагрузка сети имеет параметры R=220 Ом; L=0,04 Гн. В интервале времени t=0,1…0,2 с включается активно-индуктивная нагрузка ΔR=110 Ом; ΔL=0,05 Гн. В интервале времени t=0,4…0,64 с происходит рекуперация энергии, амплитуда тока рекуперации равна 50A. На фиг. 4 показаны осциллограммы активного I(t) и реактивного I(t) токов питающей сети.
Приведенные осциллограммы свидетельствуют о том, что регулятор статического компенсатора обеспечивает эффективную стабилизацию напряжения на нагрузке. Время регулирования при включении и отключении нагрузки, а также при переходе в режим рекуперации энергии в сеть, не превышает 40 мс, т.е. двух периодов напряжения питающей сети. При этом при потреблении нагрузкой электроэнергии из сети ток компенсатора емкостный, при рекуперации ток компенсатора индуктивный.
Следовательно, использование в способе управления статическим компенсатором, включенным параллельно с нагрузкой, при котором измеряют ток и напряжение питающей электрической сети, сдвигают по фазе сигнал, пропорциональный напряжению, и формируют из этого сигнала импульсы прямоугольной формы, умножают импульсный сигнал на сигнал, пропорциональный току, произведение интегрируют и устанавливают ток компенсатора пропорционально результату интегрирования, дополнительно измерения активного r и индуктивного х сопротивлений питающей электрической сети и установления фазового сдвига сигнала, пропорционального напряжению, равным
обеспечивает упрощение технической реализации и повышение качества электроэнергии.
Использование предлагаемого способа в электрических сетях промышленных предприятий будет способствовать повышению качества электроэнергии и надежности работы электрооборудования.