Способ компенсации высших гармоник и повышения качества потребляемой электроэнергии
METHOD OF COMPENSATION OF HIGHER HARMONICS AND IMPROVING THE QUALITY OF CONSUMED POWER ENERGY

Изобретение относится к электроэнергетике и электротехнике, и может быть использовано для повышения качества электрической энергии в энергетических или автономных системах электроснабжения, в частности 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 сети, для приведения в соответствие с требованиями нормативной документации величины коэффициента искажения синусоидальности и коэффициента n-й гармонической составляющей кривой тока.
Из патента Германии на изобретение № DE19738125(C2) от 25.01.2001, МПК G05F1/70; H02J3/18, патентообладатель - Сименс АГ, известен способ и устройство для компенсации возникновения искажений напряжения в линии электропередачи, 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).
Из патента РФ на изобретение № 2413350 от 27.02.2011, МПК H02J3/18, патентообладателем которого является «Санкт-Петербургский государственный горный институт имени Г.В. Плеханова», известен способ, который заключается в формировании импульсов управления силовыми ключами инвертора с использованием фазовой синхронизации напряжения и тока сети, обработке сигналов от датчиков напряжения фазовым преобразователем до фазовой синхронизации напряжения и тока, при этом выходные сигналы от датчика тока сети поступают на вход первого дополнительного фазового преобразователя, выходные сигналы которого вместе с выходными сигналами блока фазовой синхронизации поступают на вход второго дополнительного фазового преобразователя, выходные сигналы от которого вместе с выходным сигналом регулятора напряжения накопительного конденсатора и выходными сигналами блока фазовой синхронизации поступают на вход блока формирования напряжений, выходные сигналы от которого поступают на вход фазового преобразователя, выходные сигналы которого вместе с выходным сигналом регулятора напряжения накопительного конденсатора поступают на вход блока релейных регуляторов. В описанном способе, релейные регуляторы работают по принципу изменения ширины и частоты гистерезиса.
К недостаткам данного способа можно отнести то, что для релейных регуляторов с изменяемой шириной гистерезис, характерными являются ограничения частоты переключения и смещение точки переключений системы из расчетных положений, отходя от прогнозируемых оптимальных значений. Что требует введения дополнительных блоков вычисления с целью устранения данных отклонений.
Также из уровня техники известен способ повышения качества энергии с помощью активного фильтра, патент № EP2556575B1 от 18.03.2015, МПК H02J3/01 патентообладателем которого является компания Данфосс. Согласно указанному изобретению, раскрыт способ компенсации высших гармоник и повышения качества потребляемой электроэнергии, состоящий в том, что определяют первую и высшие гармоники питающей сети, выполняют расчет сигналов напряжений регулирования, формируют импульсы управления силовыми ключами инвертора активного фильтра с применением широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Сущность изобретения заключается в работе активного фильтра, состоящего из инвертора, включающего в себя ряд управляемых переключателей, указанный инвертор соединен с LCL-фильтром, являющимся частью указанного активного фильтра, а также в генерировании сигналов ШИМ для каждого из указанных управляемых переключателей, в соответствии с определенными высшими гармониками токов, которые должны подавляться в электросети, при этом частота модуляции, по крайней мере, одного сигнала управления ШИМ, изменяется непрерывно, согласно значению, по меньшей мере, одного измеренного электрического параметра. В соответствии с рассматриваемым способом, подлежат измерению ток, протекающий через LCL-фильтр, ток на выходе активного фильтра и ток сети электропитания, полученные в результате измерений данные, используются для управления инвертором ШИМ активного фильтра. Согласно рассматриваемому способу достигаются минимальные потери энергии за счет подавления саморезонанса LCL-фильтра без использования гасящего сопротивления и путем применения переменной частоты переключения в ШИМ инверторе, который функционально подключается к LCL-фильтру.
К недостаткам описанного способа можно отнести использование дополнительных измерителей тока, а также использование переменной частоты переключения силовых ключей инвертора, что может приводить к отклонениям по воздействию из-за ограничения частоты переключения.
Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является улучшение качества потребляемой электроэнергии, снижение искажений синусоидальной формы кривых тока и напряжения сети при наличии нелинейной нагрузки электроустановок промышленных предприятий и распределительных сетей напряжением 0,4 кВ, частотой 50/60 Гц.
Технический результат, достигнутый от реализации заявленного изобретения, заключается в достижении минимальных показателей искажения тока, оперативном реагировании на изменения гармонического состава тока, обеспечении наиболее эффективного помехоподавления в необходимом диапазоне частот, увеличении скорости и точности процесса расчета определения мгновенных значений канонических гармоник входного тока.
c
c
Сущность заявленного изобретения заключается в том, что измеренные в точке подключения активного фильтра и преобразованные в двухкоординатную систему α/β, сигналы фазного напряжения U пропускают через фильтр, настроенный на первую гармонику напряжения питающей сети, в тоже время, исходя из измеренных и преобразованных в двухкоординатную систему α/β сигналов фазных токов Ic сети и токов Iaf инвертора активного фильтра, формируют сигналы токов нагрузки Iн, а также сигналы токов нагрузки Iн1 по первой гармонике напряжения питающей сети, которые фильтруют с применением каскада резонансных фильтров и формируют сигналы токов высших гармоник. Основываясь на полученных и преобразованных во вращающуюся систему координат d/q сигналах токов первой и высших гармоник, реализуют расчет сигналов ошибки и вывод сигналов напряжений регулирования Udq1…Udqn, Udc_control,по каждой гармонике. Суммируют сигналы напряжений регулирования, формируют управляющий сигнал напряжения Udq_Control  исходя из которого формируют сигнал задания ШИМ путем выполнения расчета времен включения силовых ключей инвертора. При этом, исходя из сигналов фазного напряжения U, также определяют частоты питающей сети, выполняют фазовую синхронизацию и на этапе формирования сигналов токов высших гармоник, выполняют автоматическую настройку каскада фильтров высших гармоник относительно первой гармоники сети. Формирование сигналов токов высших гармоник выполняют цикличным способом, при этом вычисления на k-итерации выполняют с учетом суммы вычисленных гармоник на (k-1) итерации.
Сущность заявляемого изобретения поясняется, но не ограничивается следующими изображениями:
фиг. 1 – Структурная схема устройства компенсации высших гармоник;
фиг. 2 – Структурная схема обработки сигналов в системе управления;
фіг.3 – Осциллограмма формы тока сети от роботы нагрузки без реализации способа компенсации высших гармоник;
фіг.4 – Спектральный состав тока сети от работы нагрузки без реализации способа компенсации высших гармоник;
фіг.5 – Осциллограмма формы тока сети от работы нагрузки при реализации способа компенсации высших гармоник;
фіг.6 – Спектральный состав тока сети от роботы нагрузки, при реализации способа компенсации высших гармоник.
Исходя из вышеизложенного следует отметить, что заявляемый способ предусматривает различные варианты и альтернативные формы реализации. Конкретный вариант осуществления показан посредством схем на чертежах и в описании изобретения. Однако, изобретение не ограничивается конкретной раскрытой формой и может охватывать все возможные варианты исполнения, эквиваленты и альтернативы, в рамках существенных признаков раскрытых в формуле изобретения.
Заявляемый способ может быть реализован на базе устройства, такого как активный фильтр, включенного в сеть питания параллельно нагрузке 1 (фиг.1), характеризующегося наличием инвертора 2, батареи накопительных элементов 3, выходного пассивного Т-образного сглаживающего фильтра 4, системы управления 5 и набора измерительных элементов: измерителя напряжения 6, датчика сетевого тока 7, датчика тока инвертора активного фильтра 8.
Способ компенсации высших гармоник и повышения качества потребляемой электроэнергии, заключается в алгоритме работы активного фильтра, реализованного в системе управления.
Условно можно выделить три функциональных блока алгоритма работы активного фильтра, включающих в себя ряд внутренних блоков, отображенных на структурной схеме обработки сигналов в системе управления.
Первый функциональный блок 9 (фиг.2) определения частоты питающей сети по сигналам напряжений включает в себя блок 10, выполненный в виде фильтра, настроенного на первую гармонику напряжения питающей сети; блок 11, предназначен для вычисления угла θ поворота вектора напряжения питающей сети относительно неподвижной системы координат α/β (осуществление фазовой синхронизации) и амплитудного значения напряжения питающей сети Um.
Второй функциональный блок 12, резонансных фильтров токов нагрузки, настроенных на гармоники, которые вносят существенное влияние на искажение синусоидальности формы тока и напряжения включает в себя: блок 13, выполненный в виде фильтра, настроенного на первую гармонику частоты питающей сети и блок 14 представленный в виде фильтра, настроенного на первую гармонику частоты инвертора активного фильтра; блок суммирования «∑1» 15, формирует разностный сигнал по текущим значениям токов сети и активного фильтра (ток нагрузки Iн); блок суммирования «∑2» 16, формирует ток нагрузки Iн1 по первой гармонике напряжения питающей сети; блок 17, выполняет фильтрацию группы высших гармоник, которые вносят основной вклад в искажение формы тока и напряжения при работе нелинейной нагрузки; блок преобразования «α/β→d/q» 18, выполняет преобразование из двухкоординатной, неподвижной системы координат α/β во вращающуюся систему координат d/q (преобразование Парка).
4
dq_Control
Третий функциональный блок 19, формирования управляющих импульсов в d/q системе координат для силовых ключей с применением ШИМ, включает в себя: блок 20, в котором реализован расчет задания для ПИ-регуляторов 21 (пропорционально-интегральных регуляторов), расчет сигналов ошибки и вывод сигналов напряжений регулирования Udq1…Udqn, Udc_control,по каждой гармонике; блок суммирования «∑» 22, суммирует сигналы напряжений Udq1…Udqn регулирования по гармоникам и напряжения регулирования Udc_control на батарее накопительных элементов. На выходе формирует управляющий сигнал напряжения U; блок 23 формирования задания ШИМ, выполняет расчет времен включения силовых ключей Ta,b,c, формирование сигналов, которые поступают на драйвер управления силовыми ключами инвертора.
Описание алгоритма работы активного фильтра.
c
Измеренные в точке подключения 6 активного фильтра и преобразованные в двухкоординатную систему α/β, сигналы фазного напряжения U пропускают через фильтр 10, настроенный на первую гармонику напряжения питающей сети. После прохождения фильтра сигнал поступает на блок 11, где определяют частоты питающей сети, выполняют фазовую синхронизацию и на этапе формирования сигналов токов высших гармоник, выполняют автоматическую настройку каскада фильтров высших гармоник относительно первой гармоники сети.
Одновременно, исходя из измеренных и преобразованных в двухкоординатную α/β систему сигналов фазных токов Ic сети и токов Iaf инвертора 2 активного фильтра, выделяют две ветви формирования сигналов. В первой из указанных ветвей, в блоке суммирования «∑1» 15, формируют разностный сигнал по текущим значениям токов сети и активного фильтра (ток нагрузки Iн), во второй ветви, в блоке суммирования «∑2» 16, формируют ток нагрузки Iн1 по первой гармонике напряжения питающей сети, то есть, после пропускания сигналов через фильтры блоков 10, 13, 14.
Сформированные в блоках суммирования 15,16 сигналы токов нагрузки Iн, Iн1 поступают на вход блока 17, где формируют сигналы токов высших гармоник, которые вносят основной вклад в искажение формы тока и напряжения при работе нелинейной нагрузки. Сформированные в двухкоординатной системе координат α/β сигналы токов первой и высших гармоник I1…In, поступают в блок преобразования «α/β→d/q» 18, где выполняют преобразование из двухкоординатной неподвижной системы координат α/β во вращающуюся систему координат d/q (преобразование Парка).
Основываясь на полученных и преобразованных во вращающуюся систему координат d/q сигналах токов первой и высших гармоник Idq1…Idqn, в блоке 20 реализуют расчет сигналов ошибки для ПИ-регуляторов 21, который определяет величину недостающего сигнала напряжения для компенсации гармоник и вывод сигналов напряжения регулирования Udq1…Udqn по каждой гармонике.
В это же время сигнал напряжения на батарее накопительных элементов Udc подается на блок 24, выполненный в виде фильтра нижних частот для фильтрации сигнала напряжения батареи накопительных элементов 3. После фильтрации Udc, формируют сигнал Udc_sm, который подают на сумматор «∑3» 25, где формируют сигнал ошибки Udc_err по отношению к «заданию Udc», для ПИ-регулятора напряжения 26. На выходе ПИ-регулятора формируют сигнал напряжения регулирования Udc_control.
Полученные в результате, выполненных действий значения сигналов напряжений регулирования по гармоникам и напряжения регулирования на батарее накопительных элементов, Udq1…Udqn, Udc_control, поступают на блок суммирования «∑4» 22, где выполняют суммирование сигналов напряжений регулирования, формируют управляющий сигнал напряжения Udq_Control исходя из которого в блоке 23, формируют сигнал задания ШИМ путем выполнения расчета времен включения силовых ключей инвертора.
В основе системы управления 5 лежит алгоритм формирования сигналов токов высших гармоник, который реализован в блоке 17 и выполняется посредством использования каскада резонансных фильтров, которые настраивают на первую и высшие гармоники. Формирование сигналов токов высших гармоник выполняют цикличным способом, при этом вычисления на k-итерации выполняют с учетом суммы вычисленных гармоник на (k-1) итерации.
Где k-номер итерации (шаг цикла) (1,2..n).
Реализация описанного способа, обеспечивает достижение заявленного технического результата, позволяя минимизировать показатели искажения тока. Способствует оперативному реагировании на изменения состава гармоник тока, а также обеспечению наиболее эффективного помехоподавления в заданном диапазоне частот, с увеличенной скоростью и точностью процесса расчета.
Аппаратная реализация заявляемого изобретения выполнена с помощью существующих силовых электротехнических, электронных и микропроцессорных устройств: СУ Триол серии АК06 с АФКУ. Как пример, на фиг. 3-6 приведены осциллограммы работы устройства с реализованным способом компенсации высших гармоник. На фиг. 3 и 4 отображены форма и спектральный состав тока сети от работы нагрузки 1 (фиг.1) с явными искажениями синусоиды тока и наличием 5, 7, 11, 13 высших гармоник. При включении параллельно нагрузке устройства с реализованным способом компенсации высших гармоник, форма кривой тока (фиг. 5), приобретает форму синусоиду, а спектральный состав тока сети (фиг. 6) свидетельствует о значительном снижении уровня высших гармоник.