УСТРОЙСТВО КОМПЕНСАЦИИ ИЗМЕНЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ И РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ

Известен способ управления компенсатором отклонения напряжения и реактивной мощности Патент РФ215/2157041 от 27.09.2000.
Указанный способ управления компенсатором отклонений напряжения и реактивной мощности, реализован на схеме содержащей трехфазный вольтодобавочный трансформатор с первичной обмоткой, включенной между сетью и нагрузкой, и с вторичной обмоткой, соединенной в звезду и через трехфазный инвертор напряжения, фильтр и реверсивный выпрямитель подключенной к сети или нагрузке, заключающийся в том, что измеряют отклонения напряжения на нагрузке и из него формируют управляющий сигнал, которым, воздействуя на трехфазный инвертор напряжения, изменяют фазу напряжения вольтодобавки.
Недостатком устройства является невозможность поддержания напряжения в нагрузке при пропадании напряжения в сети, ограниченный диапазон компенсации реактивной мощности, низкое быстродействие, высокие гармонические искажения, вследствие работы тиристоров.
Известен трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности (Патент на ИЗ РФ №/2158953от 10.11.2000 H02J3/00),
Компенсатор содержит датчик реактивной мощности сети и датчик отклонения напряжения нагрузки, первый и второй трехфазные инверторы напряжения с индивидуальными для них системами управления, первый и второй трехфазные вольтодобавочные трансформаторы, первичные обмотки которых соединены последовательно и включены в цепь нагрузки, а их вторичные обмотки соответственно подключены к выходам первого и второго трехфазных инверторов напряжения, при этом входы первого и второго трехфазного инверторов напряжения объединены и через трехфазный рекуперативный выпрямитель подключены к нагрузке, в состав трехфазного рекуперативного выпрямителя входит вентильный блок с системой управления, трехфазный автомат и выходной индуктивно-емкостный фильтр, а управляющий вход системы управления первым трехфазным инвертором напряжения подключен к выходу датчика реактивной мощности сети.
Недостатком устройства является невозможность поддержания напряжения в нагрузке при пропадании напряжения в сети, ограниченный диапазон компенсации реактивной мощности, низкое быстродействие, высокие гармонические искажения, вследствие работы тиристоров, наличие более двух электронных силовых блоков соизмеримой мощности, наличие двух вольтодобавочных трансформаторов.
Известно устройство регулирования отклонений напряжения и реактивной мощности электрической сети (патент RU №2453021 от 10.06.2012,), принятое за прототип, которое обеспечивает повышении коэффициента мощности сети в соответствии с уровнем напряжения, величины и длительности отклонения напряжения в сети переменного тока нормам российских и международных стандартов в области качества электрической энергии.
Компенсатор характеризуется наличием:
- трансформатора с устройством регулирования напряжения под нагрузкой;
- основного инвертора,
- вентильный блок с прямым тиристорным и обратным диодным мостами в составе основного инвертора;
- входной фильтр с датчиком направления тока в составе основного инвертора;
- система регулирования фазы выходного напряжения основного инвертора относительно напряжения сети, которая синхронизированной и сфазированной с сетью;
- система управления выпрямителя, синхронизированной с частотой сети и сфазированной с напряжением нагрузки;
- ведомая сеть инвертора, синхронизированная с частотой сети и сфазированной с напряжением сети системы управления ведомого сетью инвертора;
- узел раздельного управления выпрямителем и ведомым сетью инвертором;
- датчики отклонения напряжения нагрузки;
- датчики реактивной мощности сети;
- блок автоматического управления устройством регулирования напряжения под нагрузкой трансформатора, синхронизированной и сфазированной с нагрузкой системы регулирования фазы выходного напряжения основного инвертора относительно напряжения нагрузки;
- датчик отклонения напряжения сети и блока синхронизации.
Недостатком прототипа является невозможность поддержания напряжения в нагрузке при пропадании напряжения в сети, ограниченный диапазон компенсации реактивной мощности, низкое быстродействие, высокие гармонические искажения, вследствие работы тиристоров, наличие более двух электронных силовых блоков соизмеримой мощности, сложной конструкции трансформатора.
Технической проблемой является разработка устройства, которое позволяет стабилизировать амплитуду напряжения и компенсировать реактивную мощность, потребляемую нагрузкой, в электрических сетях промышленных предприятий, для которых характерны провалы и всплески напряжения различной амплитуды, в результате прямого пуска мощных электродвигателей, кратковременные нарушения электроснабжения, вызванные внешними короткими замыканиями, несанкционированными отключениями, коммутациями в сети.
Технический результат заключается в стабилизации уровня напряжения сети переменного тока в нагрузке, в том числе при пропадании входного напряжения.
Разработанное устройство обеспечивает компенсацию в широких пределах реактивной мощности потребляемой нагрузкой, обеспечивает уменьшение уровня гармонических искажений, при этом входное и выходное и напряжение, соответствует нормам российских и международных стандартов в области качества электрической энергии.
Техническая проблема решается и технический результат достигается тем, что устройство компенсации изменений напряжения и реактивной мощности электрической сети, достигается за счет использования быстродействующего выключателя, вольтодобавочного трансформатора, первого инвертора с широтно-импульсной модуляцией с выходным LC фильтром, системы регулирования амплитуды выходного напряжения и регулирования фазы инвертора относительно напряжения сети, блока вычисления реактивной составляющей тока сети, устройства накопления электроэнергии в виде блока суперконденсаторов, датчика напряжения звена постоянного тока, датчика тока звена постоянного тока, двухрежимной системой управления вторым инвертором, второго инвертора с широтно-импульсной модуляцией с выходным LC фильтром.
Устройство компенсации включает вольтодобавочный трансформатор 3, первичная обмотка которого включена между сетью и нагрузкой, одна сторона первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора соединена с электрической сетью через быстродействующий выключатель 1. К вторичной обмотке вольтодобавочного трансформатора, через LC- фильтр 5 подключен первый инвертор на IGBT транзисторах с ШИМ (широтно-импульсная модуляция) системой управления 6, второй инвертер на IGBT транзисторах с ШИМ системой управления 12 подключен между вольтодобавочным трансформатором и нагрузкой через LC- фильтр 11. Цепь постоянного тока включат в себя: первый инвертор на IGBT транзисторах с ШИМ системой управления 6, второй инвертер на IGBT транзисторах с ШИМ системой управления 12, блок суперконденсаторов 7 для накопления энергии, а так же датчик напряжения звена постоянного тока 8 и датчик тока звена постоянного тока 9.Двухрежимная система управления инвертером 10 получает информацию о состоянии системы с датчика напряжения звена постоянного тока 8 и датчика тока звена постоянного тока 9, с датчика напряжения нагрузки 13 через блок вычисления отклонения амплитуды и частоты напряжения в нагрузке 14, который отвечает за стабилизацию выходного напряжения. Компенсация реактивной мощности и синхронизация с сетью осуществляется с помощью: блока вычисления реактивной составляющей тока электрической сети 4 и блока определения уровня падения напряжения и синхронизации с частотой и фазой напряжения сети 2. Эти блоки так же подключены к двухрежимной системе управления инвертером 10.
На фиг. 1 представлена структурная схема разработанного устройства компенсации изменений напряжения и реактивной мощности электрической сети, где 1 - быстродействующий выключатель; 2 - блок определения уровня падения напряжения и синхронизации с частотой и фазой напряжения сети; 3 - вольтодобавочный трансформатор; 4 - блок вычисления реактивной составляющей тока электрической сети; 5 - LC фильтр первого инвертора; 6 - первый инвертор на IGBT транзисторах с ШИМ системой управления; 7 – блок суперконденсаторов; 8 - датчик напряжения звена постоянного тока; 9 - датчик тока звена постоянного тока; 10 - двухрежимная система управления вторым инвертором; 11 - LC фильтр второго инвертора; 12 - второй инвертор на IGBT транзисторах с ШИМ системой управления; 13 - датчики напряжения нагрузки; 14 - блок вычисления отклонения амплитуды и частоты напряжения в нагрузке.
Устройство компенсации изменений напряжения и реактивной мощности электрической сети работает следующим образом.
К сети переменного тока через быстродействующий выключатель 1 подключен вольтодобавочный трансформатор 3. Первичная обмотка которого включена между сетью и нагрузкой. К вторичной обмотке вольтодобавочного трансформатора 3, через LC- фильтр 5 подключен первый инвертор на IGBT транзисторах с ШИМ системой управления 6. От уровня выходного напряжения инвертора зависит напряжение вольтодобавки первичной обмотки, которая может быть положительной, при провалах напряжения или отрицательной, при всплесках напряжения. На управляющий вход инвертора 6 поступают желаемые сигналы задания по трехфазным напряжениям, которые формируются, на основании данных датчиков напряжения нагрузки 13, блоком вычисления отклонения амплитуды напряжения в нагрузке 14, тем самым стабилизируя выходное напряжение по амплитуде и частоте, при этом амплитуда входной сети может превышать номинальное значение на 30% и иметь провалы до 50% от номинального значения. К сети нагрузки подключен через LC- фильтр 11 второй инвертор на IGBT транзисторах с ШИМ системой управления 12. На управляющий вход инвертора 12 поступают желаемые сигналы задания по трехфазным напряжениям, которые формируются системой управления 10. Двухрежимная система управления вторым инвертором 10 работает в двух режимах.
Первый режим соответствует активному выпрямителю, при этом провалы входного сетевого напряжения не должны превышать 50%. Через активный выпрямитель заряжается блок суперконденсаторов 7, для этого служит уставка по максимальному напряжению - Uзадан. блока суперконденсаторов и уставка по допустимому максимальному току заряда - Iзадан., заданные значения сравниваются с измеренными значениями звена постоянного тока, датчиком напряжения 8 и датчиком тока 9. В этом режиме осуществляется компенсация реактивной мощности, потребляемой нагрузкой, путем сравнения значения сигнала с блока вычисления реактивной составляющей тока электрической сети 4 с нулем. Режим компенсации реактивной энергии сохраняется и при полностью заряженном накопителе электрической энергии. Синхронизация с сетью осуществляется с помощью блока определения уровня падения напряжения и синхронизации с частотой и фазой напряжения сети 2.
Второй режим системы управления 10 устанавливается при провале входного напряжения более 50% от номинального значения или пропадания напряжения сети, о чем указывает сигнал с блока 2, при этом размыкается - быстродействующий выключатель 1. В этом режиме второй инвертор на IGBT транзисторах с ШИМ 12 генерирует в нагрузку трехфазное напряжение, стабилизированное по амплитуде, при этом используется энергия запасенная в суперконденсаторах 7. Время автономной работы системы выбрано не менее 2 с. Как показала практика, за это время, как правило, происходит восстановление питания в сети. После восстановления напряжения система управления 10 переходит в первый режим. Переход из одного режима в другой происходит за время не более половины периода переменного напряжения без провалов напряжения в нагрузке.
Предлагаемое устройство может быть реализовано с помощью микропроцессорных устройств, силовых элементов и электронных блоков широко применяющихся в электронной и электротехнической промышленности.