Трехфазный силовой фильтр высших гармоник тока

Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в трехфазных системах электроснабжения с наличием нелинейной нагрузки, генерирующей высшие гармоники тока, в устройствах компенсации гармонических составляющих токов нелинейной нагрузки.
Известен активный силовой фильтр (патент США № US 2008/0219035 A1 H02M 1/14 (2006.01), дата подачи заявки 28.08.2007), содержащий трехфазный инвертор с дополнительной транзисторной стойкой и конденсаторным накопителем в звене постоянного тока, подключенный к трехфазной четырехпроводной сети переменного тока через трехфазный LCL фильтр. Для реализации заданного алгоритма управления схема снабжена датчиками сетевого напряжения, датчиками тока нагрузки переменного тока, датчиком напряжения. Алгоритм управления формирует в выходных дросселях LCL фильтра ток, равный обратному току высших гармоник тока нелинейной нагрузки, и поддерживает заданное напряжение на конденсаторе в звене постоянного тока посредством управления силовыми транзисторами инвертора, чем улучшает гармонический состав тока, потребляемого от общей сети переменного тока, и позволяет осуществить компенсацию реактивной мощности, потребляемой нагрузкой.
Недостатком такого фильтра является требования к наличию датчиков сетевого напряжения, информация с которого используется для синхронизации работы контура регулирования с сетью и для расчета реактивной мощности, потребляемой нагрузкой переменного тока на основной гармонике. Требования к наличию датчиков увеличивает число используемых аналого-цифровых преобразований в структуре программного обеспечения или каналов преобразования электрического напряжения в структуре системы управления, что требует наличие гальванически развязанных каналов измерения, что усложняет физическую реализацию устройства. Также к недостаткам системы относится сложный LCL фильтр на выходе преобразователя, обладающий сложными динамическими свойствами и требует наличия демпфера, что снижает общий коэффициент полезного действия преобразователя и усложняет структуру. Для безаварийной работы преобразователя с таким LCL фильтром необходимо отслеживать ток в обоих дросселях фильтра.
Известно устройство компенсации высших гармоник и коррекции коэффициента мощности (патент RU 2446536 C1 МПК H02J 3/00 (2006.01) C1, дата подачи заявки 30.11.2010), содержащий трехфазный инвертор напряжения с подключенным в звено постоянного тока накопительным конденсатором и LC фильтр на стороне переменного тока, также снабженный устройством управления силовыми ключами. Подключение силового преобразователя осуществляется параллельно нагрузке переменного тока через датчики выходного тока активного фильтра, устанавливаемые последовательно с фильтром и сам фильтр. Для управления преобразователем напряжения (выработки сигналов управления силовыми транзисторами) устройство снабжается дополнительно датчиками сетевого напряжения, датчиками сетевого тока и датчиком напряжения накопительного конденсатора. Управление силовыми транзисторами активного силового фильтра осуществляется на основе обработки информации с датчиков напряжения и тока и последующего фазового преобразования полученных сигналов с помощью блоков фазового преобразования и фазовой синхронизации. После фазовых преобразований преобразованные сигналы умножаются на сигнал задания по току от регулятора напряжения накопительного конденсатора в звене постоянного тока и результирующие сигналы подаются в блок обратного фазового преобразования сигнала, формируя сигналы задания на выходной ток активного силового фильтра, после чего они попадают в блок формирователя импульсов. Выработка фактических сигналов управления силовыми ключами активного силового фильтра осуществляется релейным способом в блоке формирователя импульсов.
Недостатками устройства является требование к наличию датчиков сетевого напряжения, что, как и в предыдущем случае, увеличивает число необходимых преобразователей электрической величины (трехфазного напряжения сети) и наличия гальванической развязки между измеренными сигналами напряжения и фактическим напряжением сети, а также использование фазовых преобразований, которые по своей сути являются координатными преобразователями, что в случае трехфазной сети с выраженной несимметрией приведут к увеличенному числу математических операций, так как помимо компонент, обозначенных α и β в сетях с выраженной несимметрией, присутствует значительная нулевая компонента, не учитываемая в аналоге. Также стоит отметить, что использование модулятора гистерезисного типа не позволяет напрямую выделить основную компоненту напряжения, формируемого инвертором, без использования дополнительных устройств, так как формирование управляющего сигнала осуществляется непосредственно по току и присущая такому типу модуляторов переменная частота формирования сигналов управления силовыми ключами, приводит к искажению спектра высших гармоник выходного тока активного фильтра и напряжения на выходном конденсаторе LC фильтра.
Известно устройство подавления высших гармоник тока (патент на полезную модель RU 184273 U1, H02J 3/00 (2006.01); H02J 3/01 (2006.01), дата подачи заявки 08.06.2018), состоящий из трехфазного инвертора напряжения с накопительным конденсатором в звене постоянного тока, подключенного к сети переменного тока через сетевые дроссели, датчики выходного напряжения инвертора и выходной пассивный фильтр. Для осуществления компенсации высших гармоник тока устройство оснащается дополнительно датчиками напряжения сети, фильтром выделения первой гармонической составляющей, контроллером системы управления, формирователем импульсов и регулятором напряжения накопительного конденсатора. Подавление высших гармоник тока сети осуществляется с помощью поэтапного расчета тока дросселя исходя из анализа информации исходящей от датчиков сетевого напряжения и выходного напряжения инвертора. Расчетный ток дросселя в такой системе является частным от деления разницы напряжения сети и выходного напряжения инвертора и полного сопротивления дросселя. Система также осуществляет контроль напряжения на накопительном конденсаторе, включенном в звено постоянного тока.
Недостатком такой системы является требование к наличию датчиков сетевого напряжения, что влечет за собой необходимость построения канала измерения этой величины с гальванической развязкой между измеренным сигналом и действительным сетевым напряжением, также дискретная реализация такого алгоритма, с присущими такому способу задержками, не позволит обеспечить максимальное быстродействие для отработки защиты системы от превышения тока, так как процессы нарастания тока могут происходить гораздо быстрее, чем такт расчета нового значения тока, что в конечном итоге снижает надежность системы. Использование фильтра выделения первой гармонической составляющей сопряжено с наличием переходного процесса при изменении входного сигнала. Это выражается в том, что сигнал на выходе устройства будет не в полной мере соответствовать реальному значению сетевого напряжения, что приведет к ошибке в расчете тока сетевого дросселя.
Известен силовой активный фильтр (полезная модель RU 131916 U1, H02J 3/16, H02J 3/18, H02J 3/26, дата подачи заявки 26.03.2013), принятый за прототип, построенный по принципу параллельного подключения трехфазного инвертора напряжения с дополнительной транзисторной стойкой и накопительным конденсатором в звене постоянного тока через трехфазный дроссель и датчики напряжения тока дросселя к трехфазной четырехпроводной сети переменного тока. Также в устройстве присутствуют датчики тока трехфазной нагрузки и датчики напряжения сети. Для управления таким активным фильтром используются координатные преобразования Парка-Горева (abc - dq0). Измеренные токи нагрузки и токи выходного дросселя преобразуются в блоках координатных преобразований и подаются на ПИ-регулятор вместе с сигналом от регулятора напряжения накопительного конденсатора звена постоянного тока, чем достигается регулирование выходных токов активного фильтра и напряжения конденсатора. Синхронизация с питающей сетью осуществляется посредством ФАПЧ.
Недостатками устройства, принятого за прототип, является использование координатных преобразований, так как в системе с наличием значительной несимметрии фазных токов координатные преобразования не позволяют обеспечить снижение регулируемых параметров в системе, так как нет возможность пренебречь проекцией на нулевую ось, но требуют времени на исполнение, а использование ПИ-регулятора позволяет достичь астатизма только на основной гармонической составляющей спектра токов, равной частоте питающей сети, однако спектр токов нагрузки имеет полигармонический характер. Недостатком системы также является наличие датчиков сетевого напряжения, что увеличивает количество измеряемых сигналов и усложняет аппаратуру.
Задачей (техническим результатом) полезной модели является снижение уровня высших гармонических составляющих тока, потребляемого из сети переменного тока нелинейной нагрузкой, снижении числа аппаратных средств, требуемых для построения активного силового фильтра, и количества измеряемых параметров системы.
Предлагаемое устройство может быть использовано для снижения влияния высших гармонических составляющих тока в сетях переменного тока с выраженной нелинейной нагрузкой, например, на предприятиях, использующих выпрямительное оборудование.
Поставленная задача (технический результат) достигается тем, что в состав известного устройства, принятого за прототип, содержащего трехфазный мостовой инвертор напряжения на полностью управляемых полупроводниковых ключевых элементах со встречными параллельными диодами, соединенного выходами с сетью через фазные реакторы, емкостного накопителя на стороне постоянного тока, системы управления, реализованной на микропроцессоре, с дополнительным полумостовым инвертором на полностью управляемых полупроводниковых ключевых элементах со встречно-параллельными диодами, подключенного к нейтральному проводу включены: блок выработки сигналов синхронизации, подключенный к выходам трехканального регулятора тока, к выходу фильтра комбинационных гармоник тока фазных реакторов и к выходу датчика напряжения накопительного конденсатора, а также введены блоки синхронизации сигнала задания от контура регулирования напряжения конденсатора с сетью, входы которых соединены с блоком выработки синхронизирующих сигналов и с выходом регулятора напряжения через блок ограничителя, а выходы подключены ко входу регулятора тока.
На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг. 2 представлены графики токов и их спектры при работе устройства.
Предлагаемое устройство (фиг. 1) состоит из: 1 - трехфазного инвертора напряжения с дополнительной четвертой транзисторной стойкой, 2 - накопительного конденсатора в звене постоянного тока, 3 - выходного дросселя (реактора), 4 - датчиков токов дросселей, 5 - датчиков фазных токов нелинейной нагрузки переменного тока, 6 - датчиков напряжения накопительного конденсатора, 7 - регулятора напряжения накопительного конденсатора, 8 - блока задатчика уровня постоянного напряжения на конденсаторе, 9 - фильтра сигнала с датчиков фазных токов нелинейной нагрузки, 10 - блока выработки синхронизирующих сигналов (БВСС), 11 - фильтра комбинационных гармоник тока фазных реакторов, 12 - ограничителя тока задания от контура регулирования напряжения на конденсаторе, 13-15 - блоков синхронизации сигнала задания от контура регулирования напряжения конденсатора с сетью, 16 - трехканального регулятора выходного тока активного силового фильтра, 17 - блока выделения сигнала нулевой последовательности, 18-21 - устройств выработки сигналов управления транзисторами по принципу ШИМ, 22 - генератора опорного сигнала. На фиг. 1 нелинейная нагрузка обозначена цифрой 23, она не входит в состав устройства и подключается непосредственно к сети переменного тока через малое сопротивление датчиков тока нагрузки.
В отличие от прототипа, в трехфазном силовом фильтре высших гармоник тока исключены датчики сетевого напряжения, блок фазовой автоподстройки частоты и блоки координатных преобразований Парка-Горева, стабилизация напряжения на накопительном конденсаторе, подключенного на стороне постоянного тока, осуществляется путем выработки синхронизирующих сигналов в БВСС и последующего умножения сигнала задания с регулятора напряжения на выработанные этим блоком сигналы в блоках синхронизации сигнала задания от контура регулирования напряжения конденсатора с сетью, также фильтрация высших гармоник тока нагрузки осуществляется напрямую в фазных координатах посредством фильтра сигнала с датчиков фазных токов нелинейной нагрузки и прямого управления токами фазных реакторов, без выполнения координатных преобразований Парка-Горева.
c1(з)
н(a,b,c)
н(a,b,c)
вг(a,b,c)
д(a,b,c)
ф(a,b,c)
к
c(a)
c(b)
c(с)
Устройство работает следующим образом. Сигнал с датчика напряжения накопительного конденсатора 6 поступает в блок ПИ-регулятора напряжения 7, где сравнивается с сигналом задания на уровень напряжения, вырабатываемым блоком задания на напряжение 8, и вырабатывается первичный сигнал задания на токи дросселей 3, необходимый для стабилизации напряжения конденсатора i, далее он поступает на блок ограничителя 12, где, если он превышает заданное максимальное значение, ограничивается на максимальном допустимом уровне, задающимся в блоке, и формируется действительный сигнал задания на токи дросселей 3, необходимый для стабилизации напряжения на конденсаторе 2. Далее, на том же такте работы устройства трехфазный сигнал токов нелинейной нагрузки i с датчиков 5 i поступает в блок выделения высших гармонических составляющих 9, который представляет собой полосовой фильтр, удаляющий из сигнала гармоническую составляющую тока основной частоты, которая определяется частотой сетевого напряжения, на выходе блока 9 формируются сигналы задания на токи дросселя 3 i, необходимый для компенсации высших гармонических составляющих тока нелинейной нагрузки 23. После чего на текущем такте работы устройства осуществляется выработка сигналов синхронизации контура регулировки напряжения конденсатора 2 с сетью переменного тока посредством БВСС 10. На вход блока 11 поступают измеренные сигналы токов выходных дросселей 3 (с блока датчиков тока 4) i, где осуществляется фильтрация высших гармоник тока дросселя 3 посредством фильтра нижних частот, затем сигнал с фильтра 11 i и измеренный сигнал напряжения на конденсаторе u с блока 6, а также сигналы с выхода контура регулирования токов выходных дросселей 16, который представляет собой модулирующий сигнал для блоков ШИМ 18-21 подаются в блок 10. В блоке 10 происходит вычисление синхронизирующих сигналов u, u, u по следующему соотношению
,
где n = a,b,c - индекс фазы сигнала, соответствующий фазе дросселя для которого производится;
k - номер такта расчета;
k
T - период дискретности расчета;
(n)
L - номинальная индуктивность фазного дросселя для которого производится расчет;
сети(д)
U - номинальное действующее фазное напряжение питающей сети, к которой осуществлено подключение активного фильтра, определяется единоразово при программировании БВСС без задействования аппаратуры фильтра.
c(з)
з(a)
з(b)
з(с)
и(a,b,c)
Далее полученные сигналы синхронизации перемножаются в блоках 13-15 с током задания i, выработанным после ограничителя 11. Результатом перемножения являются сигналы i, i, i, которые подаются на вход устройства регулирования токов дросселей 3, блок 16. Блок регулирования тока выходных дросселей реализует выработку модулирующих сигналов u на основе П-регулятора по следующему соотношению
,
p
где K -коэффициент передачи пропорционального регулятора;
k - номер такта расчета;
n = a,b,c - фазный индекс.
и(a,b,c)
Рассчитанные сигналы управления подаются в блок выработки сигнала нулевой последовательности 17, где осуществляется выработка модулирующего сигнала для четвертой стойки трехфазного инвертора, подключенной к нейтральному проводнику. Такт работы завершается выработкой сигналов управления силовыми транзисторами блока 1 на основе сравнения модулирующих сигналов uи сигнала, вырабатываемого блоком 22, в блоках 18-21.
Предлагаемый трехфазный силовой фильтр высших гармоник тока позволяет снизить амплитудные значения высших гармоник тока нелинейной нагрузки, снизив тем самым потери в электрической сети от действия этих гармоник и увеличить ресурс ее работы и пропускную способность.
Сравнение заявленной полезной модели с прототипом выявило, что она отличается от прототипа дополнительным блоком выработки синхронизирующих сигналов, блоками синхронизации сигнала задания от контура регулирования напряжения конденсатора с сетью и фильтром высших гармоник тока нагрузки, что позволяет отказаться от использования датчика сетевого напряжения, снизив количество датчиков в системе, и исключить координатные преобразования, упростив алгоритм управления, следовательно, соответствует критерию «новизна».