АКТИВНЫЙ ФИЛЬТР

Полезная модель относится к электроэнергетике и может быть использована в трехфазных сетях, как с нулевым проводом, так и без него, в устройствах компенсации высших гармонических составляющих тока, тока несимметрии (обратной и нулевой последовательностей токов), а также реактивной мощности. Устройство выполнено на основе трехфазного мостового инвертора на полностью управляемых полупроводниковых ключевых элементах со встречно-параллельными диодами, фазных реакторов и емкостного накопителя.
Из предшествующего уровня техники известен ряд устройств повышения качества электроэнергии в трехпроводной сети (патент № RU 2046490, RU 2027278, RU 2020690, RU 99909, RU 2094935 и др.). Одни устройства выполняют компенсацию только реактивной мощности на основной частоте, другие компенсацию и высших гармоник, третьи и симметрирование токов. Практически все известные устройства работают в трехпроводной сети. Несимметричная нагрузка в трехфазной четырехпроводной сети имеет очень широкое распространение - бытовые потребители, равномерную загрузку которых невозможно обеспечить в силу непредсказуемости подключения нагрузок по каждой фазе. Несимметричная нагрузка в четырехпроводной сети вызывает не только несимметрию токов и напряжений, но и токи в нулевом проводе - токи нулевой последовательности, которые оказывают крайне негативное влияние на питающие трансформаторы - нагрев трансформатора, несимметрию напряжений в фазах, превышение токов в нулевом проводе и д.р.
Недостатком функциональности и практического использования данных устройств является их работа в трехфазных трехпроводных сетях и ограниченный диапазон компенсации.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является патент US 2010/0171472 Аl (дата публикации 8.07.2010, МПК G05F 1/70) «Statcom system for providing reactive and/or active power to a power network» с возможностью компенсации реактивной мощности или/и активной мощности. Техническое решение по патенту US 2010/0171472 Аl описывает устройство, выполняющее компенсацию реактивной мощности или/и активной мощности в трехпроводной сети. Основными узлами данного устройства являются трехфазная трехпроводная сеть, соединенная пофазно с трехфазным инвертором напряжения через трансформатор или фазные реакторы, емкостной накопитель электроэнергии, состоящий из конденсаторного модуля. Алгоритм работы, реализуемый системой управления, данного устройства состоит в следующем: по измеренным значениям токов и напряжений в сети с нелинейной нагрузкой рассчитывается реактивная составляющая мощности, которую необходимо скомпенсировать. На выходе инвертора по рассчитанным значениям генерируется напряжение нужной амплитуды и фазы для формирования компенсационного тока в фазном реакторе или трансформаторе.
Недостатком данного устройства является только компенсация реактивной мощности или/и активной мощности в трехфазной трехпроводной сети.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в расширении практического использования.
Достигаемый технический результат - возможность использования в четырехпроводных сетях, компенсация реактивной мощности и высших гармоник нагрузки, токов несимметрии (обратная и нулевая последовательности), что не выполнимо в прототипе.
Данный технический результат достигается за счет того, что активный фильтр, состоящий из трехфазного мостового инвертора напряжения на полностью управляемых полупроводниковых ключевых элементах со встречно-параллельными диодами, соединенного выходами с сетью через фазные реакторы, емкостного накопителя на стороне постоянного тока, системы управления, реализованной на микропроцессоре, снабжен дополнительным полумостовым инвертором на полностью управляемых полупроводниковых ключевых элементах со встречно-параллельными диодами, параллельно соединенным с трехфазным мостовым инвертором на стороне постоянного тока и выходом подключенным к нулевой линии сети.
Такое выполнение позволяет компенсировать реактивную мощность, высшие гармоники нагрузки и токи несимметрии в четырехпроводных сетях.
На фиг.1 приведена блок-схема устройства, реализующего компенсацию реактивной мощности, высших гармоник тока и симметрирования токов потребителя, на фиг.2 - детализированная схема блока управления.
На фиг.1 и 2 приняты следующие обозначения:
N - нейтраль четырехпроводной сети;
А - фаза А четырехпроводной сети;
В - фаза В четырехпроводной сети;
С - фаза С четырехпроводной сети;
a
U - сетевое напряжение фазы А;
a0
b0
c0
U, U, U - выходные напряжения мостового инвертора активного фильтра фазы А, В, С;
abc0
I - компенсационные токи активного фильтра;
abc
I - токи нагрузки;
Rн - нагрузка;
Еc - напряжение на емкостном накопителе;
S1-S8 - полностью управляемые полупроводниковые ключевые элементы со встречно-параллельными диодами;
а
b
c
I, I, I - токи нагрузки фазы А, В, С соответственно;
a0
b0
c0
I, I, I - токи активного фильтра фазы А, В, С соответственно;
dq0
I,  - токи нагрузки и активного фильтра в DQ0 координатах соответственно;
Θ - фазовый угол сетевого напряжения фазы А.
На фиг.1 представлена несимметричная нелинейная нагрузка 1, которая является источником реактивной мощности, высших гармоник, токов несимметрии и нулевых токов. Активный фильтр (фиг.1) содержит фазные реакторы 2, трехфазный мостовой инвертор напряжения 3, выполненный на полностью управляемых полупроводниковых ключевых элементах со встречно-параллельными диодами, обеспечивающими протекание тока при отключенном встречно-параллельном ему ключе, емкостной накопитель 4 на стороне постоянного тока инвертора. Полумостовой инвертор на полностью управляемых полупроводниковых ключевых элементах со встречно-параллельными диодами 5 параллельно соединен с трехфазным мостовым инвертором на стороне постоянного тока и средней точкой подключен к нулевой линии четырехпроводной сети. Кроме этого, активный фильтр содержит датчики напряжения 6 для измерения мгновенных значений сетевого напряжения, датчики тока 7 нагрузки и датчик тока 8 активного фильтра, датчик напряжения 9 на емкостном накопителе в цепи постоянного тока.
Система управления (фиг.2), реализованная на микропроцессоре, состоит из известных блоков 10 и 11 математического преобразования токов нагрузки и активного фильтра из статических координат в синхронные dq0, по прямому методу Кларка и Парка-Горева. Регулятор 12 выполняет пересчет к опорным напряжениям на выходе инвертора, чтобы добиться компенсации нежелательных составляющих тока и стабилизации напряжения на конденсаторном накопителе. Блок 13 преобразует опорные сигналы выходного напряжения инвертора из синхронной к статической системе координат abc по обратному методу Кларка и Парка-Горева. Блок 14 по входным сигналам формирует управляющие импульсы на ключи S1-S8. Скважность управляющих импульсов на S1-S6 определяется значением управляющего сигнала, а частота этих импульсов равна несущей частоте модулятора блока 14. Скважность импульсов на S7 и S8 равна 2. Блок 15 выполняет фазовую автоподстройку частоты.
Токи нагрузки Iabc, компенсационные токи Iabc0 активного фильтра и напряжение Ее на емкостном накопителе поступают в систему управления для определения сигналов, формирующих выходные напряжения Ua0, Ub0, Uc0. На основе этих сигналов формируются импульсы управления ключами S1-S6, причем каждая фаза независима от двух других. Формирование управляющих импульсов осуществляется с помощью известных алгоритмов формирования ШИМ по заданному сигналу. Полупроводниковые ключевые элементы дополнительно введенного полумостового инвертора работают со скважностью равной 2 и на выходе формируется напряжение Ec/2. Таким образом, нейтральная точка не будет плавать. В результате полученный ток активного фильтра в каждой фазе не зависит от двух других и компенсирует заданный ток нагрузки. Система управления определяет компенсационный ток и выполняет поддержание заряда на емкостном накопителе.
Анализ показывает, что предлагаемое решение соответствует критериям «новизна» и «изобретательский уровень», а лабораторные испытания подтверждают соответствие критерию «промышленная применимость».