Способ адаптивной компенсации высших гармоник в электрической сети переменного напряжения
METHOD FOR ADAPTIVE COMPENSATION OF HIGHER HARMONICS IN AC POWER GRID

Область техники
Изобретение относится к электоэнергетике и может быть использовано для компенсации высших гармоник сетевого напряжения с помощью активного фильтра, подключенного к шинам низкого напряжения электрической подстанции, питающей мощные нелинейные нагрузки (например, тяговые подстанции), которые искажают форму сетевого напряжения и, тем самым, снижают качество электроэнергии.
Уровень техники
н
н
ф
н
ф
Известны способы компенсации высших гармоник тока в электрической сети переменного напряжения с помощью активного фильтра, подсоединенного к шинам низкого напряжения электрической подстанции, питающей искажающую нелинейную нагрузку, при которых управляющие воздействия на активный фильтр вырабатывают, используя измеренные мгновенные значения тока активного фильтра и одного из двух токов: либо тока i нагрузки [1], либо суммарного тока (i+i) нагрузки и активного фильтра [2]. Из измеренных величин выделяют высшие гармоники, для компенсации которых формируют соответствующие управляющие воздействия на активный фильтр. В сетях сложной конфигурации гармоники суммарного тока, выделяют из тока, измеряемого в выбранном контролируемом присоединении, через которое протекает, по меньшей мере, часть указанного суммарного тока тока i+i. Применяемые в известных способах методы цифровой обработки измеренных мгновенных значений указанных токов для формирования управляющих воздействий на активный фильтр, компенсирующий гармоники, описаны, например, в [3] и [4].
Известный способ компенсации высших гармоник, рассматриваемый в качестве прототипа, включает измерение мгновенных значений напряжения сети, тока активного фильтра и тока в контролируемом присоединении, выделение высших гармоник измеренных токов, вычисление вектора уставки в системе dq-координат для каждой выделенной гармоники, преобразование вычисленных векторов в мгновенные значения тока, формирование тока суммарной уставки активного фильтра и формирование управляющих воздействий на активный фильтр, основанных на рассогласовании его тока и тока суммарной уставки [4].
Как показано в [5], недостатком прототипа является возможность неустойчивого режима регулирования активного фильтра в случае изменения конфигурации сети (например, с кольцевой на радиальную и обратно), сопровождающегося значительными изменениями фазового угла между напряжением сети и током в присоединении, контролируемом для компенсации высших гармоник.
Задача изобретения - устранение вышеуказанного недостатка.
Сущность изобретения
Технический результат изобретения - повышение устойчивости работы подсоединенного к электрической сети активного фильтра компенсации высших гармоник и соответствующее повышение качества электроэнергии.
Предметом изобретения является способ компенсации высших гармоник в электрической сети переменного напряжения с помощью подсоединенного к сети активного фильтра, включающий измерение мгновенных значений напряжения сети, тока активного фильтра и тока в контролируемом присоединении, выделение высших гармоник измеренных токов, вычисление вектора тока уставки в системе dq-координат для каждой выделенной гармоники, преобразование вычисленных векторов в мгновенные значения тока, формирование тока суммарной уставки активного фильтра и формирование управляющих воздействий на активный фильтр, основанных на рассогласовании его тока и тока суммарной уставки, отличающийся тем, что вектор тока уставки каждой гармоники перед преобразованием в мгновенные значения тока поворачивают на фазовый угол между производными векторов соответствующей гармоники измеренных токов.
Краткое описание фигур
На фиг. 1 приведена функциональная схема, иллюстрирующая осуществление предлагаемого способа.
Фиг. 2 иллюстрирует пример подключения к электрической сети активного фильтра, компенсирующего высшие гармоники в соответствии с заявляемым способом.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показаны:
1 - силовая часть активного фильтра, представляющая собой преобразователь напряжения, работающий в режиме управляемого источника тока;
c
ф
Σ
2 - программируемая система управления активным фильтром, на вход которой поступают мгновенные значения измеряемых величин: сетевого напряжения u, тока активного фильтра i и тока контролируемого присоединения i, через которое протекает, по меньшей мере, часть суммарного тока нагрузки и активного фильтра,
В составе программируемой системы 2 условно показаны следующие функциональные блоки:
c
3 - блок фазовой автоподстройки частоты, определяющий опорное значение фазы ψ сетевого напряжения u;
ф
Σ
ф
Σ
4, 5 - блоки выделения k-ой гармоники из мгновенных значений токов i, i, и преобразования выделенной гармоники в соответствующие векторные значения I и I в системе dq-координат, вращающейся на комплексной плоскости в k раз быстрее 1-ой гармоники сетевого напряжения (прямое преобразование Парка);
ф
Σ
6 - блок, вычисляющий производные векторов I и I по времени и определяющий фазовый угол ϕ между вычисленными производными;
y
7 - блок вычисления вектора тока уставки I(ϕ), зависящего от угла ϕ;
y
y
8 - блок преобразования вектора I(ϕ) в мгновенные значения тока i, выполняющий обратное преобразование Парка;
9 - блок получения тока суммарной уставки активного фильтра по компенсируемым гармоникам и формирования управляющих воздействий на силовую часть 1 активного фильтра.
Σ
Σ
Обозначения i и I, приведенные выше, относятся к высшим гармоникам, выделенным как из суммарного тока искажающей нагрузки и активного фильтра, так и из части этого тока, протекающей в контролируемом присоединении.
ф
Σ
c
Функциональные блоки 4-8, показанные на фиг. 1 в составе системы 2, иллюстрируют процесс выделения и цифровой обработки k-ой высшей гармоники (где k - нечетное целое), выполняемый программируемой системой 2 в соответствии с заявляемым способом на основе измерения мгновенных значений токов i, i,. и сетевого напряжения u. Другие высшие гармоники измеряемых величин, контролируемые при осуществлении способа, обрабатываются аналогично. Количество контролируемых высших гармоник определяют, исходя из возможностей используемых средств цифровой обработки и технической целесообразности. Обычно достаточно контролировать 5-10 высших гармоник.
На фиг. 2 дополнительно обозначено:
10 - шины 220 кВ, 11 - силовой автотрансформатор, 12 - шины 110 кВ, 13 - искажающая нагрузка, например, тяговая подстанция, 14 - шины 10 кВ, 15 - измерительные трансформаторы тока, 16 - датчик тока фильтра, 17 -измерительный трансформатор напряжения.
Заявляемый способ осуществляется следующим образом (фиг. 1).
c
ф
Σ
ф
Σ
Измеренные мгновенные значения напряжения сети u, тока i и тока i поступают на соответствующие входы системы 2. Блоки 4 и 5 обрабатывают измеренные мгновенные значения токов для выделения из них высших гармоник. Кроме того, блоки 4 и 5, используя полученное в блоке 3 значение фазы ψ, выполняют прямое преобразование Парка, формируя «d» и «q»-компоненты векторных значений токов I и I.
ф
Σ
В блоке 6, рассчитывают производные векторов I и I по времени и фазовый угол ϕ между ними.
Σ
В блоке 7 вычисляют в системе координат Парка вектор тока уставки, пропорциональной интегралу по времени от вектора тока I, а затем поворачивают вычисленный вектор на угол ϕ, в соответствии с выражением:
-1
и
где А (ϕ, k) - матрица поворота вектора на угол ϕ, Т - постоянная времени интегрального регулятора, используемого в блоке 9 для формирования управляющих воздействий, k - номер гармоники.
y
Полученный в блоке 7 адаптивный вектор тока уставки I(ϕ), подвергается в блоке 8 обратному преобразованию Парка с использованием значения фазы ψ.
y
ф
Блок 9 выполняет суммирование тока уставки i, полученного в блоке 8, с токами уставок других выделенных гармоник, полученными в результате аналогичной цифровой обработки, и формирует известным методом [4] управляющие воздействия на силовую часть 1 активного фильтра на основе рассогласования тока I и тока суммарной уставки.
ф
Σ
Предлагаемый способ обладает способностью адаптации и, следовательно, повышенной устойчивостью к изменениям конфигурации электрической сети, благодаря тому, что вектор тока уставки каждой гармоники перед преобразованием в мгновенные значения тока (обратное преобразование Парка) поворачивают на фазовый угол ϕ между производными векторов I и I соответствующей гармоники измеренных токов.
Эффективность описанного способа в отношении компенсации высших гармоник и в отношении обеспечения устойчивой работы при изменениях конфигурации электрической сети (в том числе с переходами от кольцевой конфигурации сети к радиальной и обратно) подтверждена расчетами и экспериментами на математических моделях [5].
Источники информации
1. Патент РФ №2619919, опубл. 19.05.2017.
2. Патент РФ №2446536, опубл. 27.03.2012.
3. Yousefi, S. Harmonic Elimination of 25 kV AC Electric Railways Utilizing a New Hybrid Filter Structure [Text] / S. Yousefi, M. M. Hosseini Biyouki, A. Zaboli et al. // AUT Journal of Electrical Engineering 2017. - vol. 49. - issue 2. -pp. 3-10. - (DOI: 10.22060/eej.2016.811).
4. Akagi, H. Instantaneous Power Theory and Applications to Power Conditioning / H. Akagi, E. H. Watanabe, et al. // Wiley-IEEE Press. - 1st edition. - March 9, 2007. - 379 p.
5. H.A. Алексеев, A.M. Матинян, A.H. Киселев. Особенности работы поперечно-подключаемого высоковольтного активного фильтра в электрической сети высокого напряжения // Электрические станции. - 2020. - №8. - с. 24-32. - (DOI: 10.34831/ЕР.2020.1069.8.005).