УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОЙ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к системам электроснабжения, и может быть использована для компенсации реактивной мощности потребителей в сетях трехфазного переменного тока, а также при создании трансформаторных подстанций с высокой эффективностью потребления электроэнергии.
Известен компенсатор реактивной мощности [Патент РФ №2453964, МПК H02J 3/18 - Компенсатор реактивной мощности // Третьяков А.Н., Халым Р., Кудряшев Г.С., Билдагаров П.Н. - Заявл. 06.04.2010; Опубл. 20.10.2011; Бюл. №17], содержащий трехфазный делитель напряжения, датчики напряжения, однофазные трансформаторы тока, датчики реактивного тока, элементы сравнения, инверторы, блоки формирования сигнала управления, дифференциальные усилители, силовые полупроводниковые модули, емкостные фильтры, причем выходы датчиков реактивного тока и датчиков напряжения соединены с элементами сравнения, элементы сравнения соединены с инверторами, выходы инверторов соединены с блоками формирования сигналов управления, которые подключены к входам дифференциальных усилителей, выходы дифференциальных усилителей подключены к входам силовых полупроводниковых модулей, к выходам которых подключена входная цепь емкостных фильтров, выходы емкостных фильтров подсоединены к фазам питающей сети. Компенсатор реактивной мощности позволяет снизить стоимость силовых полупроводниковых модулей.
Однако указанное устройство способно работать только в трехфазных сетях с линейными нагрузками, поскольку не может устранять несинусоидальность токов в фазах, причем для работы требует установку трех емкостных фильтров, по одному в каждую фазу трехфазной сети, что в целом приведет к увеличению массогабаритных показателей.
Кроме того, известен способ компенсации реактивной мощности и устройство для его осуществления [Патент РФ №2593210, МПК H02J 3/18 - Способ компенсации реактивной мощности и устройство для его осуществления // Дуров Ю.Н., Еньков С.В., Пантелеева Г.А., Молчанова Т.А. - Заявл. 21.05.2015; Опубл. 10.08.2016, Бюл. №22], содержащее последовательно соединенные базовые модули, каждый из которых связан с модулем управления и состоит из конденсаторной группы и силовой полупроводниковой схемы, имеющей силовые переключаемые полупроводниковые компоненты и выполненной с возможностью регулирования емкостей конденсаторной группы за счет периодического подключения их к электрической сети, имеются конденсаторные группы переменной емкости, которые соединены последовательно между собой, при этом полюса крайних конденсаторных групп переменной емкости являются выводами устройства компенсации реактивной мощности, и выполнены с возможностью их подключения непосредственно к электрической сети, а каждый из базовых модулей имеет входы и выходы, связанные посредством каналов управления с системой управления, при этом каждая силовая полупроводниковая схема содержит блок управления, подключенный параллельно полюсам каждой конденсаторной группы переменной емкости и имеющий вход и выход, которые являются также входом и выходом каждого базового модуля, а также две одинаковые силовые цепи, выполненные с возможностью изменения емкости конденсаторов конденсаторных групп переменной емкости, при этом одна из силовых цепей предназначена для положительной полярности напряжения линии сети, а другая предназначена для отрицательной полярности напряжения линии сети, при этом одна из данных силовых цепей одним концом подключена к одному полюсу конденсаторной группы переменной емкости, а другая силовая цепь одним несинусоидальность токов в фазах, причем для работы требует установку трех емкостных фильтров, по одному в каждую фазу трехфазной сети, что в целом приведет к увеличению массогабаритных показателей.
Кроме того, известен способ компенсации реактивной мощности и устройство для его осуществления [Патент РФ №2593210, МПК H02J 3/18 - Способ компенсации реактивной мощности и устройство для его осуществления // Дуров Ю.Н., Еньков С.В., Пантелеева Г.А., Молчанова Т.А. - Заявл. 21.05.2015; Опубл. 10.08.2016, Бюл. №22], содержащее последовательно соединенные базовые модули, каждый из которых связан с модулем управления и состоит из конденсаторной группы и силовой полупроводниковой схемы, имеющей силовые переключаемые полупроводниковые компоненты и выполненной с возможностью регулирования емкостей конденсаторной группы за счет периодического подключения их к электрической сети, имеются конденсаторные группы переменной емкости, которые соединены последовательно между собой, при этом полюса крайних конденсаторных групп переменной емкости являются выводами устройства компенсации реактивной мощности, и выполнены с возможностью их подключения непосредственно к электрической сети, а каждый из базовых модулей имеет входы и выходы, связанные посредством каналов управления с системой управления, при этом каждая силовая полупроводниковая схема содержит блок управления, подключенный параллельно полюсам каждой конденсаторной группы переменной емкости и имеющий вход и выход, которые являются также входом и выходом каждого базового модуля, а также две одинаковые силовые цепи, выполненные с возможностью изменения емкости конденсаторов конденсаторных групп переменной емкости, при этом одна из силовых цепей предназначена для положительной полярности напряжения линии сети, а другая предназначена для отрицательной полярности напряжения линии сети, при этом одна из данных силовых цепей одним концом подключена к одному полюсу конденсаторной группы переменной емкости, а другая силовая цепь одним концом подключена к другому полюсу конденсаторной группы переменной емкости, а вторые концы данных силовых цепей объединены и подключены ко второму входу блока управления, при этом каждая силовая цепь имеет, по меньшей мере, накопитель энергии в виде индуктивной нагрузки и полностью управляемый ключ для периодического попеременного подключения конденсаторов конденсаторных групп переменной емкости к соответствующему накопителю энергии, а четные базовые модули имеют четные входы и выходы, которые образуют первый канал управления, при этом нечетные базовые модули имеют нечетные входы и выходы, которые образуют второй канал управления, а модуль управления выполнен с возможностью управления первые полпериода широтно-импульсной модуляции (ШИМ) четными входами и выходами по первому каналу управления, а вторые полпериода ШИМ нечетными входами и выходами по второму каналу управления, при этом каждый блок управления выполнен с возможностью управления включением и выключением попеременно одной или другой силовой цепи для изменения емкости конденсаторных групп в зависимости от положительной или отрицательной полярности напряжения линии сети, а первый и второй каналы управления выполнены с возможностью принятия синхронных сигналов ШИМ попеременно.
Однако указанное устройство в связи со ступенчатым управлением конденсаторными батареями имеет недостаточную глубину и точность компенсации реактивной мощности и не способно устранять несинусоидальность токов. Кроме того, такое устройство обладает избыточностью базовых модулей, что приводит к увеличению установленной мощности силового оборудования и, как следствие, требует дополнительных затрат.
Известен также компенсатор реактивной мощности [Патент РФ №2648690, МПК H02J 3/18 - Компенсатор реактивной мощности // Власьевский С.В., Климаш С.В. - Заявл. 04.08.2016, Опубл. 08.02.2018, Бюл. №4], принятый за прототип. Компенсатор содержит вольтодобавочный трансформатор, инвертор напряжения с системой управления, LC-фильтр, выпрямитель, датчик реактивной мощности сети и датчик отклонений напряжения нагрузки, дроссель, батарею косинусных конденсаторов, компаратор, блок синхронизации и четырехквадрантного формирования вектора добавочного напряжения, синхронизирующий вход которого подключен к сети, блок синхронизации и вычисления реактивного тока нагрузки, синхронизирующий вход которого подключен к нагрузке. В качестве выпрямителя использован активный выпрямитель, вход которого через дроссель подключен к нагрузке, система управления инвертором напряжения выполнена с каналом ШИМ выходного напряжения инвертора и каналом регулирования фазы выходного напряжения инвертора, причем первичная обмотка вольтодобавочного трансформатор параллельно подключена к первичной обмотки силового трансформатора подстанции, который первичной обмоткой подключен к входным зажимам подстанции, предназначенным для подключения к сети, а вторичной обмоткой подключен к нагрузке, батарея косинусных конденсаторов подключена к сети после токового входа датчика реактивной мощности сети, управляющий вход канала регулирования фазы системы управления инвертором напряжения через блок синхронизации и четырехквадрантного формирования вектора добавочного напряжения подключен к выходу датчика реактивной мощности сети, а управляющий вход канала ШИМ выходного напряжения инвертора подключен к выходу датчика отклонений напряжения нагрузки, который также через компаратор подключен к управляющему входу блока синхронизации и четырехквадрантного формирования вектора добавочного напряжения, система управления активным выпрямителем выполнена с ШИМ и ее управляющий вход подключен к выходу блока синхронизации и вычисления реактивного тока нагрузки. Компенсатор реактивной мощности обеспечивает повышение энергетической эффективности функционирования системы электроснабжения.
Однако в указанном устройстве необходимость использования вольтодобавочного трансформатора в силовых цепях питания нагрузки ведет к увеличению массогабаритных показателей и снижает коэффициент полезного действия преобразования. Кроме того, четырехквадрантное формирование вектора добавочного напряжения, лежащее в основе работы такого компенсатора, работает корректно лишь с линейной нагрузкой в сетях с синусоидальными токами и напряжениями.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение точности компенсации реактивной мощности устройством, не имеющим избыточности элементов в силовых полупроводниковых модулях, работающим в условиях протекания несинусоидальных токов нагрузки и возможной несимметрии и несинусоидальности напряжений фаз питающей трехфазной сети.
Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве, содержащем инвертор напряжения с системой управления, выполненной с каналом ШИМ выходного напряжения инвертора и каналом регулирования фазы выходного напряжения инвертора, дроссель и батарею косинусных конденсаторов, а также содержащем датчик реактивной мощности сети и датчик отклонений напряжения нагрузки, дополнительно введены трансформаторы тока и датчики напряжения, причем сигналы с этих трансформаторов тока и датчиков напряжения трехфазной сети поступают в блок, выполняющий умножение этих сигналов и определяющий среднее значение мощности за период, которое поступает на интегратор для определения активной мощности и пропорционального ей значения модуля тока компенсации, определенное таким образом значение модуля тока компенсации используется формирователем корректирующего тока, для чего на вход этого формирователя поступают сигналы от датчиков напряжения трехфазной сети, а также дополнительные сигналы от трансформаторов тока нагрузки с реактивным характером, которая в общем случае может быть нелинейной, при этом трансформаторы тока нагрузки подключены к питающей трехфазной сети раньше трансформаторов тока инвертора напряжения и датчиков напряжения, таким образом, что выходной сигнал, полученный формирователем как разность между током компенсации и мгновенным значением тока нагрузки, является значением корректирующего тока и используется для управления инвертором напряжения на основе схемы управляемого трехфазного моста с буферным конденсатором и трехфазным выходным дросселем.
Новизна технического предложения заключается в реализации алгоритма адаптивного управления током компенсации, протекающего по силовым цепям автоматического компенсатора реактивной мощности и фильтрации гармоник (АКРМ), работа которого основана на балансе потребляемых активных мощностей по всем фазам таким образом, чтобы среднее за полный рабочий период значение заряда буферного конденсатора, играющего роль батареи косинусных конденсаторов и обеспечивающего работу управляемого трехфазного источника тока, сохранялось неизменным, а формы результирующих токов по каждой фазе на выходе устройства после компенсации повторяли формы питающих напряжений соответствующих фаз. Устройство, реализующее данный алгоритм адаптивного управления током компенсации, позволит компенсировать не только реактивную мощность, но и все неактивные мощности, вызванные протеканием токов высших гармоник, доведя тем самым коэффициент мощности нагрузки трехфазной сети до единицы.
На фиг. 1 представлена структурная блок-схема АКРМ. На фиг. 2 показаны временные диаграммы напряжения и тока в одной из фаз нелинейной нагрузки в частном случае, когда она имеет активный характер и содержит в своем составе трехфазный выпрямитель. Для этого случая временные диаграммы работы АКРМ будут соответствовать фиг. 3. На фиг. 4 показаны временные диаграммы напряжения и тока в одной из фаз нелинейной нагрузки в другом частном случае, когда нелинейная нагрузка имеет активно-емкостной характер. Для этого случая временные диаграммы работы АКРМ будут соответствовать фиг. 5.
Предлагаемое устройство (фиг. 1) содержит: 1 - инвертор напряжения на основе схемы управляемого трехфазного моста с буферным конденсатором и трехфазным дросселем; 2 - трансформаторы тока; 3 - блок, выполняющий умножение тока компенсации на напряжение сети и определяющий среднее значение мощности за период; 4 - интегратор для определения активной мощности и пропорционального ей значения модуля тока компенсации; 5 - датчики напряжения сети; 6 - формирователь корректирующего тока; 7 - трансформаторы тока нагрузки; 8 - нагрузка с реактивным характером, присоединенная к трехфазной электрической сети, которая в общем случае может быть нелинейной, и при этом потреблять реактивную мощность и порождать широкий спектр гармоник тока.
k
n
m
m
n
ккомпенсации
нагрузки
сетки
m
m
Устройство для компенсации реактивной мощности работает следующим образом. Нагрузка 8 получает питание от трехфазной сети, при этом в блок 3 поступают сигналы напряжения сети U(t) и тока компенсации i(t), фиксируемые датчиками напряжения сети 5 и трансформаторами тока 2. Формирователь 6 на основании полученных данных сигналов напряжения сети U(t) и токов нагрузки i(t), фиксируемых трансформаторами тока 7, определяет значение корректирующего тока, используя разность между током I*sin(ωt) (синтезируемым двумя переменными I и ω, а также функцией sin) и мгновенным значением тока нагрузки i(t). Инвертор напряжения 1 на основе широтно-импульсной модуляции формирует трехфазные токи, пропорциональные по форме и амплитуде выходному сигналу формирователя корректирующего тока 6. Для восстановления гармонической формы тока нагрузки блок 3 осуществляет непрерывное умножение тока компенсации на напряжение сети и интегрирование этого произведения. Результат данной операции, будучи отнесенный к интервалу времени, кратному рабочему периоду Т, отражает активную мощность, передаваемую от инвертора напряжения 1 в трехфазную сеть и обратно (направление зависит от знака интегральной суммы). Интегратор активной мощности 4 осуществляет интегрирование полученного значения активной мощности, устраняя статизм устройства. Поэтому, даже малое изменение потока мощности через короткое время будет нивелировано растущим управляющим воздействием. То есть, если имеет место отрицательное значение интегральной суммы (P=P-P) на выходе интегратора активной мощности 4, то оно приведет к росту значения амплитуды желаемого гармонического тока I, и разность между мощностью нагрузки и мощностью, потребляемой из сети, имеющей пока положительный знак, сократится. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока значение активной мощности компенсации не станет ничтожно мало. При положительном знаке мощности компенсации, что говорит о подпитке активной мощностью нагрузки от буферного конденсатора и быстром истощении его заряда, на выходе интегратора активной мощности 4 будет формироваться уменьшение тока I до тех пор, пока значение активной мощности компенсации не станет пренебрежимо мало. Таким образом, в устройстве автоматически сохраняется постоянство заряда буферного конденсатора, а алгоритм АКРМ способен работать в трехфазной сети, напряжения фаз которых и токи нагрузки не являются синусоидальными и симметричными.
m
m
n
На фиг. 2 и фиг. 3 введены следующие обозначения: Ua - напряжение в одной из фаз питающей трехфазной сети; In - ток нелинейной нагрузки 8 в одной из фаз питающей трехфазной сети; I*sin(ωt) - желаемый гармонический ток после компенсации АКРМ; I*sin(ωt)-i(t) - корректирующий ток АКРМ.
Промышленная применимость полезной модели состоит в том, что схема устройства АКРМ собирается из стандартных модулей.
Техническим результатом является повышение точности компенсации реактивной мощности предлагаемым устройством по сравнению с прототипом и имеющимися аналогами, что обусловлено аналоговым исполнением на фиг.1 контура компенсации токов 3, 4 и 6, точно определяющим мгновенные значения в режиме реального времени. Поскольку гармонический ток после компенсации АКРМ практически будет повторять по форме напряжение питающей сети, это обусловит доведение коэффициента мощности нагрузок трехфазной сети до единицы даже в условиях протекания несинусоидальных токов нагрузки.
Учитывая одновременную компенсацию реактивных составляющих токов нагрузок и наличия типового гармонического состава токов, вызванных нелинейным характером современных нагрузок, представленных типовыми выпрямителями в трехфазных сетях, предлагаемое устройство способно сократить на 12-15% общие потери электрической энергии в трехфазных сетях системы электроснабжения, которые обеспечивают питанием потребителей реактивной мощности с нелинейным характером, таких как электрический транспорт и современные отрасли промышленности.