МНОГОУРОВНЕВОЕ УСТРОЙСТВО КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ И ПОДАВЛЕНИЯ ВЫСШИХ ГАРМОНИК ТОКА

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в силовых высоковольтных системах питания с мощными управляемыми выпрямительными установками.
Известен трехфазный корректор коэффициента мощности, содержащий узел силовых инверторных блоков, состоящий из двух силовых инверторных модулей, каждый из которых содержит шесть ключевых элементов, включенных по трехфазной мостовой схеме, три однофазных дросселя и накопительный конденсатор с датчиком напряжения, блок датчиков параметров питающей сети и систему управления (см. патент РФ №66619, H02J 3/18).
Недостатком известного устройства является низкий коэффициент полезного действия и невысокая его надежность в высоковольтных системах электроснабжения мощных управляемых выпрямительных установок для нелинейных электроприемников с резкопеременным характером нагрузки, к которым относятся, например, электродуговые печи постоянного тока. Это обусловлено применением двух силовых инверторных модулей, которые подключены параллельно выпрямительной нагрузки. При этом первый модуль осуществляет компенсацию реактивной мощности, а второй - подавление высших гармоник тока генерируемых нагрузкой. Ключевые элементы первого и второго модулей для высоковольтной системы питания должны коммутировать высокое напряжение. При этом каждый ключевой элемент выполняется в виде последовательного соединения нескольких ключей. Неисправное состояние одного из ключей приводит к нарушению работоспособности инверторного модуля, что снижает надежность известного устройства. Для качественной компенсации реактивной мощности и подавления высших гармоник тока ключевые элементы трехфазного корректора коэффициента мощности должны осуществлять коммутацию с высокой частотой. Высокочастотная коммутация высоковольтного напряжения ключей силовых инверторных модулей, особенно во втором модуле сопровождается значительными коммутационными потерями, что снижает коэффициент полезного действия и надежность известного устройства в высоковольтных системах электроснабжения.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является многоуровневое устройство компенсации реактивной мощности и подавления высших гармоник тока, содержащее трехфазный многоуровневый компенсатор, вход которого через трехфазный реактор и первый трехфазный датчик тока подключен к точке соединения выхода трехфазного источника питания и входа второго трехфазного датчика тока, выход последнего подключен к выпрямительной нагрузке, измерительные выходы первого и второго датчиков тока подключены соответственно к первому и второму входам блока управления, к третьему входу указанного блока подключен датчик трехфазного напряжения, вход которого подключен к выходу трехфазного источника питания, четвертый вход блока управления по шине данных подключен к информационному выходу трехфазного многоуровневого компенсатора, управляющий вход указанного компенсатора по шине управления подключен к выходу блока управления (см. патент РФ №119538, H02J 3/18).
Недостатком известного устройства является низкий коэффициент полезного действия и невысокая его надежность в высоковольтных системах электроснабжения мощных управляемых выпрямительных установок, например, электродуговых печах постоянного тока. Это обусловлено тем, что полупроводниковые ключевые элементы во всех однофазных мостовых модулях должны переключаться с высокой частотой, чтобы обеспечить хорошее качество компенсации реактивной мощности, подавления высших гармоник тока, а также балансировку напряжения постоянного тока на емкостных накопителях. Высокочастотная коммутация полупроводниковых ключей, по которым протекают значительные токи компенсации реактивной мощности, и токи подавления высших гармоник сопровождается большими коммутационными потерями, что снижает коэффициент полезного действия и надежность известного устройства. Указанные высокие требования к полупроводниковым ключевым элементам известного устройства снижают его эффективность.
Техническая проблема, решаемая полезной моделью, заключается в повышении коэффициента полезного действия и повышении надежности работы многоуровневого устройства компенсации реактивной мощности и подавления высших гармоник тока в высоковольтных системах электроснабжения мощных управляемых выпрямительных установок для нелинейных электроприемников с резкопеременным характером нагрузки, например, электродуговых печей постоянного тока.
Технический результат, обеспечивающий решение проблемы, достигается благодаря предложенному принципу построению многоуровневого устройства компенсации реактивной мощности и подавления высших гармоник тока, особенностью которого является функциональное разделение многоуровневых модулей в каждой фазе трехфазной системы напряжений на основную и дополнительную группы. Основная группа модулей выполняет функцию компенсатора реактивной мощности, а дополнительная группа модулей осуществляет подавление высших гармоник тока, т.е. выполняет функцию активного фильтра.
Поставленная задача решается тем, что многоуровневое устройство компенсации реактивной мощности и подавления высших гармоник тока, содержащее трехфазный многоуровневый компенсатор, вход которого через трехфазный реактор и первый трехфазный датчик тока подключен к точке соединения выхода трехфазного источника питания и входа второго трехфазного датчика тока, выход последнего подключен к выпрямительной нагрузке, измерительные выходы первого и второго датчиков тока подключены соответственно к первому и второму входам блока управления, к третьему входу указанного блока подключен датчик трехфазного напряжения, вход которого подключен к выходу трехфазного источника питания, четвертый вход блока управления по шине данных подключен к информационному выходу трехфазного многоуровневого компенсатора, управляющий вход указанного компенсатора по шине управления подключен к выходу блока управления, согласно изменению, трехфазный многоуровневый компенсатор, снабжен тремя одинаковыми однофазными компенсаторами реактивной мощности и подавления высших гармоник тока, которые соединены в звезду, однофазный компенсатор содержит основную и дополнительную группы многоуровневых модулей, которые соединены последовательно, выход основной группы многоуровневого модуля каждого однофазного компенсатора подключен к нейтральной точке соединения звезда, а вход дополнительной группы многоуровневого модуля каждого однофазного компенсатора подключен к соответствующему входу трехфазного многоуровневого компенсатора, основная группа многоуровневого модуля содержит десять последовательно соединенных одинаковых модулей инверторов напряжения на базе полностью управляемых тиристорных ключей, а дополнительная группа многоуровневого модуля содержит два последовательно соединенных одинаковых модуля инверторов напряжения на базе транзисторных ключей, информационные выходы всех модулей инверторов по шине данных подключены к информационному выходу трехфазного многоуровневого компенсатора, а управляющие входы всех модулей инверторов по шине управления подключены к управляющему входу трехфазного многоуровневого компенсатора, к пятому входу блока управления подключен задатчик реактивного тока.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 изображена функциональная схема многоуровневого устройства компенсации реактивной мощности и подавления высших гармоник тока;
на фиг. 2 изображена схема модуля инвертора напряжения на базе полностью управляемых тиристорных ключей;
на фиг. 3 изображена схема модуля инвертора напряжения на базе транзисторных ключей;
на фиг. 4 изображено выходное фазное напряжение трехфазного многоуровневого компенсатора 1 для коэффициента модуляции М=0,96;
на фиг. 5 изображены гармонические составляющие напряжения, которые показаны на фиг. 4.
Заявляемое многоуровневое устройство компенсации реактивной мощности и подавления высших гармоник тока (фиг. 1), содержит трехфазный многоуровневый компенсатор 1. Вход компенсатора 1 через трехфазный реактор 2 и первый трехфазный датчик тока 3 подключен к точке соединения выхода трехфазного источника питания 4 и входа второго трехфазного датчика тока 5, выход последнего подключен к выпрямительной нагрузке 6. Измерительные выходы первого и второго датчиков тока подключены соответственно к первому и второму входам блока управления 7, к третьему входу указанного блока подключен датчик трехфазного напряжения 8, вход которого подключен к выходу трехфазного источника питания 4. Четвертый вход блока управления 7 по шине данных подключен к информационному выходу трехфазного многоуровневого компенсатора 1, управляющий вход указанного компенсатора по шине управления подключен к выходу блока управления 7.
Заявляемое многоуровневое устройство (фиг. 1) отличается тем, что трехфазный многоуровневый компенсатор 1, снабжен тремя одинаковыми однофазными компенсаторами реактивной мощности и подавления высших гармоник тока 9, 10 и 11, которые соединены в звезду. Каждый однофазный компенсатор содержит основную 12 и дополнительную 13 группы многоуровневых модулей, которые соединены последовательно. Выход основной группы многоуровневого модуля 12 каждого однофазного компенсатора подключен к нейтральной точке соединения звезда, а вход дополнительной группы многоуровневого модуля 13 каждого однофазного компенсатора 9, 10, 11 подключен к соответствующему входу А, В, С трехфазного многоуровневого компенсатора 1. Основная группа многоуровневого модуля содержит десять последовательно соединенных одинаковых модулей инверторов напряжения 14 на базе полностью управляемых тиристорных ключей, а дополнительная группа многоуровневого модуля содержит два последовательно соединенных одинаковых модуля инверторов напряжения 15 на базе транзисторных ключей. Информационные выходы всех модулей инверторов по шине данных подключены к информационному выходу трехфазного многоуровневого компенсатора 1, а управляющие входы всех модулей инверторов по шине управления подключены к управляющему входу трехфазного многоуровневого компенсатора 1. К пятому входу блока управления 7 подключен задатчик реактивного тока 16.
В заявляемом устройстве (фиг. 1) модули инверторов напряжения 14 основной группы многоуровневого модуля 12 выполнены на базе полностью управляемых тиристорных ключей 17 с обратными диодами (фиг. 2). При этом каждый модуль содержит емкостной накопитель 18 и датчик напряжения постоянного тока 19. Модули инверторов напряжения 15 (фиг. 1) дополнительной группы многоуровневого модуля 13 выполнены на базе транзисторных ключей 20 с обратными диодами (фиг. 3) и также содержат емкостной накопитель 21 и датчик напряжения постоянного тока 22.
В заявляемом устройстве (фиг. 1) блок управления 7 может быть выполнен на базе программируемого контроллера.
Из курса электротехники известно, что практически все приемники электрической энергии потребляют реактивную мощность. При этом в системах электроснабжения, которые не содержат устройства компенсации реактивной мощности, присутствует реактивный ток нагрузки, который может быть соизмерим с активным током нагрузки или даже превышает его значение. Наличие реактивного тока в устройстве его передачи от источника питания до нагрузки приводит к существенным потерям электрической энергии в этих устройствах, что снижает коэффициент полезного действия и надежность таких систем электроснабжения. Чтобы уменьшить указанные потери практически до нуля к точке подключения нагрузки параллельно подключают устройство компенсации реактивной мощности. При правильном выборе указанного устройства и соответствующем способе его управления необходимый реактивный ток нагрузки будет протекать через устройство компенсации реактивной мощности, а не через устройства передачи электрической энергии от источника питания до нагрузки.
Заметим, что относительно напряжения в точке подключения нагрузки начальная фаза реактивного тока нагрузки смещена на четверть периода, а начальная фаза реактивного тока устройства компенсации реактивной мощности находится с указанным током в противофазе. При этом через устройства передачи электрической энергии от источника питания до нагрузки будет протекать только активный ток нагрузки. Таким образом, применение устройства компенсации реактивной мощности позволяет повысить коэффициент полезного действия и надежность системы электроснабжения потребителей электрической энергии.
Отметим, что значительная доля приемников электрической энергии потребляют реактивную мощность, характер которой в курсе электротехника принято называть индуктивный. Указанный индуктивный характер обусловлен созданием переменного магнитного поля, например, в следующих устройствах: асинхронные и синхронные двигатели; дроссели; силовые трансформаторы и другие устройства, в которых реактивный ток отстает на четверть периода относительно напряжения на этих устройствах. С учетом выше изложенного устройство компенсации реактивной мощности должно иметь емкостной характер, в котором реактивный ток опережает на четверть периода напряжение на этих устройствах. Такими устройствами могут быть конденсаторные батареи, синхронные компенсаторы или статические компенсаторы. В заявляемом устройстве функцию компенсатора реактивной мощности выполняет статический компенсатор на базе модулей основной группы многоуровневого устройства компенсации.
Из курса электротехники известно, что отдельные приемники электрической энергии, например, дуговые печи переменного и постоянного тока в процессе их работы генерируют высшие гармоники тока.
Протекание этих токов по устройствам передачи электрической энергии, например, по обмоткам трансформатора, дросселя, вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости приводят к увеличению активного сопротивления обмоток указанных устройств и, как следствие, к дополнительному нагреву и уменьшению срока их службы. Таким образом, присутствие высших гармоник токов в устройствах передачи электрической энергии существенно снижают надежность их работы и коэффициент полезного действия системы электроснабжения.
Для подавления высших гармоник тока нагрузки к точке подключения нагрузки параллельно подключают устройство компенсации, которое генерирует в противофазе высшие гармонические составляющие тока нагрузки. Правильный выбор указанного устройства и соответствующий способ управления им обеспечивают протекание высших гармоник тока нагрузки через это устройство, а не через устройства передачи электрической энергии от источника питания до нагрузки. Учитывая вышеизложенное, применение устройства подавления высших гармоник тока нагрузки позволяет повысить надежность системы электроснабжения и ее коэффициент полезного действия. В заявляемом устройстве функцию подавления высших гармоник тока нагрузки выполняют модули дополнительной группы многоуровневого устройства компенсации.
Отметим, что важную роль в компенсации реактивной мощности и подавления высших гармоник тока нагрузки осуществляет трехфазный реактор 1, установленный на входе многоуровневого компенсатора 1. С помощью указанного реактора и сформированного выходного напряжения компенсатора 1, полученного в результате суммирования напряжений основной 12 и дополнительной 13 групп происходит выделение заданной формы фазных компенсирующих реактивных токов и токов фильтрация высших гармоник. Ранее отмечалось, что указанные токи находятся в противофазе с соответствующими фазными токами выпрямительной нагрузки 6, это обеспечивает протеканию через устройства передачи электрической энергии от источника питания 4 до нагрузки 6 только активного тока нагрузки.
Многоуровневое устройство компенсации реактивной мощности и подавления высших гармоник тока работает следующим образом.
Вначале поясним, как осуществляется компенсация реактивной мощности. На третий вход блока управления 7 (фиг. 1) с датчика трехфазного напряжения 8 поступают сигналы мгновенных значений напряжений трехфазного источника питания 4. На второй вход блока управления 7 со второго трехфазного датчика тока 5 поступают сигналы мгновенных значений токов нагрузки 6. В блоке управления 7 указанные сигналы обрабатываются, рассчитываются реактивные токи и реактивная мощность, которую потребляет нагрузка 6 на основной (сетевой) гармонике напряжения трехфазного источника питания 4.
Далее в блоке управления 7 реактивные токи нагрузки 6 сравниваются с заданными реактивными токами, которые поступают на его пятый вход с задатчика 16. Для повышения коэффициента полезного действия устройств передачи электрической энергии от источника 4 до нагрузки 6 задатчик тока 16 задает нулевые значения реактивного тока.
С учетом изложенного следует, если абсолютная величина разницы указанных токов не превышает допустимых граничных значений, то на выходе блока управления 7 сигналы не формируются. В противном случае на выходе блока 7 формируются сигналы управления для модулей инверторов трехфазного многоуровневого компенсатора 1. Однако в отличие от прототипа в заявляемом устройстве сформированные сигналы по шине управления подаются только на модули инверторов 14 основной группы 12 компенсатора 1. Ранее отмечалось, что указанные десять модулей 14 в каждой фазе компенсатора 1 под действием сигналов управления сформируют напряжение, которое благодаря реактору 2 создает компенсирующий реактивный ток в противофазе с соответствующим реактивным током выпрямительной нагрузки 6. Таким образом, основная группа модулей 12 обеспечивает протекание реактивного тока нагрузки через компенсатор 1, а не через устройства передачи электрической энергии от источника питания 4 до нагрузки 6. Это повышает надежность системы электроснабжения и ее коэффициент полезного действия.
Для достижения высоких энергетических показателей в заявляемом устройстве используется широтно-импульсная модуляция напряжения (ШИМ) с удалением выделенных гармоник. Из курса силовой электроники известно, что указанный метод ШИМ в многоуровневых устройствах, например статических компенсаторах, обеспечивает минимальное искажение синусоидальности кривой выходного напряжения при невысокой частоте переключений силовых ключей. Для десяти модулей инверторов 14 выбранный метод ШИМ напряжения повышает коэффициент полезного действия заявляемого устройства, благодаря тому, что за четверть периода напряжения источника питания в модуле каждого инвертора достаточно совершить три переключения. Низкая частота коммутации силовых ключей в модулях 14, порядка 150 Гц снижает коммутационные потери в заявляемом устройстве, а, следовательно, повышает его коэффициент полезного действия.
Отметим, что относительно низкая частота коммутации силовых ключей в основной группе модулей многоуровневого компенсатора позволяет для этих модулей использовать полностью управляемые тиристорные ключи. Известно, что указанные ключи обладают высокой надежностью, а, следовательно, повышается надежность работы многоуровневого устройства компенсации реактивной мощности.
Поясним, как осуществляется подавление высших гармоник тока нагрузки в заявляемом устройстве. На первый вход блока управления 7 с первого трехфазного датчика тока 3 поступают сигналы мгновенных значений токов многоуровневого компенсатора 1. Блок управления 7 по сигналам мгновенных значений токов с первого 3 и второго 5 датчиков тока выявляет наличие и параметры высших гармоник тока компенсатора 1 и нагрузки 6. Далее блок управления 7 сравнивает указанные токи, если абсолютная величина разницы токов не превышает допустимых граничных значений, то на выходе блока управления 7 сигналы не формируются. В противном случае на выходе блока 7 формируются сигналы управления, которые по шине управления подаются на модули инверторов 15 дополнительной группы 13 компенсатора 1. Ранее отмечалось, что указанные два модуля 15 в каждой фазе компенсатора 1 под действием сигналов управления формируют кривую напряжения, содержащую набор высших гармоник с требуемыми амплитудами и фазовыми сдвигами, которое благодаря реактору 2 создает токи высокой частоты в противофазе с соответствующими фазными токами выпрямительной нагрузки 6. Таким образом, дополнительная группа модулей 13 обеспечивает протекание высших гармоник тока нагрузки через компенсатор 1, а не через устройства передачи электрической энергии от источника питания 4 до нагрузки 6. Это повышает надежность системы электроснабжения и ее коэффициент полезного действия.
Ранее отмечалось, что модуля инверторов напряжения 15 выполнены на базе транзисторных ключей, которые обладают способностью эффективно работать на высоких частотах. Отметим, что из двенадцати модулей инверторов напряжения в каждой фазе компенсатора 1 только два модуля работают с высокой частотой переключения, это существенно снижает коммутационные потери в заявляемом устройстве, а, следовательно, повышают ее коэффициент полезного действия.
Отметим, что для модулей дополнительной группы можно рекомендовать один из двух вариантов исполнения системы управления: первый - с подавлением гармоник в заданном частотном диапазоне; второй вариант - с избирательным подавлением 5-й и 7-й гармоник, так как заявляемое устройство ориентировано на работу мощной выпрямительной нагрузки, например, дуговой печи постоянного тока.
Для подтверждения работоспособности заявляемого устройства в программной среде Matlab Simulink было выполнено его моделирование. При этом было принято, что номинальное напряжение компенсатора 1 равно 10 кВ, напряжение звена постоянного тока каждого модуля равно 1000 В, реактивная мощность компенсатора 1 равна 8 МВА.
Моделирование заявляемого устройства подтвердило, что форма его выходного фазного напряжения, например, для коэффициента модуляции М=0,96 имеет практически синусоидальный вид (фиг. 4), а суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения не превышает 7% для частотного диапазона от 1-й до 100-й гармоники (фиг. 5). При этом в спектре присутствуют гармоники низких порядков (3, 5, 7, 9, 11), амплитуды которых не превышают 1÷1,5%. Наиболее значимые гармоники находятся в диапазоне с 61-й по 71-ю, их амплитуды убывают с увеличением номера гармоники с 3,5% до 1,5%.
На основании выше изложенного следует, что в заявляемом многоуровневом устройстве компенсации реактивной мощности и подавления высших гармоник тока обеспечивается повышение коэффициента полезного действия и повышение надежности его работы в высоковольтных системах электроснабжения мощных управляемых выпрямительных установок для нелинейных электроприемников с резкопеременным характером нагрузки, например, электродуговых печей постоянного тока.
Отличительной особенностью заявляемого устройства является то, что в нем осуществлено функциональное разделение многоуровневых модулей в каждой фазе трехфазной системы напряжений на основную и дополнительную группы. Основная группа модулей выполняет функцию компенсатора реактивной мощности, а дополнительная группа модулей осуществляет подавление высших гармоник тока, т.е. выполняет функцию активного фильтра.
Кроме того, особенностью заявляемого устройства является то, что десять модулей основной группы используют полностью управляемые тиристорные ключи, а два модуля дополнительной группы - транзисторные ключи. При этом относительно низкая частота коммутации (150 Гц) тиристорных ключей снижает их коммутационные потери, повышая коэффициент полезного действия и надежность работы заявляемого устройства.
Предложенные варианты исполнения систем управления основной и дополнительной групп модулей также повышают коэффициент полезного действия и надежность заявляемого многоуровневого устройства компенсации реактивной мощности и подавления высших гармоник тока.