КОМПЕНСАТОР РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в системах питания и распределения электрической энергии для автоматической компенсации реактивной мощности и стабилизации напряжения, а также для обеспечения электромагнитной совместимости потребителей.
Известна система автоматической коррекции коэффициента мощности (см. патент США US 6462519 В1, М.кл. G05F 1/70, опубл. 08.10.2002). В состав устройства входят: датчик тока сети, датчик напряжения сети, система автоматического управления, конденсаторный блок, содержащий конденсаторы различных емкостей и управляемые контакторы, обеспечивающие подключение конденсаторов к сети или их отключение. Согласно принципу действия сигналы с датчика тока сети, а также с датчика напряжения сети поступают в систему автоматического управления, где происходит их обработка, вычисление фазового сдвига, формируются сигналы управления контакторами конденсаторного блока для подключения к сети емкости необходимой величины для компенсации реактивной мощности нагрузки.
Рассматриваемое устройство компенсирует реактивную мощность, снижая реактивную составляющую тока первой гармоники, потребляемую из сети. При этом корректируется коэффициент мощности и стабилизируется напряжение. Система автоматического управления является цифровой, что обеспечивает высокую точность вычислений.
Однако система автоматической коррекции коэффициента мощности компенсирует реактивную мощность в ограниченном диапазоне и способно осуществлять компенсацию, только при индуктивном характере нагрузки. Компенсация реактивной мощности при емкостном характере нагрузки данным устройством производиться не может. Кроме этого устройство не позволяет в достаточной степени снизить реактивную мощность высших гармоник и мощность искажения при резкопеременных нелинейно-параметрических нагрузках, так как в устройстве отсутствуют средства ослабления высших гармоник тока и напряжения сети. Поэтому устройство не обеспечивает электромагнитную совместимость потребителей электроэнергии.
Известен источник реактивной мощности (см. патент РФ №2335056, М.кл. H01J 3/18, H01F 29/14, опубл. 27.09.2008), используемый для компенсации реактивной мощности и стабилизации напряжения. Устройство содержит датчик напряжения сети, реакторный блок, который состоит из управляемого подмагничиванием реактора и управляемого выпрямителя и подключается к сети переменного тока, конденсаторный блок, состоящий из конденсаторов с выключателями также подключенный к сети переменного тока, датчик тока реактора, систему автоматического управления. Согласно принципу действия источник реактивной мощности работает следующим образом. При индуктивной нагрузке, возникает недостаток реактивной мощности, который вызывает соответствующее снижение напряжения в сети. Сигнал с датчика напряжения сети поступает в систему автоматического управления. Получив сигнал с датчика напряжения, система автоматического управления замыкает выключатели конденсаторного блока и передает сигнал в реакторный блок на снижение тока подмагничивания. В результате реактор снижает свой ток до минимального, и сеть получает реактивную мощность от конденсаторного блока. При изменении индуктивной составляющей нагрузки в сети происходит изменение напряжения, регистрируемое датчиком напряжения, и система автоматического управления, регулируя ток подмагничивания реактора, меняет его индуктивность, компенсируя реактивную составляющую мощности, и стабилизируя, таким образом, напряжение. При емкостной нагрузке, возникает избыточная реактивная мощность. В этом случае в сети может возникнуть повышенное напряжение, для снижения которого необходима работа устройства в режиме потребления реактивной мощности. Для этого система автоматического управления на основании сигнала с датчика тока реактора размыкает выключатели конденсаторного блока и передает сигнал в реакторный блок для регулирования индуктивности реактора. При этом происходит компенсация реактивной мощности емкостной нагрузки и стабилизация напряжения сети.
Источник реактивной мощности, в отличие от предыдущего аналога, компенсирует реактивную мощность как индуктивной, так и емкостной нагрузки.
Однако процесс компенсации реактивной мощности данным устройством основан на регистрации изменений уровня напряжения сети и не учитывает фазовый сдвиг между первыми гармониками тока и напряжения. При отсутствии изменений напряжения сети, когда мощность источника электроэнергии, значительно превосходит мощность нагрузки, данное устройство становится не работоспособным и не может осуществлять компенсацию реактивной мощности. Это снижает универсальность устройства и делает возможным его установку только в системах, в которых фиксируются изменения уровня напряжения сети при работе реактивных нагрузок. Система автоматического управления является аналоговой, что снижает точность регулирования и компенсации реактивной мощности. Кроме этого устройство не позволяет в достаточной степени снизить реактивную мощность высших гармоник и мощность искажения при резкопеременных нелинейно-параметрических нагрузках, так как в устройстве отсутствуют средства ослабления высших гармоник тока и напряжения сети. Поэтому устройство не может обеспечить электромагнитную совместимость потребителей.
Известен статический компенсатор реактивной мощности (см. патент РФ №2282912, М. кл. H01F 29/14, опубл. 27.08.2006), используемый для компенсации реактивной мощности и стабилизации напряжения. Устройство содержит датчик напряжения сети, реакторный блок, который подключается к сети переменного тока, конденсаторный блок, состоящий из конденсаторов с выключателями также подключенный к сети переменного тока, блок фильтров гармоник, состоящий из фильтров пятой и седьмой гармоник, систему автоматического управления. Согласно принципу действия статический компенсатор реактивной мощности работает следующим образом. При индуктивной нагрузке, возникает недостаток реактивной мощности, который вызывает соответствующее снижение напряжения в сети. Сигнал с датчика напряжения сети поступает в систему автоматического управления. Выключатели конденсаторного блока замыкаются и система автоматического управления, получив сигнал с датчика напряжения, передает сигнал в реакторный блок на снижение тока подмагничивания. В результате реактор снижает свой ток до минимального, и сеть получает реактивную мощность от конденсаторного блока. При изменении индуктивной составляющей нагрузки в сети происходит изменение напряжения, регистрируемое датчиком напряжения, и система автоматического управления, регулируя ток подмагничивания реактора, меняет его индуктивность, компенсируя реактивную составляющую мощности, и стабилизируя, таким образом, напряжение. При емкостной нагрузке, возникает избыточная реактивная мощность. В этом случае в сети может возникнуть повышенное напряжение, для снижения которого необходима работа устройства в режиме потребления реактивной мощности. Для этого выключатели конденсаторного блока размыкаются (вручную), и система автоматического управления передает сигнал в реакторный блок для регулирования индуктивности реактора. При этом происходит компенсация реактивной мощности емкостной нагрузки и стабилизация напряжения сети.
Данный статический компенсатор реактивной мощности компенсирует реактивную мощность как индуктивной, так и емкостной нагрузки, а также содержит фильтры пятой и седьмой гармоник, что в отличие от предыдущего аналога позволяет снизить реактивную мощность высших гармоник и мощность искажения при резкопеременных нелинейно-параметрических нагрузках.
Однако процесс компенсации реактивной мощности указанным устройством основан на регистрации изменений уровня напряжения сети и не учитывает фазовый сдвиг между первыми гармониками тока и напряжения. При отсутствии изменений напряжения сети, когда мощность источника электроэнергии, значительно превосходит мощность нагрузки, данное устройство становится неработоспособным и не может осуществлять компенсацию реактивной мощности. Это снижает универсальность устройства, которое может быть установлено только в тех системах, где происходят изменения уровня напряжения сети при работе реактивных нагрузок. Подключение и отключения конденсаторных батарей, содержащихся в конденсаторном блоке, осуществляется вручную, следовательно, данное устройство не может работать в полностью автоматическом режиме. Система автоматического управления является аналоговой, что снижает точность регулирования и компенсации реактивной мощности. Следует также отметить, что содержащиеся в устройстве блок фильтров гармоник, состоящий из двух фильтров (пятой и седьмой гармоник), является не управляемым и не позволяет в достаточной степени сузить спектр потребляемого из сети тока, снизить реактивную мощность высших гармоник, и мощность искажения при резкопеременных нелинейно-параметрических нагрузках. Поэтому устройство не может обеспечить электромагнитную совместимость потребителей электроэнергии и стабилизировать напряжение сети с высокой точностью, а постоянное включение фильтров пятой и седьмой гармоник с конечной добротностью, приводит к добавочным потерям энергии.
Данное устройство выбрано в качестве прототипа.
Достигаемым техническим результатом предлагаемой полезной модели является возможность компенсации реактивной мощности при отсутствии изменений уровня напряжения сети, сужение спектра потребляемого из сети тока при резкопеременных нелинейно-параметрических нагрузках, возможность работы устройства в полностью автоматическом режиме, повышение точности компенсации реактивной мощности и стабилизации напряжения, снижение добавочных потерь энергии, обеспечение электромагнитной совместимости потребителей.
Достижение указанного технического результата обеспечивается в предлагаемом компенсаторе реактивной мощности, содержащем датчик напряжения сети, входом подключенный к выходу источника электроэнергии, реакторный блок, конденсаторный блок, блок фильтров гармоник, отличающемся тем, что введены первый и второй блоки аналого-цифрового преобразования (первый и второй блоки АЦП), первый и второй блоки преобразования Фурье (первый и второй БПФ), блок цифровой обработки и управления, датчик тока сети, при этом блок фильтров гармоник состоит из n-фильтров гармоник, где n - число гармоник анализируемого спектра, первый блок АЦП входом подключен к выходу датчика напряжения сети, а выходом - ко входу первого БПФ, выходная шина которого соединена с соответствующей входной шиной блока цифровой обработки и управления, другая соответствующая входная шина которого подключена к выходной шине второго БПФ, вход которого подключен к выходу второго блока АЦП, вход которого подключен к соответствующему выходу датчика тока сети, вход которого подключен к выходу источника электроэнергии, а соответствующий выход - ко входам реакторного блока, конденсаторного блока, блока фильтров гармоник и выходу компенсатора реактивной мощности, который подключен к нагрузке, соответствующие выходы/входы блока цифровой обработки и управления соединены с соответствующими входами/выходами реакторного блока, конденсаторного блока и блока фильтров гармоник.
При этом реакторный блок может состоять из управляемого подмагничиванием реактора и управляемого выпрямителя.
Предлагаемый компенсатор реактивной мощности может содержать согласующие устройства, управляемые коммутаторы, устройства автоматической защиты, которые включаются внутри блоков АЦП, реакторного блока, конденсаторного блока, блока фильтров гармоник.
Введение в предлагаемое устройство датчика тока позволяет выделить ток на выходе источника электроэнергии и в последующем вычислить фазовый сдвиг между первыми гармониками тока и напряжения для повышения точности компенсации реактивной мощности, в том числе и при отсутствии изменений напряжения сети.
При этом первый и второй блоки АЦП введены для преобразования аналоговых сигналов с датчиков тока и напряжения в цифровую форму и для последующей обработки сигналов в цифровой форме, что также повышает точность компенсации реактивной мощности.
Наличие первого и второго БПФ позволяет вычислить амплитудные спектры тока и напряжения сети, а также начальные фазы первых гармоник тока и напряжения сети. Это позволяет осуществлять компенсацию реактивной мощности не только путем регистрации изменений уровня напряжения сети, как в прототипе, но и с учетом амплитудных спектров тока и напряжения сети, а также начальных фаз первой гармоники тока и напряжения сети.
Введенный в устройство блок цифровой обработки и управления осуществляет контроль спектров тока и напряжения, контроль фазового сдвига первых гармоник напряжения и тока, производит вычисления и формирует команды управления реакторным блоком, конденсаторным блоком и блоком фильтров гармоник. Это обеспечивает возможность работы устройства в автоматическом режиме, в том числе при отсутствии изменений уровня напряжения сети, а также позволяет сузить спектр потребляемого из сети тока при резкопеременных нелинейно-параметрических нагрузках и обеспечить электромагнитную совместимость потребителей. При этом блок цифровой обработки и управления осуществляет избирательное включение фильтров гармоник, снижая добавочные потери энергии по сравнению со стационарным включением фильтров.
Таким образом, введенные в предлагаемое устройство отличия позволяют достичь технического результата.
Структурная схема компенсатора реактивной мощности приведена на чертеже.
Согласно чертежу выход источника 1 электроэнергии соединен с входом компенсатора 2 реактивной мощности, к которому также подключен вход датчика 3 напряжения сети, выход которого подключен ко входу первого блока 4 АЦП, выход которого соединен со входом первого 5 БПФ, выходная шина которого соединена с соответствующей входной шиной блока 6 цифровой обработки и управления, вход датчика 3 напряжения сети соединен со входом датчика 7 тока сети, соответствующий выход которого подключен ко второму блоку 8 АЦП, выход которого соединен со входом второго 9 БПФ, выходная шина которого подключена к соответствующей входной шине блока 6 цифровой обработки и управления, соответствующие входы/выходы которого, соединены с соответствующими выходами/входами реакторного блока 10, конденсаторного блока 11 и блока 12 фильтров гармоник, соответствующие входы которых соединены с соответствующим выходом датчика 7 тока сети и выходом компенсатора 2 реактивной мощности, к которому подключена нагрузка 13.
Компенсатор 2 реактивной мощности работает следующим образом.
Сигналы с датчика 3 напряжения сети и с датчика 7 тока сети поступают соответственно, в первый 4 и второй 8 блоки АЦП, где преобразуются в цифровые сигналы. С выходов первого 4 и второго 8 блоков АЦП цифровые сигналы подаются в первый 5 и второй 9 БПФ. В первом 5 БПФ вычисляются амплитудный спектр и начальная фаза первой гармоники напряжения сети. Во втором 9 БПФ вычисляются амплитудный спектр и начальная фаза первой гармоники тока сети. Сигналы, содержащие информацию о спектрах напряжения и тока, с выходов первого 5 и второго 9 БПФ поступают в блок 6 цифровой обработки и управления. Блок 6 цифровой обработки и управления обрабатывает информационные сигналы и формирует команды управления реакторным блоком 10, конденсаторным блоком 11 и блоком 12 фильтров гармоник.
При индуктивном характере нагрузки 13, когда фазовый сдвиг между первыми гармониками напряжения и тока сети больше нуля в блоке 6 цифровой обработки и управления происходит вычисление значения расчетной емкости, необходимой для выдачи реактивной мощности и компенсации индуктивной составляющей тока сети, после чего выдаются команды в конденсаторный блок для подключения конденсаторов. Количество подключаемых конденсаторов, содержащихся в конденсаторном блоке 11, может быть любым и зависит от мощности нагрузки 13 и потребности в выдаче реактивной мощности. В процессе работы, вычисленное в блоке 6 цифровой обработки и управления значение расчетной емкости, всегда сравнивается со значением емкости, установленной в конденсаторном блоке 11, и определяется необходимое значение индуктивности реакторного блока 10 для обеспечения вычисленной ранее расчетной емкости. После этого блок 6 цифровой обработки и управления выдает команды управления выпрямителем, содержащемся в реакторном блоке 10, который изменяя свой выходной ток, обеспечивает подмагничивание реактора и установку определенного ранее значения индуктивности. Таким образом, регулируется уровень выдачи реактивной мощности конденсаторным блоком 11 и происходит компенсация реактивной мощности первой гармоники при индуктивном характере нагрузки независимо от изменений уровня напряжении в сети. При этом за счет плавного параметрического регулирования индуктивности реакторного блока 10, по мере роста потребляемой реакторным блоком 10 мощности до номинальной, выдача реактивной мощности конденсаторным блоком 11 снижается практически до нуля без необходимости дополнительных коммутаций выключателями. Следует также отметить, что подключение конденсаторов, содержащихся в конденсаторном блоке, или их отключение осуществляется автоматически и зависит от потребности в выдаче реактивной мощности.
При емкостном характере нагрузки 13, когда фазовый сдвиг между первыми гармониками напряжения и тока сети меньше нуля в блоке 6 цифровой обработки и управления происходит вычисление необходимой индуктивности для потребления реактивной мощности и компенсации емкостной составляющей тока сети. Для этого блок 6 цифровой обработки и управления подает сигнал в конденсаторный блок 11 для отключения установленных в нем конденсаторов, после чего выдаются команды управления выпрямителем, содержащемся в реакторном блоке 10, который регулируя свой выходной ток, обеспечивает подмагничивание реактора и установку, вычисленной ранее индуктивности. При этом регулируется уровень потребляемой реакторным блоком 10 реактивной мощности и происходит компенсация реактивной мощности первой гармоники при емкостном характере нагрузки независимо от изменений уровня напряжения в сети.
Помимо компенсации реактивной мощности первой гармоники компенсатор 2 реактивной мощности позволяет снизить реактивную мощность высших гармоник и мощность искажения при резкопеременных нелинейно-параметрических нагрузках, а также способствует уменьшению добавочных потерь энергии, связанных со стационарным (постоянным) включением фильтров гармоник, имеющих конечную добротность. Для этого компенсатор 2 содержит блок 12 фильтров гармоник, который управляется блоком 6 цифровой обработки и управления - избирательно. Блок 6 цифровой обработки и управления анализирует спектр тока и напряжения сети, вычисляет коэффициент гармоник тока и коэффициент гармоник напряжения и сравнивает их с предварительно заданными в блоке 6 цифровой обработки и управления коэффициентами. Если коэффициенты гармоник тока или напряжения превышают заданные коэффициенты, то определяются гармоники, имеющие максимальные амплитуды и выдаются команды в блок 12 фильтров гармоник на включение соответствующих фильтров до тех пор, пока коэффициенты гармоник тока и напряжения не будут меньше или равны заданным коэффициентам. При этом сужается спектр потребляемого из сети тока, повышается точность компенсации реактивной мощности и стабилизации напряжения, снижаются добавочные потери энергии, обеспечивается электромагнитная совместимость потребителей электроэнергии.
Таким образом, предлагаемый компенсатор реактивной мощности работает в полностью автоматическом режиме и позволяет: компенсировать реактивную мощность при отсутствии изменений уровня напряжения сети, значительно сузить спектр потребляемого из сети тока при резкопеременных нелинейно-параметрических нагрузках, повысить точность компенсации реактивной мощности и стабилизации напряжения, снизить добавочные потери энергии, обеспечить электромагнитную совместимость потребителей.
Рассмотрим пример выполнения блоков предлагаемого компенсатора реактивной мощности.
В качестве датчика 7 тока и датчика 3 напряжения в зависимости от мощности нагрузки могут использоваться датчики тока ДТТ-01…ДТТ-09 или LT 4000-S…LT 10000-S и датчики напряжения типа ДН 350Н3, ДН 324Н3, ACV.
Блоки 4 и 8 АЦП могут быть выполнены на микросхемах AD7760 фирмы «Analog Devices».
Блоки 5 и 9 БПФ и блок 6 цифровой обработки и управления могут быть выполнены на ПЛИС (FPGA) EP2C20…50 фирмы «Альтера».
Реакторный блок 10 может содержать управляемый подмагничиванием реактор, управляемый выпрямитель, управляемые коммутаторы, согласующие устройства, устройства автоматической защиты или может быть выполнен аналогично прототипу.
Конденсаторный блок 11 может содержать конденсаторы, управляемые коммутаторы, согласующие устройства, устройства автоматической защиты. При этом согласующие устройства могут содержать усилители типа SGA фирмы «Sirenza», аттенюаторы марки DAT-31R5-SN, согласующие цепи на RC-элементах, фильтры, трансформаторы фирмы «Mini-Circuits».
Блок 12 фильтров гармоник может содержать n-фильтров гармоник, которые представляют собой последовательные колебательные контуры на LC-элементах, подключаемые при помощи управляемых коммутаторов, например фирмы «Harting Electric».