СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БАЛАНСА НАКОПЛЕННОЙ ЭНЕРГИИ В УСТРОЙСТВЕ АВТОМАТИЧЕСКОЙ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ
METHOD OF PROVIDING BALANCE OF ACCUMULATED ENERGY IN AUTOMATIC REACTIVE POWER COMPENSATION DEVICE

Изобретение относится к электротехнике и электроэнергетике, а именно к способам сохранения необходимой величины и постоянства накопленной электрической энергии в реактивных элементах устройств автоматической компенсации реактивной мощности и фильтрации высших гармоник и может быть использовано для создания простых и эффективных систем управления этими устройствами.
Основу известных устройств автоматической компенсации реактивной мощности и фильтрации высших гармоник составляет инвертор напряжения, образованный совокупностью полностью управляемых силовых ключей, работающих на высокой частоте переключения. На стороне переменного тока инвертор напряжения подключается к фазам сети переменного тока через дроссели. На стороне постоянного тока инвертора напряжения предусмотрен накопительный (буферный) конденсатор, электрическая энергия которого используется для создания корректирующих токов, способных компенсировать составляющие реактивной мощности и мощности искажений нагрузки потребителя, включенного в сеть переменного тока. Поэтому при создании системы управления устройством автоматической компенсации реактивной мощности важно иметь эффективный способ контроля уровня заряда на накопительном конденсаторе инвертора напряжения, поскольку он определяет режим компенсации и итоговое соотношение составляющих мощностей в сети переменного тока.
max
min
max
min
Известен способ контроля уровня заряда на накопительном конденсаторе в процессе управления устройством компенсации реактивной мощности, содержащим параллельно подключенные к шинам переменного тока тиристорно-реакторную группу, конденсаторные батареи-фильтры высших гармоник и статический компенсатор реактивной мощности на полностью управляемых вентилях (СТАТКОМ), заключающийся в том, что измеряют напряжение u на шинах переменного тока, сравнивают напряжение u с уставками U и U, формируют управляющие сигналы, причем при превышении напряжения u уставки U отключают конденсаторные батареи-фильтры высших гармоник, измеряют величины и фазы гармоник тока в цепи тиристорно-реакторной группы и формируют в токе статического компенсатора гармоники, пропорциональные и противофазные измеренным гармоникам, а при снижении напряжения u ниже уставки U отключают тиристорно-реакторную группу и включают конденсаторные батареи-фильтры высших гармоник [Патент РФ №2280934, H02J 3/18. Способ управления устройством компенсации реактивной мощности / М.И. Мазуров, А.В. Николаев, Р.А. Дайновский, Б.П. Краснова. - опубл. 27.07.2006, Бюл. №21].
Однако в указанном способе управления предусматривается дискретное включение и отключение как фильтров высших гармоник, так тиристорно-реакторной группы в составе автономного инвертора в устройстве автоматической компенсации реактивной мощности. Это усложняет соблюдение условия поддержания напряжения на накопительном конденсаторе на таком уровне, который бы обеспечил непрерывное соблюдение требуемого коэффициента мощности, определяемого известным соотношением составляющих мощностей в сети переменного тока.
Известен также способ поддержания заданного значения напряжения на накопительном конденсаторе в устройстве параллельного активного фильтра для повышения коэффициента мощности и компенсации токов высших гармоник и состоящего из инвертора, к которому со стороны постоянного тока подключен накопительный конденсатор, уровень напряжения на котором контролирует дополнительно введенный регулятор [Патент РФ №2413350, H02J 3/18. Способ компенсации высших гармоник и коррекции коэффициента мощности сети / Б.Н. Абрамович, В.В. Полищук, Ю.А. Сычев. - опубл. 27.02.2011, Бюл. №6]. В соответствии со способом регулятор дает сигнал на силовые ключи инвертора для подзаряда накопительного конденсатора, если фактическое напряжение ниже задания. Регулятор обеспечивает запас величины напряжения конденсатора в случае внезапного изменения режима работы нелинейной нагрузки, приводящего к увеличению потребляемого ей искаженного тока и, как следствие, к росту величины необходимого компенсационного тока. Регулятор имеет верхний и нижний пределы ограничения, не позволяющие устройству работать в режиме длительной перегрузки.
Однако в указанном способе для контроля уровня заряда используется релейный принцип поддержания напряжения на накопительном конденсаторе, при этом величина ширины гистерезиса релейного регулятора будет приводить к небалансу компенсируемых устройством в сети переменного тока реактивных мощностей, относительно мощности, развиваемой устройством за счет запасенной энергии заряда накопительного конденсатора. Это является недостатком способа, поскольку образующийся небаланс мощностей ухудшает точность отработки задания устройством по компенсационному току и требует увеличения частоты переключения силовых ключей инвертора.
Σ
ИСТ
ЗАД
Ф
ЗАД
Ф
Ф
ЗАД
Ф
Кроме того, известен способ поддержания заданного значения напряжения на накопительном конденсаторе как источнике реактивной мощности при помощи устройства дозарядки на стороне постоянного тока инвертора напряжения в трехфазном компенсаторе реактивной мощности, в который введены дополнительные блоки: устройство вычисления активной и реактивной мощности, устройство вычисления заданного напряжения, элементы сравнения, пропорционально-интегрирующий регулятор (ПИ-регулятор), блок управления устройством дозарядки источника реактивной мощности и датчик напряжения [Патент РФ №2420848, H02J 3/18. Трехфазный компенсатор реактивной мощности / Ю.М. Кулинич, В.К. Духовников. - опубл. 10.06.2011, Бюл. №16], заключающийся в том, что суммарная реактивная мощность Q вычисляется с помощью блока вычисления активной и реактивной мощности, а необходимое для ее компенсации напряжение U на зажимах источника реактивной мощности рассчитывается устройством вычисления заданного напряжения в соответствии с выражением . С помощью блока управления устройством дозарядки источника реактивной мощности происходит регулирование напряжения на зажимах источника реактивной мощности. Для этого на вход блока управления устройством дозарядки источника реактивной мощности через ПИ-регулятор подается разностный сигнал ΔU=U-U, пропорциональный разности заданного U и фактического U значений напряжения источника реактивной мощности. Датчик напряжения определяет фактическое значение напряжения U. Элемент сравнения сравнивает заданное и фактическое значения напряжений. ПИ-регулятор обеспечивает изодромное регулирование и нулевое установившееся значение ошибки по положению (разности напряжений ΔU=U-U) по закону регулирования
ЗАД
Ф
где k, Т - соответственно коэффициент усиления и постоянная времени ПИ-регулятора. При изменении тока трехфазной нагрузки происходит изменение реактивной составляющей ее мощности. Увеличение тока трехфазной нагрузки приводит к увеличению реактивной мощности, что требует повышения уровня напряжения источника реактивной мощности, затрачиваемого для компенсации реактивной мощности. Снижение тока трехфазной нагрузки, наоборот, должно сопровождаться уменьшением напряжения источника реактивной мощности. Устройство вычисления заданного напряжения для постоянной емкости конденсатора источника реактивной мощности рассчитывает необходимое значение напряжения U на обкладках конденсатора. Если это напряжение не равно фактическому значению напряжения U, то появляется разностный сигнал ΔU на выходе элемента сравнения. В соответствии с уравнением (1) ПИ-регулятор преобразует входную координату ΔU в управляющий сигнал у для блока управления устройством дозарядки источника реактивной мощности.
Однако указанный способ управления требует введения в устройство автоматической компенсации реактивной мощности дополнительных блоков вычисления и регулирования, которые должны обладать высоким быстродействием, позволяющим отрабатывать резкие изменения тока нелинейной нагрузки с реактивным характером длительностью от тысячных долей миллисекунд. Выполнение этих требований обусловлено непрерывным контролем соответствия между запасенной энергией в накопительном конденсаторе и необходимой энергией для создания режима компенсации и обеспечения условия баланса мощностей. Это потребует применения дополнительных настроек во введенных блоках, снизит надежность функционирования устройства автоматической компенсации реактивной мощности и приведет к дополнительным затратам.
k
k
m
компенсации
нагрузки
сети
m
m
Известен также способ поддержания заданного значения напряжения на накопительном конденсаторе, который реализован в устройстве автоматической компенсации реактивной мощности [Патент РФ №186406, H02J 3/18. Устройство автоматической компенсации реактивной мощности / Н.И. Щуров, А.А. Штанг, А.В. Мятеж, С.В. Мятеж, Е.А. Спиридонов, Е.Ю. Абрамов. - опубл. 21.01.2019, Бюл. №3], являющийся прототипом предлагаемого изобретения и заключающийся в том, что измеряют напряжение сети U(t) и тока компенсации i(t) и при помощи одного микропроцессорного блока вычисляют среднее значение мощности за период, для этого измеренные значения непрерывно умножают и получают произведения i(t)⋅U(t), которые интегрируют и относят к рабочему периоду Т, определяют тем самым результат , который отражает активную мощность, передаваемую от инвертора напряжения устройства автоматической компенсации реактивной мощности в трехфазную сеть и обратно (направление зависит от знака интегральной суммы), а для устранения статизма полученный результат интегрируют другим электронным устройством и формируют значение амплитуды желаемого гармонического тока I, и если имеет место отрицательное значение интегральной суммы Р=Р-Р, то автоматически увеличивают значение амплитуды тока I для того, что бы сократить разность между мощностью нагрузки и мощностью, потребляемой из сети до пренебрежимо малых значений, а если имеет место положительный знак мощности компенсации, что говорит о подпитке активной мощностью нагрузки от накопительного конденсатора и быстром истощении его заряда, то на выходе интегратора активной мощности уменьшают значение амплитуды тока I до тех пор, пока значение активной мощности компенсации не станет пренебрежимо мало. Таким образом, описанный способ в устройстве автоматической компенсации реактивной мощности автоматически сохраняет постоянство заряда накопительного конденсатора, а алгоритм автоматического компенсатора реактивной мощности в общем случае способен работать в трехфазной сети, напряжения фаз которых и токи нагрузки не являются синусоидальными и симметричными.
Однако указанный способ контроля заряда накопительного конденсатора для получения энергии, обеспечивающей режим компенсации, требует непрерывного определения баланса потребляемых устройством активных мощностей по всем фазам и подразумевает использование ресурсов аппаратных средств двух перечисленных вычислительных блоков для реализации непрерывных вычислений, что связано с необходимостью применения электронных и микропроцессорных устройств, составлением алгоритмов и программ и обусловит в конечном итоге дополнительные затраты.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является сокращение количества вычислительных процедур, которым для поддержания баланса накопленной энергии требуются непрерывные расчеты в системе управления устройством автоматической компенсации реактивной мощности.
Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемом способе обеспечения баланса накопленной энергии в устройстве автоматической компенсации реактивной мощности измеряют напряжение сети, формируют значение амплитуды желаемого гармонического тока и для сохранения заряда накопительного конденсатора автоматически устраняют статизм и сокращают разность между мощностью нагрузки и мощностью, потребляемой из сети, при этом измеряют напряжение на накопительном конденсаторе и контролируют соответствие между запасенной энергией в накопительном конденсаторе и необходимой энергией для создания режима компенсации за счет свойства конденсаторов осуществлять непрерывное интегрирование, для этого известную величину емкости накопительного конденсатора считают коэффициентом в алгебраическом выражении, в котором этот коэффициент умножают на измеренную величину изменения фактического напряжения на накопительном конденсаторе и делят на малый промежуток времени, из полученного результата вычитают умноженную на принятый коэффициент поправочную разность величин заданного и фактического напряжения на накопительном конденсаторе, измеренного в текущий момент, и в результате данных вычислений определяют амплитуду желаемого гармонического тока, которая автоматически сохраняет баланс накопленной энергии в устройстве автоматической компенсации реактивной мощности в виде постоянства электрического заряда на накопительном конденсаторе.
Предлагаемый способ исключает аппаратно-программную вычислительную процедуру определения баланса потребляемых устройством активных мощностей по всем фазам, а контроль соответствия между запасенной энергией в накопительном конденсаторе и необходимой энергией для создания режима компенсации достигается естественным путем, используя фундаментальное свойство конденсаторов осуществлять непрерывное интегрирование. Поскольку накопленное напряжение на обкладках конденсатора пропорционально интегралу тока, то результат данной операции, отнесенный к интервалу времени, кратному рабочему периоду Т, будет пропорционален активной мощности, передаваемой устройством в трехфазную сеть и обратно. При этом знак изменения величины напряжения на обкладках накопительного конденсатора будет непосредственно свидетельствовать о наличии положительного или отрицательного небаланса мощностей, а отсутствие изменения величины напряжения на обкладках накопительного конденсатора будет означать достижение баланса накопленной энергии.
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ. 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 устройства 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 устройства будут соответствовать фиг. 5.
Ф
m
n
n
n
m
m
n
m
Устройство (фиг. 1), реализующее предлагаемый способ, содержит: 1 - инвертор напряжения на основе схемы управляемого трехфазного моста с накопительным конденсатором и трехфазным дросселем; 2 - датчик, непосредственно измеряющий фактическую величину напряжения U накопительного конденсатора; 3 - арифметический вычислитель амплитуды желаемого гармонического тока I; 4 - датчики напряжения сети U(t); 5 - формирователь корректирующего тока; 6 - трансформаторы тока нагрузки i(t); 7 -нагрузка с реактивным характером, присоединенная к трехфазной электрической сети, которая в общем случае может быть нелинейной. Нагрузка 7 получает питание от трехфазной сети, вызывая протекание токов i(t), которые фиксируют трансформаторы тока 6. Формирователь 5 получает данные сигналов напряжения сети U(t) от датчиков напряжения 4 и данные сигналов токов нагрузки i(t) от трансформаторов тока 6 и 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 5 корректирующего тока. Арифметический вычислитель амплитуды I желаемого гармонического тока 3 выполняет условие сохранение баланса накопленной энергии в накопительном конденсаторе, поскольку производимые им вычисления являются аналогом решения интегрального уравнения (1) для определения формирователем 5 управляющего воздействия на инвертор напряжения 1 с целью обеспечения непрерывного восполнения заряда накопительного конденсатора. Таким образом, устранена необходимость непрерывного решения интегрального уравнения средствами электронных и микропроцессорных устройств, требующих высокого быстродействия, а взамен решения интегрального уравнения предложено более простое решение алгебраического уравнения, сокращено количество вычислительных процедур и упрощен процесс регулирования, основанный на способе обеспечения баланса накопленной энергии в устройстве автоматической компенсации реактивной мощности.
Способ осуществляется следующим образом. Имеющийся в устройстве накопительный конденсатор будет дополнительно выполнять функцию параметрического аппаратного интегратора, исключив из структурной блок-схемы прототипа два дополнительных вычислительных блока, определяющих баланс активных мощностей, потребляемых устройством по всем фазам, поскольку в соответствии с уравнением из теоретических основ электротехники
m
2
1
m
Ф
2
Ф
1
ЗАД
Ф
2
ЗАД
2
из чего следует, что известная емкость С является коэффициентом в алгебраическом выражении, позволяющем вычислять амплитуду желаемого гармонического тока I, если датчиком напряжения 2 определено изменение фактического напряжения ΔU на накопительном конденсаторе за малый промежуток времени Δt. Вычислитель 3 для каждого момента времени t=t+Δt непрерывно осуществляет поиск такого значения амплитуды желаемого гармонического тока I, которое приводит к отсутствию изменений величин фактических напряжений U(t)-U(t)→0 на обкладках накопительного конденсатора и определяет текущее значение амплитуды желаемого гармонического тока . Для устранения статизма в алгебраическое выражение вычислителя дополнительно введена поправочная разность K(U-U(t)), фиксирующая возможное расхождение между заданным значением U напряжения на обкладках накопительного конденсатора и фактического значения, измеренного датчиком 2 в текущий момент времени t. Таким образом, переложив на накопительный конденсатор функцию параметрического аппаратного интегратора, введенный в систему управления вычислитель 3 вместо решения интегрального уравнения (1) в силу свойств (2) достигает аналогичного результата путем решения алгебраического уравнения
а для произвольного момента времени
Ф
Ф
m
Ф
m
Поэтому, даже малое изменение ΔU, фиксируемое вычислителем 3, будет нивелировано растущим управляющим воздействием. Режим, при котором ΔU>0, приведет к росту значения амплитуды желаемого гармонического тока I, что вызовет сокращение разности между мощностью нагрузки и мощностью, потребляемой из сети. И наоборот, режим, при котором ΔU<0, означает подпитку активной мощностью нагрузки от накопительного конденсатора и быстром истощении его заряда, вычислитель 3 будет формировать уменьшение тока I до тех пор, пока значение активной мощности компенсации не станет пренебрежимо мало. Эти процессы идут до тех пор, пока имеется разность между значениями мощности нагрузки и мощности, потребляемой из сети. Таким образом, предлагаемый способ автоматически сохраняет баланс накопленной энергии в виде электрического заряда на накопительном конденсаторе устройства автоматической компенсации реактивной мощности.
Техническим результатом является использование накопительного конденсатора в дополнительной роли параметрического аппаратного интегратора, что позволило исключить из структурной схемы прототипа два вычислительных блока, выполняющих при помощи средств электронной и микропроцессорной техники умножение тока компенсации на напряжение сети и определяющих путем интегрирования среднее значение мощности за период и пропорционального ей значения тока компенсации. Сокращение количества вычислительных блоков и процедур, в свою очередь уменьшает количество быстродействующих электронных и микропроцессорных устройств, ведет к упрощению алгоритмов и программ и обусловит в конечном итоге снижение себестоимости устройства автоматической компенсации реактивной мощности в целом.