Способ компенсации несимметрии напряжения в трехфазной сети
METHOD FOR COMPENSATION OF VOLTAGE UNBALANCE IN THREE-PHASE NETWORK

Область техники.
Предлагаемый способ относится к электроэнергетике и может быть использован в системах управления устройств, выполняющих функцию симметрирования трехфазного напряжения, например, тиристорно-реакторных групп (ТРГ) статических тиристорных компенсаторов (СТК) или транзисторных преобразователей в составе СТАТКОМов, которые устанавливаются в электрических сетях среднего и высокого напряжения для улучшения показателей качества электроэнергии.
Несимметрия линейных напряжений в трехфазной сети возникает из-за несимметричных нагрузок или несимметрии линейных параметров самой сети и характеризуется наличием обратной последовательности трехфазного напряжения, компенсация которой осуществляется устройством симметрирования.
Уровень техники
Известен способ компенсации несимметрии напряжений в трехфазной сети, при котором управляющие воздействия, обеспечивающие формирование компенсирующих токов обратной последовательности вырабатываются по результатам измерения линейных напряжений и токов сети, выполняемого с помощью измерительных трансформаторов напряжения (ТН) и трансформаторов тока (ТТ) соответственно [1].
Недостаток решения [1] состоит в следующем.
Известно, что при наличии высших гармоник в измеряемом напряжении (например, из-за нелинейных нагрузок) угловая погрешность трансформатора напряжения увеличивается [2]. Это объясняется, в частности, тем, что при наличии высших гармоник возрастают активные потери, приводящие к увеличению сдвига фаз между первичным и вторичным напряжением ТН. Из-за угловой погрешности ТН компенсация напряжения обратной последовательности также осуществляется с соответствующей погрешностью, снижающей качество поставляемой электроэнергии, одной из характеристик которого является величина несимметрии трехфазного напряжения [3]. Еще одним недостатком решения [1] является необходимость использования измерительных трансформаторов двух видов: ТН и ТТ.
Известен выбранный в качестве прототипа способ компенсации несимметрии напряжения в трехфазной сети, заключающийся в измерении мгновенных значений линейных напряжений сети, вычислении по результатам измерений управляющих воздействий и подаче их через трехканальный пропорционально-интегральный регулятор (ПИ-регулятор) в блок управления симметрирующего устройства.
В качестве симметрирующего устройства в прототипе используется СТК, а в качестве его блока управления - блок фазо-импульсного управления (ФИУ) ТРГ [4].
Функциональная схема, иллюстрирующая осуществление способа-прототипа представлена на фиг. 1.
СТК состоит из ТРГ, фильтро-компенсирующего устройства (ФКУ) и системы управления (СУ) ТРГ.
В состав СУ ТРГ входят блок ФИУ, блок фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), первый блок преобразования (Б1), второй блок преобразования (Б2) и трехканальный ПИ-регулятор, состоящий из трех одноканальных ПИ-регуляторов (ПИ1, ПИ2 и ПИ3).
аb
bc
ca
аb
bc
ca
Мгновенные значения линейных напряжений u, u и u измеряются на сборных шинах СШ1 подстанции трехфазной группой трансформаторов напряжения (ТН). Блок ФАПЧ по измеренным напряжениям определяет мгновенные значения фазы θ сетевого напряжения, которые поступают в блок Б1 и блок ФИУ. Блок Б1 по измеренным мгновенным значениям напряжения u, u и u и фазы θ, используя известные методы расчета [5], вычисляет во вращающейся системе ортогональных координат (d-q координат) составляющие U2d и U2q напряжения прямой последовательности и составляющие U1d и U1q напряжения обратной последовательности. При этом (см. фиг. 1) составляющие U2d и U2q в общем случае не равны нулю, а в напряжении прямой последовательности присутствует только составляющая U1d, другая составляющая U1q считается тождественно равной нулю, что обеспечивается подстройкой фазы θ системы координат d-q за счет действия блока ФАПЧ.
Далее отклонение U1d-Uуcт, где Uуcт - уставка по напряжению прямой последовательности, и величины U2d и U2q поступают на входы регуляторов ПИ1, ПИ2 и ПИ3, образующих трехканальный ПИ-регулятор, управляющий токами обратной последовательности СТК.
Таким образом, в качестве управляющих воздействий в прототипе используется U2d и U2q - две ортогональные составляющие напряжения обратной последовательности и одна составляющая U1d напряжения прямой последовательности.
Выходные сигналы ПИ-регуляторов подаются на вход блока Б2, вычисляющего значения проводимостей Bab, Bbc и Вса фаз ТРГ, входящей в состав СТК. Проводимости Bab, Bbc и Вса в качестве уставок, определяющих фазовые углы включения тиристоров ТРГ, подаются на управляющие входы блока ФИУ.
Блок ФИУ по вычисленным в блоке Б2 значениям Bab, Bbc, Вса и значению фазы θ, полученному от блока ФАПЧ, вычисляет фазовые углы включения вентилей ТРГ и в соответствующие моменты формирует импульсы управления. В результате ТРГ формирует компенсирующие токи обратной последовательности, которые создают на сопротивлении Z проводов трехфазной сети падение напряжения, встречное обратной последовательности напряжений.
Как видно из вышеописанного, прототип, в отличие от аналога [1], использует измерительные трансформаторы только одного вида - ТН.
Недостаток способа-прототипа состоит в том, что в нем компенсация напряжения обратной последовательности осуществляется управляющими воздействиями U2d, U2q и U1d, зависящими от угловой погрешности ТН, и следовательно, с соответствующей остаточной несимметрией линейных напряжений, снижающей качество электроэнергии.
Сущность изобретения
Предметом изобретения является способ компенсации несимметрии напряжения трехфазной сети, заключающийся в измерении мгновенных значений линейных напряжений сети, вычислении по результатам измерений управляющих воздействий и их подаче через трехканальный пропорционально-интегральный регулятор в блок управления симметрирующего устройства, отличающийся тем, что по измеренным мгновенным значениям линейных напряжений сети вычисляют амплитуды первых гармоник каждого из линейных напряжений, среднее значение вычисленных амплитуд и их отклонения от среднего значения, а затем используют вычисленные отклонения в качестве указанных управляющих воздействий.
Это позволяет получить технический результат, состоящий в повышении качества поставляемой электроэнергии за счет обеспечения более точной симметрии линейных напряжений.
Изобретение имеет развитие, которое состоит в том, что дополнительно вычисляют отклонение указанного среднего значения амплитуд первых гармоник линейных напряжений от уставки и подают его через дополнительный пропорционально-интегральный регулятор на блок управления симметрирующего устройства.
Это позволяет дополнительно повысить качество поставляемой электроэнергии за счет уменьшения отклонения линейного напряжения от номинального значения (это отклонение также является показателем качества электроэнергии).
Осуществление изобретения с учетом его развития
На фиг. 2 представлена функциональная схема, иллюстрирующая осуществление заявляемого способа на примере симметрирующего устройства в виде статического тиристорного компенсатора.
На схеме показаны:
1 - статический тиристорный компенсатор (СТК);
2 - фильтро-компенсирующее устройство (ФКУ);
3 - тиристорно-реакторная группа (ТРГ);
4 - система управления (СУ) ТРГ.
В состав системы управления 4 входят блок 5 фазо-импульсного управления (ФИУ), блок 6 фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), блоки преобразования 7 и 8, трехканальный пропорционально-интегральный регулятор (ПИ-регулятор), состоящий из одноканальных ПИ-регуляторов 9, 10 и 11, также одноканальный дополнительный ПИ-регулятор 12.
Кроме того, на фиг. 2 показаны трехфазная группа 13 трансформаторов напряжения (ТН) и сборные шины 14 подстанции.
Заявляемый способ осуществляют следующим образом (см. фиг. 2).
аb
bc
ca
аb
bc
ca
Мгновенные значения линейных напряжений u, u и u на сборных шинах 14 измеряются группой 13 ТН. Блок 6 ФАПЧ по мгновенным значениям измеренных напряжений вычисляет мгновенные значения фазы θ сетевого напряжения, которые передаются в блок 5 ФИУ. Блок 7 по мгновенным значениям измеренных напряжений u, u и u вычисляет амплитуды Uabm, Ubcm, Ucam первых гармоник соответствующих линейных напряжений любым известным способом (например, с помощью разложения сигнала на периоде промышленной частоты в ряд Фурье). Блок 8 вычисляет Ucp - среднее арифметическое значение трех напряжений Uabm, Ubcm, Ucam и их отклонения dUabm, dUbcm; dUcam от Ucp (dUabm = Uabm-Ucp; dUbcm = Ubcm-Ucp; dUcam = Ucam-Ucp). Вычисленные значения отклонений dUabm, dUbcm; dUcam поступают на пропорционально-интегральные регуляторы 9, 10, 11, имеющие функции постоянного ограничения выходной величины снизу и сверху, а также функцию защиты интегратора от насыщения. Для всех регуляторов 9, 10, 11 постоянное ограничение снизу равно 0, постоянное ограничение сверху соответствует Вшах - проводимости фазного реактора в тиристорно-реакторной группе 3.
Данные с выходов ПИ-регуляторов 9, 10, 11 в качестве основных составляющих Bab2, Bbc2, Вса2 задаваемых (для компенсации напряжения обратной последовательности) значений эквивалентных проводимостей соответствующих фаз тиристорно-реакторной группы 3 поступают (через сумматоры 15, 16, 17) на управляющие входы блока 5 ФИУ.
Отклонение dUcp вычисленного среднего напряжения Ucp от заданной уставки Uуcт поступает на вход пропорционально-интегрального регулятора 12, имеющего функции плавающего ограничения выходной величины снизу и сверху, а также защиты интегратора от насыщения. Ограничения регулятора 12 являются переменными величинами. Ограничение сверху равно max (Bab2, Bbc2, Вса2), а снизу - min (Bab2, Bbc2, Вса2).
ДОП
На выходе регулятора 12 формируется дополнительная составляющая В задаваемых значений эквивалентных проводимостей фаз ТРГ 3, суммируемая (сумматорами 15, 16, 17) с каждой основной составляющей Bab2, Bbc2, Вса2. Результаты сложения Bab, Bbc, Вса поступают на управляющие входы блока 5 ФИУ, который по ним и фазе θ известными методами [6] вычисляет моменты включения тиристорных вентилей в фазах тиристорно-реакторной группы 3 и формирует соответствующие импульсы включения.
Предлагаемый способ не подвержен влиянию угловой погрешности измерения трансформаторов напряжения 13, поскольку использует только амплитуды первых гармоник измеряемых напряжений. Это позволяет симметрирующему устройству в условиях увеличенной угловой погрешности ТН, обусловленной в частности наличием высших гармоник, устанавливать в сети режим с уменьшенным значением напряжения обратной последовательности, определяемым только погрешностью измерения амплитуд первых гармоник напряжений, и соответственно повысить качество электроэнергии.
Источники информации
1. Патент США US 4172234 H02j 3/18 оп. 23.10.1979.
2. Андреенков, А.С. Дисс. к.т.н. Исследование погрешностей трансформаторов напряжения в распределительных сетях 6-35 кВ. - Смоленск, 2016.
3. ГОСТ 32144-2013 Межгосударственный стандарт. Электрическая энергия совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения
4. Makinen, A. Asymmetrical control of utility static VAR compensator for grid voltage balancing [Electronic resource] Proceedings on Cepsi / A.S. Makinen, J. Aho, A.M. Pena. - Bankok, 2016
[www.cepsi2016bangkok.org/pdf/FP_B.1_GE_Asymmetrical%20Control%20of%20Utility%20Static%20Var%20Compensator%20for%20Grid%20Voltage%20Balancing.pdf].
5. P. Rodriquez, J. Pou, J. Bergas, J.I. Candela, R.P. Burgos, D. Boroyevich, Decoupled double synchronous reference frame PLL for power converters control, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 22, No. 2, March 2007, pp. 548-592.
6. Кочкин В.И. Применение статических компенсаторов реактивной мощности в электрических сетях энергосистем и предприятий / В.И. Кочкин, О.П. Нечаев. - М.: НЦ ЭНАС, 2002. - 248 с.