СПОСОБ И УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ АДАПТИВНОЙ СИСТЕМОЙ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ N-ФАЗНОЙ СЕТИ
METHOD AND DEVICE FOR CONTROL OF ADAPTIVE ENERGY-SAVING SYSTEM OF N-PHASE NETWORK

Изобретение относится к электротехнике, а именно к способам и устройствам, обеспечивающим повышение качества тока в электрических сетях в условиях переменных нагрузок и помех.
Из уровня техники для повышения качества тока в электрических сетях в условиях переменных нагрузок и помех известны способы управления системами энергосбережения, заключающиеся в следующем: разбивают весь энерготехнологический процесс на этапы его проведения; устанавливают измерители энергии и вычисляют энергию на каждом этапе; определяют энергоемкость этапов в исходном варианте энерготехнологического процесса, намечают энергосберегающие мероприятия, в качестве которых могут выступать регулирование параметров, изменение режимов, замена элементов, прочие технические, технологические, производственные, организационные меры, направленные на повышение эффективности данного этапа энерготехнологического процесса; определяются энергоемкости этапов при внедрении намеченных энергосберегающих мероприятий; вычисляют коэффициенты эффективности энергосберегающих мероприятий; энерготехнологический процесс проводят применением таких энергосберегающих мероприятий на каждом этапе, чтобы его общий коэффициент эффективности принимал максимальное значение (Патент РФ №2357342, МПК H02J 3/18, 21.04.2008) [1]. Недостатком данного решения является ограниченные функциональные возможности, обусловленные невозможностью обеспечить динамическую адаптацию системы энергосбережения к случайным изменениям нагрузки и воздействию помех в ходе электротехнического процесса.
Известен способ управления системой энергосбережения в условиях переменных нагрузок, в котором для компенсации реактивной мощности производят коммутацию косинусных конденсаторов в моменты достижения линейным напряжением, под которое подключен конденсатор амплитудного значения, а также устройство для его осуществления, содержащее входную трехфазную четырехпроводную шину, для подключения к источнику питания, выходную трехфазную шину для подключения нагрузки, три трансформатора тока, регулятор реактивной мощности, К ступеней регулирования, состоящих из двунаправленных ключей и трех конденсаторов каждая, зарядно-разрядное устройство с функцией компенсации токов утечки конденсаторов (Патент РФ №2467448, МПК H03J 3/18, 29.09.2011) [2].
Недостатком данного способа и устройства является низкое быстродействие, обусловленное как инерционностью функционирования зарядно-разрядного устройства, так и тем обстоятельством, что коммутация осуществляется в строго определенные моменты периода напряжения сети, что может привести к нарушению функционирования потребителей и прерыванию дорогостоящих технологических процессов.
Так, например, некоторые непрерывные технологические процессы литья формы занимают несколько часов и выполняются установками крайне чувствительными к качеству напряжения сети, в случае даже кратковременных отклонений происходит их блокировка, вследствие чего форма отбраковывается и идет в переплавку. Кроме того, после коммутации ступеней регулирования изменяется уровень паразитных высших гармонических составляющих в сети, однако в предложенном способе и устройстве отсутствуют компоненты, позволяющие их скомпенсировать.
Известны способы управления системами энергосбережения включающие в себя использование адаптивных режекторных фильтров в качестве последовательных контуров для ослабления высших гармоник, измерение частоты, мощности и спектра гармоник сети. По результатам измерений вычисляется величина добротности колебательного контура, даются управляющие команды для подключения или отключения дополнительных конденсаторов и дросселей адаптивных режекторных фильтров. Изобретение позволяет повысить качество тока в сети за счет адаптивного подавления высших гармоник, возникающих в паразитных колебательных контурах, образованных элементами сети и динамической нагрузки (Патент РФ №2480883, МПК H02J 3/01, 24.06.2011) [3]. Недостатком данного способа является отсутствие возможности динамической компенсации реактивной мощности в сети.
Наиболее близким по технической сути является способ и устройство согласованного управления коммутируемым реактивными элементами с встроенной системой защиты от паразитных резонансов. Процесс включения батарей реактивных элементов ставят в зависимость от величины реактивной мощности и наличия гармоник, а также помех в сети. Устройство, реализующее данный способ включает в себя регулятор реактивной мощности, измеритель реактивной мощности, N контакторов, осуществляющих управление N батареями реактивных элементов по M реактивных элементов в каждой, а также соответствующим образом включенные датчик помех и компенсатор гармоник (патент РФ №2300799, МПК G05F 1/70, 20.12.2002) [4]. Недостатком способа и устройства является большой уровень помех, возникающих при коммутации батарей конденсаторов при их подключении и отключении, большие величины зарядно-разрядных токов в конденсаторах батарей при коммутации, что приводит к отказам как контакторов, так и отдельных реактивных элементов в батареях и, как следствие, к нарушению работоспособности системы энергосбережения и возможному срыву технологических процессов, в которых задействованы потребители сети. Кроме того, к недостаткам можно отнести низкое быстродействие системы управления, обусловленное использованием общих исполнительных реактивных элементов для двух контуров системы регулирования.
Технической задачей изобретения является повышение качества тока в сети за счет снижения уровня коммутационных помех и повышение быстродействия управления, а также повышение надежности функционирования.
1. Поставленная задача решается за счет того, что в способе управления адаптивным устройством энергосбережения n-фазной сети обеспечивается постоянный контроль значения напряжения, реактивной мощности, уровня и состава гармоник, а также помех в n-фазной сети, по результатам которого осуществляют коммутацию к каждому из фазных проводов n-фазной сети соответствующего числа из N батарей реактивных элементов по M реактивных элементов в каждой и управление компенсатором гармоник, число реактивных элементов в каждой из N батарей реактивных элементов увеличивают до значения M+K, где К - число резервных реактивных элементов, которое выбирают из условия обеспечения непрерывности технологического процесса потребителей энергии, а подключение каждого из реактивных элементов в каждой из N батарей реактивных элементов производят индивидуально в моменты равенства напряжения на соответствующих реактивных элементах при произвольном его значении и напряжения сети с учетом результатов постоянной выполняемой диагностики исправности каждого из реактивных элементов, при этом подключение каждой из N батарей реактивных элементов к сети осуществляют после момента завершения коммутации реактивных элементов в соответствующей из N батарей реактивных элементов, после чего формируют управляющую команду для уточнения настроек адаптивного компенсатора гармоник.
2. Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве управления адаптивной системой энергосбережения n-фазной сети, содержащем регулятор реактивной мощности и для каждой из фаз: измеритель реактивной мощности, вход которого подключен линейному проводу сети, а выход - к соответствующему входу регулятора реактивной мощности, N контакторов, первые силовые контакты которых подключены к линейному проводу сети, а управляющий вход которого подключен к соответствующему выходу регулятора мощности, N блоков реактивных элементов, в каждом из которых первые силовые выводы реактивных элементов объединены и подключены к проводу нейтрали сети, адаптивный компенсатор гармоник, который включен между линейным проводом и проводом нейтрали сети, а управляющий вход которого подключен к соответствующему выходу регулятора мощности, датчик помех, первый вывод которого подключен к линейному проводу сети, второй вывод которого подключен к проводу нейтрали сети, а информационный выход которого подключен к соответствующему входу регулятора реактивной мощности, согласно изобретению число реактивных элементов в каждом из N блоков реактивных элементов выбрано равным M+K, где M - число реактивных элементов, необходимых для компенсации максимально заданной величины реактивной мощности в сети, а K - число резервных реактивных элементов, в каждый из N блоков реактивных элементов введены M+K коммутаторов, каждый их которых включен между вторым силовым выводом соответствующего из M+K реактивного элемента и вторым силовым выводом соответствующего из N контакторов, и M+K контроллеров, соответствующие выводы которых подключены к соответствующим дополнительным выводам регулятора реактивной мощности, линейному проводу сети, информационному выводу соответствующего из M+K реактивных элементов и управляющему входу соответствующего из M+K коммутаторов.
В устройстве управления адаптивной системой энергосбережения n-фазной сети реактивные элементы могут быть выполнены на базе косинусных конденсаторов и имеют емкостное сопротивление.
В устройстве управления адаптивной системой энергосбережения n-фазной сети L из M+K реактивных элементов, где M/2≤L<M, могут быть выполнены на базе дросселей и имеют индуктивное сопротивление, при этом M+K-L из M+K реактивных элементов могут быть выполнены на базе косинусных конденсаторов и имеют емкостное сопротивление.
В устройстве управления адаптивной системой энергосбережения n-фазной сети в каждом из N блоков реактивных элементов каждый из реактивных элементов с подключенными к нему коммутатором и контроллером могут быть выполнены в виде конструктивно законченных легкосъемных автономных модулей.
Технический результат в заявленном способе и устройстве управления адаптивной системой энергосбережения n-фазной сети заключается в улучшении качества тока в сети за счет повышения быстродействия процессов компенсации реактивной мощности в условиях переменных нагрузок и отказов отдельных элементов системы энергосбережения n-фазной сети; уточнения настроек адаптивного компенсатора гармоник после завершения процессов коммутации реактивных элементов; уменьшения уровня помех, обусловленных процессами коммутации реактивных элементов; уменьшения перегрузок реактивных элементов и элементов коммутации по причине снижения зарядно-разрядных токов и, как следствие, повышение надежности функционирования адаптивной системы энергосбережения n-фазной сети. В отличие от способа и устройства, использованных в качестве прототипа, в изобретении адаптивный компенсатор гармоник при том, что получает сигнал управления от контура компенсации реактивной мощности, использует встроенные исполнительные элементы (например, перестраиваемые режекторные фильтры, как в [3]). Поэтому контуры регулирования компенсации реактивной мощности и компенсации гармоник являются фактически автономными, что повышает быстродействие регулирования и увеличивает его устойчивость. При этом вследствие относительно высокой добротности режекторных фильтров, используемых в адаптивном компенсаторе гармоник, процессы их подстройки после коммутации реактивных элементов практически не влияют на уровень реактивной мощности в сети.
Изобретение поясняется чертежом (фиг.1), который не охватывает и тем более не ограничивает весь объем притязаний данного технического решения, а является лишь иллюстрирующим материалом частного случая выполнения. Связи, указанные между функциональными блоками, в общем случае являются многоканальными для обеспечения алгоритма функционирования, отраженного в формуле и описании изобретения. Питание функциональных блоков может осуществляться от внешнего источника бесперебойного питания, который на чертеже не показан.
На фиг.1 приведена функциональная схема устройства управления адаптивной системой энергосбережения n-фазной сети, являющаяся одним из возможных вариантов реализации предложенного способа управления адаптивной системой энергосбережения n-фазной сети.
Устройство управления адаптивной системой энергосбережения n-фазной сети содержит регулятор 1 реактивной мощности и для каждой из фаз: измеритель 2 реактивной мощности, вход которого подключен к линейному проводу сети, а выход - к соответствующему входу регулятора 1, N контакторов 3, первые силовые контакты которых подключены к линейному проводу сети, а управляющий вход которого подключен к соответствующему выходу регулятора 1, N блоков реактивных элементов 4, в каждом из которых первые силовые выводы реактивных элементов 5 объединены и подключены к проводу нейтрали сети, при этом число реактивных элементов 5 в каждом из блоков реактивных элементов 4 равно M+К, где M - число реактивных элементов, необходимых для компенсации максимально заданной величины реактивной мощности в сети, K - число резервных реактивных элементов, адаптивный компенсатор 6 гармоник, который включен между линейным проводом и проводом нейтрали сети, а управляющий вход которого подключен к соответствующему выходу регулятора 1, датчик 7, первый вывод которого подключен к линейному проводу сети, второй вывод которого подключен к проводу нейтрали сети, а информационный выход которого подключен к соответствующему входу регулятора 1, коммутаторы 8, число которых в каждом из N блоков реактивных элементов 4 равно M+К, каждый их которых включен между вторым силовым выводом соответствующего из M+K реактивного элемента 5 и вторым силовым выводом соответствующего из N контакторов 3, контроллеры 9, число которых в каждом из N блоков реактивных элементов 4 равно M+К и соответствующие выводы которых подключены к соответствующим дополнительным выводам регулятора 1, линейному проводу сети, информационному выводу соответствующего из M+K реактивных элементов 5 и управляющему входу соответствующего из M+K коммутаторов 8. Совокупности контакторов 3 и блоков реактивных элементов 4 образуют соответствующие модули 10, число которых равно N. Совокупности соответствующих реактивных элементов 5, коммутаторов 8 и контроллеров 9 в каждом из N блоков реактивных элементов 4 могут быть выполнены в виде конструктивно обособленных модулей 11.
Устройство управления адаптивной системой энергосбережения n-фазной сети работает следующим образом.
В штатном режиме при изменении нагрузки в сети и связанного с этим изменении характера и уровня реактивной мощности по сигналу с измерителя реактивной мощности 2 регулятором 1 формируется соответствующая управляющая команда на модули 10. При этом вначале управляющий сигнал поступает на контроллеры 9 соответствующего блока реактивных элементов 4.
В случае получения сигнала на отключение контроллеры 9 соответствующего блока реактивных элементов 4 формируют команду на отключение соответствующих коммутаторов 8 и по ее выполнению - сигнал на регулятор 1 о завершении процесса коммутации. По получении сигнала о завершении всех коммутаций в соответствующем блоке реактивных элементов 4, регулятор 1 формирует команду на отключение соответствующего контактора 3 в модуле 10, а также управляющий сигнал на адаптивный компенсатор 6 для уточнения настройки входящих в его состав режекторных фильтров.
В случае получения сигнала на включение контроллерами 9 соответствующего блока реактивных элементов 4 осуществляется анализ соотношения остаточного напряжения на реактивном элементе 5 и напряжения сети и при их равенстве выдается команда на замыкание коммутатора 8, а по ее выполнению - сигнал на регулятор 1 о завершении процесса коммутации. По получении сигнала о завершении всех коммутаций в соответствующем модуле блока реактивных элементов 4 регулятор 1 формирует команду на включение соответствующего контактора 3 в соответствующем модуле 10, а также управляющий сигнал на адаптивный компенсатор 6 для уточнения настройки входящих в его состав режекторных фильтров.
При кратковременных случайных отключениях напряжения сети с последующим включением, а также под воздействием других помех, превышающих заданный уровень, датчиком 7 формируется соответствующий сигнал, по которому регулятор 1 одновременно формирует сигнал на отключение контакторов 3 и соответствующий управляющий сигнал на контроллеры 9, что обеспечивает оперативное отключение модулей 10 от сети. При этом фильтром, входящим в состав датчика 7, исключается выдача с него управляющих сигналов, длительность которых меньше времени срабатывания контакторов 3 модулей 10. После окончания действия помехи регулятором 1 формируется соответствующая управляющая команда на модули 10. При этом вначале управляющий сигнал поступает на контроллеры 9 соответствующего блока реактивных элементов 4. В случае получения сигнала на включение, контроллерами 9 соответствующего блока реактивных элементов 4 осуществляется анализ соотношения остаточного напряжения на реактивном элементе 5 и напряжения сети и при их равенстве выдается команда на замыкание коммутатора 8, а по ее выполнению - сигнал на регулятор 1 о завершении процесса коммутации. По получении сигнала о завершении всех коммутаций в соответствующем модуле блока реактивных элементов 4 регулятор 1 формирует команду на включение соответствующего контактора 3 в соответствующем модуле 10, а также управляющий сигнал на адаптивный компенсатор 6 для уточнения настройки входящих в его состав режекторных фильтров.
При выходе из строя какого-то из реактивных элементов 5 в подключенном к сети блоке реактивных элементов 4 или снижении его параметров (например, значительного тока утечки косинусного конденсатора) ниже заданного значения соответствующий контроллер 9 формирует и направляет регулятору 1 соответствующий сигнал. При этом возможны 2 алгоритма:
1. В случае аварийной ситуации (например, пробой реактивного элемента и коммутатора с коротким замыканием) регулятор 1 одновременно формирует сигнал на отключение контакторов 3 и соответствующий управляющий сигнал на контроллеры 9. После чего регулятором 1 формируются команды на соответствующие контролеры 9 соответствующего блока реактивных элементов 4 на отключение неисправного реактивного элемента 5 и включение вместо него резервного. При этом повторное подключение блока реактивных элементов 4 к сети происходит в соответствии с алгоритмом, описанным выше.
2. При отсутствии аварийной ситуации регулятором 1 формируются команды на соответствующие контролеры 9 соответствующего блока реактивных элементов 4 на отключение неисправного реактивного элемента 5 и включение вместо него резервного без проведения коммутации соответствующего контактора 3. При этом коммутация реактивных элементов 5 производится при равенстве имеющихся на них остаточных напряжений с напряжением сети. Число резервных реактивных элементов 5 выбирается по результатам анализа длительности технологических процессов потребителей n-фазной сети, а также времени наработки на отказ используемой элементной базы, определяемого как методом расчетов, так и по результатам эксплуатации адаптивной системы энергосбережения n-фазной сети. Этот же алгоритм непосредственного управления реактивными элементами 5 блоков реактивных элементов 4 (без коммутации контакторов 3) может быть использован для компенсации небольших отклонений реактивной мощности в сети.
На фиг.1 приведена реализация изобретения для одной из фаз n-фазной сети, реализация для других фаз может быть идентичной. Подключение фаз B и C для 3-фазной сети показано на фиг.1 схематично. При этом обеспечивается практически независимое управление адаптивной системой энергосбережения n-фазной сети по каждой из фаз.
При преимущественно индуктивном характере нагрузки сети блоки реактивные элементов 4 выполняются на базе батарей косинусных конденсаторов. Одиночные косинусные конденсаторы большой емкости не используются вследствие больших габаритов, высокой стоимости и малой надежности.
В силовых сетях в связи с широким использованием импульсных источников питания, возникает необходимость компенсировать емкостную нагрузку. При этом при коммутации индуктивных элементов возникают броски напряжения (дуга). Наличие в блоках реактивных элементов 4 косинусных конденсаторов позволяет перед подключением (отключением) индуктивных элементов (определяется контроллером 9) скомпенсировать указанные броски. После осуществления подключения индуктивного элемента компенсирующий косинусный конденсатор отключается, и индуктивный реактивный элемент функционирует в штатном режиме.
Известные блоки реактивных элементов 4 выполнены преимущественно в виде практически неразъемных конструкций, в большинстве случаев залитых диэлектриком, что не позволяет обеспечить их ремонтопригодность. Для устранения этого недостатка предлагается каждый из реактивных элементов 5 с подключенными к нему коммутатором 8 и контроллером 9 выполнить в виде конструктивно законченных легкосъемных автономных модулей, что позволит обеспечить оперативный ремонт блока реактивных элементов 4.
При этом замену указанных модулей практически можно выполнять в процессе функционирования адаптивной системы энергосбережения n-фазной сети, что позволит также обеспечить непрерывность технологических процессов потребителей n-фазной сети.