ФИЛЬТРО-КОМПЕНСИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ

1. Фильтро-компенсирующее устройство комплектной преобразовательной установки передачи энергии постоянным током на основе ведомого сетью вентильного (тиристорного) конвертора тока (line commutated converter, LCC) с регулируемой передаваемой мощностью, подстраивающее реактивную мощность путем переключения двух или более ветвей, каждая из которых снабжена выключателем для подключения к питающей сети и содержит выполняющие функции фильтрации и компенсации конденсаторные батареи, резисторы, реакторы; фильтро-компенсирующее устройство также содержит один или несколько активных элементов (конвертор напряжения с высокочастотной широтной модуляцией, датчики токов и напряжений), отличающееся тем, что:
- конденсаторные батареи реализуют только функцию компенсации и выполняются идентичными с реактивной мощностью Qk, равной Nq-й доле наибольшей общей передаваемой реактивной мощности Qsum:
Qk=Qsum/Nq,
где: Nq - число конденсаторных батарей,
- конденсаторные батареи присоединены к «земле» через общий активный элемент посредством соответствующего количества средневольтных выключателей либо через отдельные активные элементы,
- в фильтро-компенсирующем устройстве функции фильтрации выполняются только активным элементом (активными элементами), с этой целью система управления активного элемента (PWM-конвертора) в дополнение к обычному набору функциональных блоков PWM-конвертора снабжена тремя, реализованными программно, специфическими функциональными блоками (с соответствующими им обратными связями):
- блоком D - демпфирования (demp),
- блоком В - баланса (bal),
- блоком S - селективного подавления гармоник (sel),
вырабатывающими задающие напряжения, сумма которых образует основную переменную управления конвертором - задание напряжения vz(t) (функция времени):
vz=vdemp+vbal+vsel, причем:
- блок D образован с помощью широкополосной (например, пропорциональной с коэффициентом усиления Rae) обратной связи по выходному току конвертора iae(t) в соответствии с равенством:
vdemp(t)=Rae·iae(t),
и, представляя собой виртуальный резистор Rae, демпфирует переходные колебания сети так же, как реальный резистор Rae, внесенный в выходную цепь конвертора; при этом величина коэффициента усиления Rae выбирается так, чтобы наилучшим образом демпфировать переходные колебания; оставшиеся два блока В и S действуют на задемпфированную систему через виртуальный резистор Rae;
- блок В образован с помощью обратной связи по напряжениям vd накопительных конденсаторов звеньев постоянного напряжения конвертора с участием в этой обратной связи сетевого напряжения vs, выполняет задачу поддержания баланса мощности Pd, а, следовательно, напряжений vd накопительных конденсаторов в окрестности заданного уровня vdz:
vd(t)≈vdz,
и состоит из нескольких программных модулей (субблоков):
- пропорционально-интегрального регулятора (PI-регулятор) мощности, действующего в функции накопленной конденсаторами энергии, эффективно приводящего энергию Ed к заданной величине Ez:
<mrow><mi>P</mi><mi>b</mi><mi>a</mi><mi>l</mi><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>K</mi><mi>d</mi><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>p</mi><mo>⋅</mo><mi>t</mi><mi>d</mi></mrow></mfrac><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>E</mi><mi>z</mi><mo>−</mo><mi>E</mi><mi>d</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
,
<mrow><mi>E</mi><mi>z</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>C</mi><mo>⋅</mo><mi>v</mi><mi>d</mi><msup><mi>z</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow>
<mrow><mi>E</mi><mi>d</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>C</mi><mo>⋅</mo><mi>v</mi><msup><mi>d</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow>
где
- задание энергии;
- накопленная конденсаторами энергия, p - оператор Лапласа, Kd, td - усиление и постоянная времени PI-регулятора, Pbal - задание мощности;
- модуля вычисления (по определенной регулятором мощности баланса) комплексной амплитуды составляющей напряжения баланса Vbal,norm, нормальной к вектору сетевого напряжения:
<mrow><mi>V</mi><mi>b</mi><mi>a</mi><mi>l</mi><mo>,</mo><mi>n</mi><mi>o</mi><mi>r</mi><mi>m</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>P</mi><mi>b</mi><mi>a</mi><mi>l</mi></mrow><mrow><mi>y</mi><mi>o</mi><mo>⋅</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><mover accent="true"><mi>V</mi><mo>→</mo></mover><mi>s</mi></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
,
<mrow><mover accent="true"><mi>V</mi><mo>→</mo></mover><mi>s</mi></mrow>
где
- комплексная амплитуда напряжения сети, yo - проводимость блока конденсаторных батарей,
- модуля формирования напряжения баланса - как синусоидальной переменной основной частоты, ортогональной к сетевому напряжению в соответствии с выражением:
jθ
vbal(t)=Vbal,norm·j·e,
jθ
где e - вращающийся орт сетевого напряжения;
- блок S образуется с помощью обратной связи по сетевому току is с участием в образовании этой связи напряжения сети vs и состоит из нескольких программных модулей (субблоков):
<mrow><mover accent="true"><mi>I</mi><mo>→</mo></mover><msub><mi>s</mi><mi>k</mi></msub></mrow>
- модуля селективного выделения комплексных амплитуд
высших гармоник, использующего выражение:
<mrow><mi>i</mi><msub><mi>s</mi><mi>k</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>θ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mover accent="true"><mi>I</mi><mo>→</mo></mover><msub><mi>s</mi><mi>k</mi></msub><mo>⋅</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mi>j</mi><mo>⋅</mo><mi>k</mi><mo>⋅</mo><mi>θ</mi></mrow></msup><mo>,</mo></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>I</mi><mo>→</mo></mover><msub><mi>s</mi><mi>k</mi></msub></mrow>
j·k·θ
где k - номер гармоники,
- комплексная амплитуда k-й гармоники тока сети is, e - вращающийся орт k-й гармоники тока сети;
<mrow><mover accent="true"><mi>V</mi><mo>→</mo></mover><mi>s</mi><mi>e</mi><msub><mi>l</mi><mi>k</mi></msub></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>I</mi><mo>→</mo></mover><msub><mi>s</mi><mi>k</mi></msub></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>V</mi><mo>→</mo></mover><mi>s</mi><mi>e</mi><msub><mi>l</mi><mi>k</mi></msub></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>Y</mi><mo>→</mo></mover><mi>k</mi></mrow>
- модуля регулирования комплексных амплитуд
высших гармоник напряжения vsel, т.е. составляющей селективного подавления гармоник (sel), с использованием интегрального регулятора для каждой селективно подавляемой высшей гармоники тока, который по комплексной амплитуде
тока гармоники вырабатывает комплексную амплитуду
задания напряжения данной гармоники, причем в формировании задания комплексных амплитуд напряжений высших гармоник конвертора (активного элемента) используется комплексный коэффициент
, равный значению стационарной передаточной характеристики системы на частоте k-й гармоники:
<mrow><mover accent="true"><mi>V</mi><mo>→</mo></mover><mi>s</mi><mi>e</mi><msub><mi>l</mi><mi>k</mi></msub><mo>=</mo><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>p</mi><mo>⋅</mo><mi>τ</mi></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mi>I</mi><msub><mrow><mover accent="true"><mi>s</mi><mo stretchy="true">→</mo></mover></mrow><mi>k</mi></msub></mrow><mrow><msub><mover accent="true"><mi>Y</mi><mo>→</mo></mover><mi>k</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
где p - оператор Лапласа, τ - постоянная времени интегратора;
<mrow><mover accent="true"><mi>V</mi><mo>→</mo></mover><mi>s</mi><mi>e</mi><msub><mi>l</mi><mi>k</mi></msub></mrow>
- модуля формирования задания k-ой гармонической напряжения конвертора по полученному значению комплексной амплитуды напряжения
:
<mrow><mi>v</mi><mi>s</mi><mi>e</mi><msub><mi>l</mi><mi>k</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>θ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mover accent="true"><mi>V</mi><mo>→</mo></mover><mi>s</mi><mi>e</mi><msub><mi>l</mi><mi>k</mi></msub><mo>⋅</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mi>j</mi><mo>⋅</mo><mi>k</mi><mo>⋅</mo><mi>θ</mi></mrow></msup></mrow>
и последующего суммирования:
<mrow><mi>v</mi><mi>s</mi><mi>e</mi><mi>l</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>θ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munder><mo>∑</mo><mrow><mi>k</mi><mo>∈</mo><mi>K</mi></mrow></munder><mrow><mi>v</mi><mi>s</mi><mi>e</mi><msub><mi>l</mi><mi>k</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>θ</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mstyle></mrow>
,
для всей совокупности избранных гармоник, причем совокупность подавляемых гармоник содержит канонические гармоники
-11, 13; -23, 25; -35, 37…,
и может также содержать отдельные неканонические гармоники, например:
5, -7; -17, 19; ….
2. Фильтро-компенсирующее устройство по п.1, отличающееся тем, что в цепь конденсаторных батарей введен токоограничивающий реактор, реактанс которого определяется условием ограничения амплитуды переходного тока при переключениях конденсаторных батарей.