Трехфазный активный фильтр для сетей с несимметричной нагрузкой

Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники и может быть использована для улучшения показателей качества электрической энергии в трехфазных системах электроснабжения с наличием нелинейной несимметричной нагрузки, генерирующей высшие гармоники тока и потребляющей ток основной гармоники, сдвинутый по фазе относительного питающего напряжения, в устройствах компенсации гармонических составляющих токов и реактивной мощности нелинейной нагрузки произвольного вида.
LCL
LCL
Известен активный силовой фильтр (патент США № US 20080219035 A1 H02M 1/14 (2006.01), дата подачи заявки 28.08.2007), содержащий трехфазный инвертор с дополнительной транзисторной стойкой и конденсаторным накопителем в звене постоянного тока, подключенный к трехфазной четырехпроводной сети переменного тока через трехфазный  фильтр. Для реализации заданного алгоритма управления схема снабжена датчиками сетевого напряжения, датчиками тока нагрузки переменного тока, датчиком напряжения. Алгоритм управления формирует в выходных дросселях  фильтра ток, равный обратному току высших гармоник тока нелинейной нагрузки, и поддерживает заданное напряжение на конденсаторе в звене постоянного тока посредством управления силовыми транзисторами инвертора, чем улучшает гармонический состав тока, потребляемого от общей сети переменного тока, и позволяет осуществить компенсацию реактивной мощности, потребляемой нагрузкой. Устройство активного силового фильтра генерирует в сеть реактивный ток с частотой, равной частоте основной гармоники сетевого напряжения с опережающим углом девяносто градусов относительно сетевого напряжения, пропорциональный производной сетевого напряжения.
Недостаток устройства заключается в необходимости расчета производной сетевого напряжения, что приводит к усилению высших гармоник в измеренном сигнале сетевого напряжения и требует наличия дополнительного устройства фильтрации этого сигнала, снижающего динамические свойства системы и усложняющего его структуру. Также недостатком данного устройства является измерение сетевого тока, вместо тока нелинейной нагрузки, подключаемой к сети, что затрудняет непосредственную оценку спектрального состава тока нагрузки при работе устройства, так как информация о присутствующих искажениях в токе нагрузки исключается из тока сети при работе фильтра.
LC
Известно устройство компенсации высших гармоник и коррекции коэффициента мощности (патент RU 2446536 C1 МПК H02J 3/00 (2006.01) C1, дата подачи заявки 30.11.2010), содержащее трехфазный инвертор напряжения с подключенным в звено постоянного тока накопительным конденсатором и  фильтр на стороне переменного тока, также снабженный устройством управления силовыми ключами. Подключение силового преобразователя осуществляется параллельно нагрузке переменного тока через датчики выходного тока активного фильтра, устанавливаемые последовательно с фильтром и сам фильтр. Для осуществления способа управления преобразователем напряжения (выработки сигналов управления силовыми транзисторами) устройство снабжается дополнительно датчиками сетевого напряжения, датчиками сетевого тока и датчиком напряжения накопительного конденсатора. Управление силовыми транзисторами активного силового фильтра осуществляется на основе обработки информации с датчиков напряжения и тока и последующего фазового преобразования полученных сигналов с помощью блоков фазового преобразования и фазовой синхронизации. После фазовых преобразований преобразованные сигналы умножаются на сигнал задания по току от регулятора напряжения накопительного конденсатора в звене постоянного тока, и результирующие сигналы подаются в блок обратного фазового преобразования сигнала, формируя сигналы задания на выходной ток активного силового фильтра, после чего они попадают в блок формирователя импульсов. Выработка фактических сигналов управления силовыми ключами активного силового фильтра осуществляется релейным способом в блоке формирователя импульсов.
LC
Недостатком такой системы является использование фазовых преобразований, которые по своей сути являются координатными преобразователями, что в случае трехфазной сети с выраженной несимметрией приведут к увеличенному числу математических операций, так как помимо компонент, обозначенных α и βв сетях с выраженной несимметрией, присутствует значительная нулевая компонента, не учитываемая в аналоге. Также, стоит отметить, что использование модулятора гистерезисного типа не позволяет напрямую выделить основную компоненту напряжения, формируемого инвертором, без использования дополнительных устройств, так как формирование управляющего сигнала осуществляется непосредственно по току, и присущая такому типу модуляторов переменная частота формирования сигналов управления силовыми ключами приводит к искажению спектра высших гармоник выходного тока активного фильтра и напряжения на выходном конденсаторе  фильтра. Управление в преобразованном координатном базисе не обеспечивает возможность оценки отдельных компонент потребляемой мощности нелинейной нагрузки в отдельной фазе трехфазной системы электроснабжения.
abc - dq0
Известен силовой активный фильтр (полезная модель RU 131916 U1, H02J 3/16, H02J 3/18, H02J 3/26, дата подачи заявки 26.03.2013), построенный по принципу параллельного подключения трехфазного инвертора напряжения с дополнительной транзисторной стойкой и накопительным конденсатором в звене постоянного тока через трехфазный дроссель и датчики напряжения тока дросселя к трехфазной четырехпроводной сети переменного тока. Также в системе присутствуют датчики тока трехфазной нагрузки и датчики напряжения сети. Для управления таким активным фильтром используются координатные преобразования Парка-Горева (). Измеренные токи нагрузки и токи выходного дросселя преобразуются в блоках координатных преобразований и подаются на ПИ-регулятор вместе с сигналом от регулятора напряжения накопительного конденсатора звена постоянного тока, чем достигается регулирование выходных токов активного фильтра и напряжения конденсатора. Синхронизация с питающей сетью осуществляется по средствам ФАПЧ.
Недостатками системы является использование координатных преобразований, так как в системе с наличием значительной несимметрии фазных токов координатные преобразования не позволяют снизить число регулируемых параметров в системе, так как нет возможности пренебречь проекцией на нулевую ось, а использование ПИ-регулятора позволяет достичь астатизма только на основной гармонической составляющей спектра токов, равной частоте питающей сети, однако спектр токов нагрузки имеет полигармонический характер. Управление в преобразованном координатном базисе не обеспечивает возможность оценки отдельных компонент потребляемой мощности нелинейной нагрузки в отдельной фазе трехфазной системы электроснабжения.
Известен трехфазный силовой фильтр высших гармоник тока (полезная модель RU 207731 U1, H02J 3/01, H02M 1/12, дата подачи заявки 07.07.2021), принятый за прототип. Устройство содержит инвертор с дополнительной транзисторной стойкой и конденсаторным накопителем в звене постоянного тока, подключенный к четырехпроводной сети переменного тока через блок фазных дросселей и малое сопротивление датчиков тока дросселей. Для достижения заявленного технического результата устройство снабжается датчиками тока нелинейной нагрузки, блоком выработки синхронизирующих сигналов и блоками синхронизации сигнала задания от контура регулирования напряжения конденсатора с сетью. Управление силовыми ключами транзисторного комплекта силового преобразователя осуществляется на основе сравнения опорного сигнала и модулирующих сигналов для каждой отдельной транзисторной стойки инвертора. Выработка модулирующего сигнала осуществляется трехканальным регулятором выходного тока активного фильтра, задание для которого рассчитывается, как сумма высших гармоник тока нелинейной нагрузки и полученных в блоках синхронизации тока задания от регулятора напряжения на накопительном конденсаторе в звене постоянного тока.
Недостатком устройства, принятого за прототип, является невозможность регулирования реактивной мощности, обусловленной сдвигом основной гармоники тока, потребляемой нагрузкой относительно питающего (сетевого) напряжения, что ограничивает область применения такого фильтра.
Задачей (техническим результатом) полезной модели является снижение уровня высших гармонических составляющих тока и реактивной мощности, обусловленной наличием фазового сдвига основной гармоники тока нагрузки относительно питающего напряжения, потребляемых из сети переменного тока нелинейной несимметричной нагрузкой.
Предлагаемое устройство может быть использовано для снижения влияния высших гармонических составляющих тока в сетях переменного тока с выраженной нелинейной нагрузкой, например, на предприятиях, использующих выпрямительное оборудование или при подключении к мощным светодиодным экранам, системам кондиционирования, представляющим нелинейную несимметричную нагрузку.
Поставленная задача (технический результат) достигается тем, что в состав известного устройства, принятого за прототип, содержащего трехфазный мостовой инвертор напряжения на полностью управляемых полупроводниковых ключевых элементах со встречными параллельными диодами, соединенного выходами с сетью через фазные реакторы, емкостного накопителя на стороне постоянного тока, системы управления, реализованной на микропроцессоре, дополнительный полумостовой инвертор на полностью управляемых полупроводниковых ключевых элементах со встречно-параллельными диодами, подключенный к нейтральному проводу, включены: блок датчиков фазного напряжения сети, блок расчета уровня реактивного тока (БРУРТ), подключенный к выходам датчиков фазного напряжения сети, выходу блока датчиков тока нелинейной нагрузки, выходу фильтра сигнала с датчика тока нелинейной нагрузки, а также блоки синхронизации уровня реактивного тока, входами подключенные к выходу БРУРТ и к выходу блока выработки сигнала синхронизации с сетью, а блок выработки сигнала синхронизации получает на вход сигнал с блока датчиков фазного напряжения сети, а выходами подключен к блокам синхронизации сигнала задания от контура регулирования напряжения конденсатора с сетью и к блокам согласования уровня реактивного тока.
Функциональная схема устройства представлена на фиг.1. На фиг.2 представлены графики токов и их спектры при работе устройства. Фиг.1 состоит из: 1 - трехфазного инвертора напряжения с дополнительной четвертой транзисторной стойкой, 2 - накопительного конденсатора в звене постоянного тока, 3 - выходного дросселя (реактора), 4 - датчиков токов дросселей, 5 - датчиков фазных токов нелинейной нагрузки переменного тока, 6 - датчиков фазных напряжений сети, 7 - датчика напряжения накопительного конденсатора, 8 - регулятора напряжения накопительного конденсатора, 9 - блока задатчика уровня постоянного напряжения на конденсаторе, 10 - фильтра сигнала с датчиков фазных токов нелинейной нагрузки, 11 - блока выработки синхронизирующих сигналов, 12 - блока расчета уровня реактивного тока, 13 - ограничителя тока задания от контура регулирования напряжения на конденсаторе, 14-16 - блоков синхронизации сигнала задания от контура регулирования напряжения конденсатора с сетью, 17-19 - блоков синхронизации уровня реактивного тока, 20-22 - блоков суммирования сигналов задания в контур регулирования выходных токов фильтра, 23 - трехканального контура регулирования выходных токов фильтра, 24-27 - блоков выработки управляющих сигналов, 28 - генератора опорного сигнала. На фиг.1 несимметричная нелинейная нагрузка обозначена цифрой 29. Она не входит в состав устройства и подключается непосредственно к сети переменного тока через малое сопротивление датчиков тока нагрузки.
В отличие от прототипа, в трехфазном силовом фильтре высших гармоник тока для сетей с несимметричной нагрузкой существует возможность уменьшения уровня реактивной мощности, потребляемой от сети переменного тока несимметричной нелинейной нагрузкой, обусловленная введением в устройство следующих блоков: блока датчиков фазного напряжения сети, блока расчета уровня реактивного тока, осуществляющего оценку амплитуды реактивного тока, потребляемого в отдельной фазе трехфазной системы электроснабжения, и блоков синхронизации уровня реактивного тока, осуществляющих синхронизацию рассчитанного амплитудного значения реактивного тока с контуром регулирования выходных токов фильтра, а также тем, что вход блока выработки синхронизирующих сигналов подключен к выходу блока датчиков фазного напряжения, осуществляющего выработку шести сигналов синхронизации для блоков синхронизации сигнала задания от контура регулирования напряжения конденсатора с сетью и блоков синхронизации уровня реактивного тока.
i
i
(
с
)1
(
с
)
Устройство работает следующим образом: сигнал с датчика напряжения накопительного конденсатора 7 поступает в блок ПИ-регулятора напряжения 8, где сравнивается с сигналом задания на уровень напряжения, вырабатываемым блоком задания на напряжение 9, и вырабатывается первичный сигнал задания на токи дросселей 3, необходимый для стабилизации напряжения конденсатора , далее он поступает на блок ограничителя 13, где, если он превышает заданное максимальное значение, ограничивается на максимальном допустимом уровне, задающемся в блоке, и формируется сигнал  - действительный сигнал задания на токи дросселей 3, необходимый для стабилизации напряжения на конденсаторе 2.
На этом же такте работы устройства сигнал с блока датчиков фазных напряжений попадает в блок выработки сигналов синхронизации, где в соответствии с указанным ниже выражением вырабатываются шесть сигналов синхронизации и подаются на выход этого блока
n
где  - номер текущего такта работы устройства;
u
n
а
k
a
[] - сигнал с блока датчиков фазного напряжения для фазы  на -ом интервале работы устройства;
u
n
b
k
b
[] - сигнал с блока датчиков фазного напряжения для фазы  на -ом интервале работы устройства;
u
n
c
k
c
[] - сигнал с блока датчиков фазного напряжения для фазы  на -ом интервале работы устройства.
i
а
b
c
(
с
)
(
a
)
(
b
)
(
с
)
Выходной сигнал блока ограничителя 13  умножается в блоке 14 на сигнал υ, в блоке 15 на сигнал υ, в блоке 16 на сигнал υ, тем самым формируя три сигнала задания (для каждого отдельного канала) в трехканальный контур регулирования фазных токов, необходимых для стабилизации напряжения на накопительном конденсаторе 2. Выход блока 14 формирует сигнал в канал управления током фазы , выход блока 15 формирует сигнал в канал управления током фазы , выход блока 16 формирует сигнал в канал управления током фазы .
i
i
н(
a
,
b
,
c
)
вг(
a
,
b
,
c
)
Далее, на том же такте работы устройства, сигнал c блока датчиков тока нелинейной нагрузки  с датчиков 5 поступает в блок выделения высших гармонических составляющих 10, который представляет собой полосовой фильтр, удаляющий из сигнала гармоническую составляющую тока основной частоты, которая определяется частотой сетевого напряжения. На выходе блока 10 формируются сигналы задания на токи дросселя 3 , необходимые для компенсации высших гармонических составляющих тока несимметричной нелинейной нагрузки 29 и расчета амплитуды реактивного тока.
После чего, на текущем такте работы устройства, осуществляется расчет амплитуд реактивных токов, потребляемых отдельными фазами трехфазной системы электроснабжения в блоке 12 в соответствии со следующей системой уравнений (принято, что отсчет работы системы начинается с такта с порядковым номером 1, а для всех тактов с порядковым номером ниже 1 значения всех сигналов принимаются равными нулю).
k
k
n
- номер такта работы устройства, для текущего такта работы устройства =;
T
c
- период сетевого напряжения;
T
в
- период выборки значений;
u
k
u
k
u
k
a
b
k
ab
a
b
[]=[] - [] - линейное напряжение между фазами  и  трехфазной системы электроснабжения, измеренное на -ом такте работы устройства;
u
k
u
k
u
k
b
c
k
b
с
b
c
[]=[] - [] - линейное напряжение между фазами  и трехфазной системы электроснабжения, измеренное на -ом такте работы устройства;
u
k
u
k
u
k
c
a
k
ca
c
a
[]=[] - [] - линейное напряжение между фазами  и  трехфазной системы электроснабжения, измеренное на -ом такте работы устройства;
i
k
а
k
н
(a)
[] - сигнал тока нелинейной нагрузки фазы  с блока датчиков тока нелинейной нагрузки на -ом такте работы устройства;
i
k
b
k
н
(b)
[] - сигнал тока нелинейной нагрузки фазы  с блока датчиков тока нелинейной нагрузки на -ом такте работы устройства;
i
k
с
k
н
(с)
[] - сигнал тока нелинейной нагрузки фазы  с блока датчиков тока нелинейной нагрузки на -ом такте работы устройства;
i
k
а
вг
(a)
[] - сигнал тока высших гармоник для фазы  с выхода блока 10;
i
k
b
вг
(
b
)
[] - сигнал тока высших гармоник для фазы  с выхода блока 10;
i
k
c
вг
(c)
[] - сигнал тока высших гармоник для фазы  с выхода блока 10.
i
i
i
р(
а
)
р(
b
)
р(
c
)
Блок 12 выполняет расчет и усреднение реактивной мощности, потребляемой по отдельной фазе трехфазной сети переменного тока, и, на основе информации о рассчитанном среднем за период сетевого напряжения значении реактивной мощности, осуществляет расчет амплитуд тока, необходимых для компенсации этой мощности в каждой из фаз трехфазной электрической сети , , .
i
i
i
i
i
i
р(
а
)
р(
b
)
р(
c
)
р(
а
)
р(
b
)
р(
c
)
Рассчитанные сигналы , , , равные амплитуде реактивного тока, необходимого для компенсации реактивной мощности, потребляемой по соответствующей фазе трехфазной сети переменного тока, подаются на вход блоков синхронизации уровня реактивного тока, где умножаются с сигналами . Сигнал  умножается в блоке 17 на сигнал , формируя выходной сигнал этого блока, сигнал  умножается на сигнал  в блоке 18, формируя выходной сигнал этого блока, сигнал умножается на сигнал в блоке 19, формируя выходной сигнал этого блока.
i
а
i
а
i
b
i
b
i
с
i
вг(
a
)
з(
а
)
вг(
b
)
з(
b
)
вг(
c
)
з(
с
)
После этого выходные сигналы блоков 14, 17 и сигнал , равный току высших гармоник нелинейной нагрузки фазы , суммируются в блоке суммирования сигналов задания 20, формируя сигнал задания  в канал регулирования тока фазы  трехканального контура регулирования выходных токов фильтра, выходные сигналы блоков 15, 18 и сигнал , равный току высших гармоник нелинейной нагрузки фазы , суммируются в блоке суммирования сигналов задания 21, формируя сигнал задания  в канал регулирования тока фазы  трехканального контура регулирования выходных токов фильтра, выходные сигналы блоков 16, 19 и сигнал , равный току высших гармоник нелинейной нагрузки фазы , суммируются в блоке суммирования сигналов задания 22, формируя сигнал задания .
После этого на текущем такте работы трехканальный контур регулирования выходных токов фильтра осуществляет расчет модулирующих сигналов в соответствии со следующим выражением
j
a,b,c
где = - индекс канала, соответствующего фазе трехфазной системы электроснабжения;
i
и(
j
)
- сигнал с блока датчиков тока дросселей 4 соответствующей фазы;
k
п
- пропорциональный коэффициент передачи регулятора в канале трехканального регулятора выходных токов фильтра.
u
u
u
u
u
u
m
(
a
)
m
(
b
)
m
(
с
)
m
(
a
)
m(b)
m(с)
Рассчитанный сигнал  подается на вход блока 24, сигнал  подается на вход блока 25,  подается на вход блока 26, и все три сигнала ,  и  подаются на вход блока 27 для расчета сигнала управления дополнительной транзисторной стойкой инвертора. После чего эти сигналы сравниваются в блоках 24-27 с выработанным в блоке 28 опорным сигналом, который также подается на вход блоков 24-27, и по результатам сравнения вырабатывается сигнал управления силовыми ключами трехфазного инвертора напряжения с дополнительной четвертой транзисторной стойкой, чем заканчивается такт работы устройства.
Предлагаемый трехфазный активный силовой фильтр для сетей с несимметричной нагрузкой позволяет снизить амплитудные значения высших гармоник тока несимметричной нелинейной нагрузки, уменьшить потребляемый от источника фазного напряжения реактивный ток, снизив тем самым потери в электрической сети, и увеличить ресурс ее работы и пропускную способность.
Сравнение заявленной полезной модели с прототипом выявило, что она отличается от прототипа наличием блока датчиков фазного напряжения сети, дополнительным блоком расчета уровня реактивного тока, блоками синхронизации сигнала задания от контура регулирования напряжения конденсатора с сетью и блоками синхронизации уровня реактивного тока, а блок выработки синхронизирующего сигнала принимает на вход сигнал с блока датчиков фазного напряжения сети, что позволяет осуществить компенсацию высших гармоник тока, генерируемых нагрузкой, одновременно с компенсацией, потребляемой от сети переменного тока реактивной мощности независимо для отдельных фаз (или всех одновременно) трехфазной сети, следовательно, соответствует критерию «новизна».