СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНОЙ ЧАСТОТНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ ПИТАЮЩЕЙ СЕТИ
METHOD FOR DETERMINING THE BASIC FREQUENCY STRUCTURAL VOLTAGE OF A POWER SUPPLY NETWORK

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для повышения качества электрической энергии в системах электроснабжения, в частности к способам определения основной частотной составляющей фазного напряжения сети при несимметричной трехфазной цепи.
Известно, что важным аспектом эффективного функционирования различной преобразовательной техники является определение мгновенных значений основных составляющих тока и напряжения питающей сети.
В частности, определение мгновенного сигнала основной частотной составляющей (гармоники) напряжения питающей сети имеет предопределяющее значение для управления системами генерации и накопления энергии, а также преобразователями линий электропередач, источниками бесперебойного питания (ИБП), сетевыми инверторами для альтернативных источников энергии, динамическими компенсаторами искажения напряжений (ДКИН) и другим, подключаемым к сети преобразовательным оборудованием.
Поэтому чрезвычайно важным является создание и реализация способа определения сигналов высокого качества с максимальной точностью и скоростью определения, несмотря на наличие искажений напряжения, таких как изменение частоты, наличие гармоник, просадки и скачки напряжения, а также другие нарушения параметров питающей сети.
Большинство известных способов очень чувствительны к гармоническим искажениям, а также могут зависеть от дисбаланса фаз при трехфазной сети. Более того, в однофазном случае возможна неустранимая флуктуация гармоник высокого порядка. С целью устранения подобных явлений, на практике ограничивают диапазон частот пропускания схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), что в свою очередь, приводит к очень низкой производительности, так как скорость вычислений значительно уменьшается.
Из патента РФ №RU2560145 МПК G01R 23/00 известен способ определения частоты трехфазного напряжения, в котором для определения частоты первой гармоники F1 промышленного трехфазного напряжения используют сигналы всех трех фаз Ua, Ub, Uc, суммируя напряжения всех трех фаз, подсчитывают напряжение нулевой последовательности Uo. Из напряжения нулевой последовательности Uo фильтром выделяют напряжение третьей гармоники промышленной частоты U3, определяют частоту F3 напряжения третьей гармоники промышленной частоты U3, из которой определяют частоту первой гармоники F1=F3/3.
К недостаткам указанного способа можно отнести вычисление усредненных значений, что может вносить определенную погрешность, а также зависимость от синхронности фаз, что может повлиять на верность вычислений при наличии дисбаланса фаз.
Из патента US 8067932B2 от 29.11.2011, МПК G01R 19/25 известны система и способ мониторинга сети в реальном времени, который включает:
- преобразование из многофазной (abc) в двухфазную (αβ) систему, согласно измеренному многофазному входному напряжению или току для генерирования набора из двух сигналов, несущих информацию о компонентах положительной и отрицательной последовательности исходного многофазного входного сигнала;
- генерирование квадратурного сигнала посредством двух генераторов квадратурных сигналов αβ;
- частотное регулирование контролируемых αβ, обеспечивая равность настраиваемой частоты, основной частоте контролируемых сигналов αβ;
- расчет квадратурных сигналов в реальном времени, причем квадратурные сигналы разделяют на компоненты с положительные и отрицательной последовательностью опорного сигнала αβ.
В этом изобретении частота сети является ключевой переменной системы мониторинга (частотная подстройка FLL).
Основным недостатком описанного способа можно считать то, что описанная система требует наличия информации об основной частоте питающей сети и, следовательно, эта система может быть нестабильной при наличии неопределенностей в таком параметре, при этом зависимость от параметров трехфазной цепи может повлиять на работу системы при дисбалансе напряжения на фазах.
Также из патента ЕР 2354800 А1 от 01.02.2010, МПК G01R 19/25 известен способ определения основной частотной составляющей напряжения питающей сети, заключающийся в том, что определяют значение фазного напряжения питающей сети, формируют квадратурный сопутствующий сигнал фазного напряжения питающей сети, а также сигналы с данными о частоте питающей сети. В другом предпочтительном варианте осуществления при определении основной составляющей напряжения сети, также учтены гармонические составляющие напряжения сети. Указанный метод, непосредственно оценивает основную частоту вместо фазового угла. Согласно описанному способу, величина переходного периода, при котором измеренная основная частотная составляющая, достигает синусоидальной формы с той же амплитудой и частотой, что и реальная основная составляющая, составляет 1.5 периода.
К недостаткам указанного способа можно отнести зависимость от оценки основной частоты сети, что может повлиять на работу системы, при наличии погрешности в таком параметре, а также определение частот высших гармоник с фиксацией амплитуды и фазового сдвига может привести к задержке по времени срабатывания.
Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание способа определения мгновенного значения основной частотной составляющей напряжения питающей сети с определением амплитуды и фазы основной частотной составляющей по отдельным фазам с обеспечением высокой точности и скорости формирования сигналов.
Технический результат, достигнутый от реализации заявляемого изобретения, заключается в увеличении скорости и точности пофазного определения мгновенного значения основной частотной составляющей напряжения сети, а также амплитуды и угла сдвига фаз в широком диапазоне частот, при этом применение низкой частоты дискретизации позволяет оптимизировать работу вычислительной техники, путем разгрузки центрального процессора.
dω
β
α
;
m
1
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что формируют постоянную частотную составляющую Т с учетом времени квантования и частоты питающей сети. Исходя из сигналов входящего и номинального фазного напряжения формируют квадратурные сигналы напряжения, эквивалентные сигналам в неподвижной системе координат α/β, посредством определения сигнала U, опережающего сигнал входящего фазного напряжения с ограничением частоты высших гармоник в заданном диапазоне, и формирования сигнала U, находящегося в противофазе к входящему сигналу фазного напряжения. Сформированные сигналы пропускают через фильтр первого порядка, сконфигурированный с возможностью фильтрации высших гармоник и сохранения квадратуры сигналов. Полученные сигналы пропускают через фильтр второго порядка, где выполняют фильтрацию гармоник более низкого порядка и формируют сигналы с информацией о мгновенном значении основной частотной составляющей фазного напряжения питающей сети и ее амплитуде. На следующем этапе, определяют мгновенное значение амплитуды U и выполняют корректировку по фазе, при этом определяют величины, характеризирующие положение корректируемых сигналов по фазе и амплитуде, а также позволяющие определить мгновенное значение основной частотной составляющей напряжения питающей сети U.
Сущность заявляемого изобретения поясняется, но не ограничивается следующими изображениями:
фиг. 1 - функциональная блок схема алгоритма согласно способу определения мгновенного значения основной частотной составляющей напряжения питающей сети;
фиг. 2 - осциллограммы напряжений с применением способа в статическом режиме;
фиг. 3 - осциллограммы напряжений с применением способа в динамическом режиме при снижении и искажении напряжения сети;
фиг. 4 - осциллограммы напряжений с применением способа при несимметричной трехфазной сети.
Исходя из вышеизложенного следует отметить, что заявляемый способ предусматривает различные варианты и альтернативные формы реализации. Конкретный вариант осуществления показан посредством приведенных графических материалов, а также в описании изобретения. При этом изобретение не ограничивается конкретной раскрытой формой и может охватывать все возможные варианты исполнения, эквиваленты и альтернативы в рамках существенных признаков, раскрытых в формуле изобретения.
Способ определения основной частотной составляющей напряжения питающей сети заключается в том, что измеряют значение фазного напряжения питающей сети, формируют квадратурный сопутствующий сигнал фазного напряжения питающей сети, а также сигналы с данными о частоте питающей сети.
Описывая заявляемое изобретение, условно можно выделить пять функциональных блоков алгоритма определения основной частотной составляющей напряжения питающей сети, отображенных на блок-схеме формирования сигналов (фиг. 1).
Блок 1 - формирования сигнала постоянной частотной составляющей Tdω с учетом времени квантования и частоты питающей сети, посредством перехода к относительным величинам.
β0
Блок 2 - формирования сигнала U, опережающего сигнал входящего фазного напряжения с ограничением частоты высших гармоник в заданном диапазоне.
Блок 3 - формирования сигнала, находящегося в противофазе к входящему сигналу фазного напряжения, и фильтрации полученных сигналов фильтром первого порядка, сконфигурированным с возможностью фильтрации высших гармоник и сохранения квадратуры сигналов.
Блок 4 - фильтрации квадратурных сигналов, посредством фильтра второго порядка, обеспечивающего фильтрацию гармоник более низкого порядка и формирование сигналов с информацией о мгновенном значении основной частотной составляющей фазного напряжения питающей сети и ее амплитуде с определением мгновенного значения амплитуды Um.
Блок 5 - корректировки по фазе, полученных сигналов с информацией о мгновенном значении основной частотной составляющей, с определением величин, характеризирующих фазу и амплитуду корректируемых сигналов, а также позволяющие определить мгновенное значение основной частотной составляющей напряжения питающей сети U1.
Описание последовательности действий алгоритма, определения основной частотной составляющей напряжения питающей сети.
dω
кв
В функциональном блоке 1 формируют постоянную частотную составляющую T с учетом времени квантования t и частоты f питающей сети, по отношению к круговой частоте ω, определяемой по формуле
,
что позволяет привести исходные значения частоты питающей сети f к постоянной скалярной величине, применяемой в дальнейшем расчете и позволяющей повысить точность и скорость работы алгоритма. Такое преобразование величин позволяет минимизировать зависимость работы алгоритма от значения частоты питающей сети.
mn
β0
В функциональном блоке 2, исходя из измеренного значения входящего фазного напряжения U и нормированного по амплитудному значению номинального фазного напряжения U, формируют квадратурный опережающий сигнал U входящего фазного напряжения с ограничением частоты высших гармоник в заданном диапазоне. На данном этапе осуществляется срез высших гармоник, начиная с 5-й и более.
β
α
β
β0
α
dω
На следующем этапе, в функциональном блоке 3 формируют квадратурные сигналы напряжения, эквивалентные сигналам в неподвижной системе координат α/β, посредством определения сигналов, обозначенных как U, и U, при этом сигнал U является опережающим по отношению к U, а сигнал U находится в противофазе к входящему сигналу фазного напряжения U. Сформированные сигналы, пропускают через фильтр первого порядка, сконфигурированный с возможностью фильтрации высших гармоник, не попавших под срез в функциональном блоке 2, и сохранения квадратуры сигналов с учетом постоянной частотной составляющей Т и постоянной фильтра в радианах частоты сети f.
β;
α
β
α
β;
α
Полученные сигналы U U, находящиеся в квадратуре по отношению друг к другу, подают на функциональный блок 4 где, пропускают через фильтр второго порядка, обеспечивающий фильтрацию гармоник более низкого порядка, преимущественно от 2-й до 5-й гармоники, и формируют на выходе сигналы U' U,' опережающие сигналы U U по фазе, с информацией о мгновенном значении основной частотной составляющей фазного напряжения питающей сети и ее амплитуде.
β
α
mn
m
После чего, исходя из полученных сигналов U' U' и известного ранее значения амплитуды номинального фазного напряжения питающей сети U, определяют мгновенное значение амплитуды U основной частотной составляющей питающей сети.
1
На следующем этапе в функциональном блоке 5 определяют значение основной частотной составляющей напряжения питающей сети U с учетом фазного сдвига и приведением полученного сигнала к значению, близкому с теоретическим, выполняя, таким образом, корректировку по фазе.
1
m
1
Наряду с этим определяют величины, характеризирующие фазу и амплитуду корректируемых сигналов, а также позволяющие определить мгновенное значение основной частотной составляющей напряжения питающей сети U, среди которых расчетный угол θ основной частотной составляющей напряжения питающей сети, а также мгновенное значение амплитуды U, определенное ранее. Также следует отметить, что данные величины являются взаимозависимыми, что позволяет определять мгновенное значение U по следующему соотношению:
Приведенный способ позволяет производить вычисления при низкой частоте дискретизации. Как пример реализации заявляемого способа приведены осциллограммы напряжений в статическом (фиг. 2) и динамическом (фиг. 3) режимах с временем квантования 27 и 333 мкс.
На (фиг. 2) на первой сверху осциллограмме показано искаженное фазное напряжение питающей сети (жирная линия) и теоретическая основная частотная составляющая напряжения сети (основная гармоника), на второй осциллограмме показаны расчетные основные частотные составляющие напряжения, а также расчетные значения угла θ, отображенные на третьей осциллограмме при времени квантования 27 мкс и 333мкс (ступенчатая линия).
На (фиг. 3) отображен динамический режим работы алгоритма. Первая сверху осциллограмма показывает искаженное фазное напряжение питающей сети и расчетную основную гармонику (жирная линия), при этом на второй осциллограмме показаны расчетные основные частотные составляющие напряжения при времени квантования 27 мкс и 333мкс.
Исходя из приведенных изображений можно сделать выводы, что теоретические и расчетные значения основной частотной составляющей напряжения сети и угла θ практически совпадают, при этом расчетные величины при времени квантования 27 мкс и 333мкс также совпадают, что свидетельствует о возможности работы алгоритма, согласно заявляемому способу, в широком диапазоне частот.
Время определения основной частотной составляющей напряжения сети в динамическом режиме составляет 0.5 периода сети, что показано на (фиг. 3).
Также на (фиг. 4) показана реализация заявляемого способа при несимметричном искажении напряжения и разных уровнях напряжения по фазам. На нижней осциллограмме отображены теоретические и расчетны, (жирная линия) сигналы основной частотной составляющей напряжения сети. Приведенные осциллограммы, также свидетельствуют о том, что с момента включения алгоритма в работу до синхронизации теоретического и расчетного сигналов проходит время, соизмеримое с одним периодом сети.
Исходя из вышеизложенного можно сделать выводы, что реализация описанного способа обеспечивает достижение заявленного технического результата, позволяя с высокой точность и скоростью осуществлять пофазное определение мгновенного значения основной частотной составляющей напряжения сети, а также амплитуды и угла сдвига фаз в широком диапазоне частот, с применением низкой частоты дискретизации. Применение описанного алгоритма согласно заявляемому изобретению способствует оперативному реагированию на изменения состава гармоник, а также обеспечению наиболее эффективного помехоподавления в заданном диапазоне частот, с увеличенной скоростью и точностью процесса расчета.
Заявляемое изобретение может быть реализовано в системе управления динамического компенсатора напряжений.