ОДНОФАЗНЫЙ АКТИВНЫЙ ФИЛЬТР
SINGLE-PHASE ACTIVE FILTER

Изобретение относится к электроэнергетике и электротехнике и может быть использовано для повышения качества электроэнергии в однофазных электрических сетях.
Основная часть потребителей электрической энергии, питаемых от однофазных силовых электрических сетей, имеют нелинейные нагрузочные характеристики, что приводит к появлению высших гармонических составляющих тока, искажению питающего напряжения в точках общего присоединения нагрузки и другим проблемам электромагнитной совместимости технических средств. Другой проблемой качества электроэнергии является значительная доля нагрузок, потребляющих реактивную мощность. Указанные проблемы приводят к значительным экономическим потерям.
Традиционным решением проблем качества электрической энергии является применение параллельных или последовательных пассивных резонансных фильтров, к недостатками которых относятся эффективность только на определенной частоте настройки, возможность резонансов с сетью и/или нагрузкой, большие массогабаритные показатели. Активные фильтры имеют меньший физический размер по сравнению с пассивными фильтрами. Недостатком известных активных фильтров, в целом, можно считать сложность конструкции и их систем управления. Гибридные фильтры объединяют пассивные и активные фильтры. Недостатком гибридных фильтров является ограниченная, по сравнению с чисто активными фильтрами, возможность подавления гармоник, поскольку параметры гибридного фильтра рассчитываются на эффективное подавление гармоник конкретного потребителя.
Известен активный фильтр гармоник и корректор коэффициента мощности (патент US 5977660, дата приоритета 08.08.1997). Недостатком устройства, в частности, его системы управления является сравнение фактического тока линии с желаемым эталонным током в разных циклах периодической кривой тока, что приводит к снижению производительности в переходных режимах. В устройстве применяется датчик тока сети вместо датчика тока нагрузки, что приводит к дополнительным сложностям при монтаже. Вычисление эталонного тока требует данных среднеквадратичного значения напряжения каждой фазы, для вычисления которых необходимы дополнительные вычислительные ресурсы.
Известен однофазный активный электрический фильтр (патент RU 2458381 С2, дата приоритета 11.02.2010). Недостатком данного устройства является отсутствие элемента, способного накапливать электрическую энергию, что говорит о невозможности обмена энергией между фильтром и сетью. Необходимость синхронизации с сетью системы формирования сигнала ошибки усложняет систему управления.
Известен однофазный компенсатор пассивных составляющих мгновенной мощности (патент RU 2249896 С2, дата приоритета 03.06.2003). Недостатком устройства является наличие датчиков тока линии и нагрузки, что усложняет монтаж компенсатора, поскольку требует два разрыва линейного провода. В силовой схеме компенсатора предусмотрены секционированный дроссель и ключ на двух тиристорах, усложняющие конструкцию силовой части схемы и увеличивающие габариты устройства.
Известен однофазный компенсатор пассивной мощности (патент RU 2146848 С1, дата приоритета 21.10.1997). Недостатком указанного устройства является использование аккумуляторных батарей и дополнительных элементов управления ими, что, помимо усложнения силовой схемы, приводит к необходимости периодической замены или заряда этих батарей в процессе эксплуатации устройства. Схема управления устройства предусматривает формирование задающего сигнала, повторяющего форму сетевого напряжения с амплитудой, зависящей от активной составляющей основной гармоники тока нагрузки. Данное решение не учитывает фактические изменения мгновенной мощности.
Прототипом является активный фильтр (патент US 7701090 В2, дата приоритета 28.06.2007), включаемый между энергосистемой и нагрузкой. Недостатком прототипа является то, что он не имеет функции коррекции коэффициента мощности. В прототипе не предусмотрено регулятора параметров накопительного элемента, который компенсирует потери энергии в элементах фильтра. Прототип предназначен для подавления высших гармоник тока нагрузки и не предполагает включение в произвольную точку электрической сети. Прототип требует вычисления мгновенной реактивной мощности, что является дополнительной операцией, реализация которой усложняет схему управления.
Цель предлагаемого изобретения - упрощение схемы управления однофазного активного фильтра и расширение его функциональных возможностей.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в снижении коэффициента искажения синусоидальности тока и напряжения питающей сети и поддержании определенного коэффициента мощности при динамически изменяющейся нелинейной нагрузке. Предлагаемое изобретение может быть использовано для улучшения качества электрической энергии единственного потребителя, группы потребителей или участка электрической сети.
Технический результат предлагаемого изобретения достигается за счет того, что в однофазном активном фильтре, содержащем инвертор, накопительный конденсатор, фильтр пульсаций, измерительный преобразователь тока нагрузки, измерительный преобразователь тока фильтра, измерительный преобразователь напряжения фильтра, измерительный преобразователь напряжения накопительного конденсатора, контроллер системы управления, при этом контроллер системы управления включает регулятор напряжения накопительного конденсатора, генератор сигнала эталонного тока, сумматор-вычислитель сигнала тока искажения, сумматор-вычислитель сигнала тока ошибки, регулятор тока, широтно-импульсный модулятор, генератор сигнала эталонного тока включает блок задержки сигнала тока нагрузки, блок задержки сигнала напряжения фильтра, блок вычисления мгновенной активной мощности, фильтр нижних частот, вычислитель мгновенной реактивной мощности, задатчик фазового угла тока, сумматор, блок вычисления сигнала эталонного тока, отличающийся тем, что с целью упрощения системы управления и расширения функциональных возможностей однофазного активного фильтра генератор сигнала эталонного тока содержит вычислитель мгновенной реактивной мощности, задатчик фазового угла тока, причем вычислитель мгновенной реактивной мощности включен между выходом фильтра нижних частот и входом блока вычисления сигнала эталонного тока, выход задатчика фазового угла тока соединен с входом вычислителя мгновенной реактивной мощности.
Однофазный активный фильтр поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена блок-схема активного фильтра, на фиг. 2 представлена блок-схема генератора эталонного сигнала тока. На фиг. 1: 101 - питающая сеть; 102 - зажимы нагрузки; 103 - инвертор; 104 - накопительный конденсатор; 105 - фильтр пульсаций; 106 - измерительный преобразователь напряжения фильтра; 107 - измерительный преобразователь напряжения накопительного конденсатора; 108 - измерительный преобразователь тока фильтра; 109 - измерительный преобразователь тока нагрузки; 110 - система управления; 111 - генератор сигнала эталонного тока; 112 - регулятор напряжения накопительного конденсатора; 113 - сумматор-вычислитель сигнала тока искажения; 114 - сумматор-вычислитель сигнала тока ошибки; 115 - регулятор тока; 116 - широтно-импульсный модулятор. На фиг. 2: 201 - блок задержки сигнала напряжения фильтра; 202 - блок задержки сигнала тока нагрузки; 203 - блок вычисления мгновенной активной мощности; 204 - фильтр нижних частот; 205 - вычислитель реактивной мощности; 206 - задатчик фазового угла тока; 207 - сумматор; 208 - блок вычисления сигнала эталонного тока.
Однофазный активный фильтр, блок-схема которого представлена на фиг.1, работает следующим образом. Путем коммутации силовых ключей инвертора 103 по сигналам системы управления 110 обеспечивается подключение накопительного конденсатора 104 между питающей сетью 101 и нагрузкой 102 таким образом, чтобы ток питающей сети был максимально близок к значению, формируемому генератором сигнала эталонного тока 111.
n
n
Блок задержки сигнала напряжения фильтра 201 формирует сигнал u, отстающий от сигнала напряжения фильтра u на Т/4, где Т - период основной частоты напряжения питающей сети. Блок задержки сигнала тока нагрузки 202 формирует сигнал i, отстающий от сигнала тока нагрузки i на T/4, где Т - период основной частоты напряжения питающей сети. Блок вычисления мгновенной активной мощности 203 формирует значение мгновенной активной мощности р в соответствии с выражением:
В общем случае нелинейной нагрузки значение мгновенной активной мощности р колеблется во времени относительно некоторого значения р' с частотой, большей или равной удвоенной частоте напряжения питающей сети. Значение р', представляющее собой постоянную составляющую мгновенной активной мощности р, выделяется фильтром нижних частот 204. Фильтрация цифрового сигнала может производиться путем его интегрирования в соответствии со следующим выражением:
f
f
где T - период интегрирования, причем T≥T.
В отличие от прототипа вычисление потребляемой мгновенной реактивной мощности на основе мгновенных значений тока и напряжения и последующая ее фильтрация не выполняется. Вместо этого генератор сигнала эталонного тока содержит вычислитель мгновенной реактивной мощности 205 и задатчик фазового угла тока 206, причем вычислитель мгновенной реактивной мощности 205 включен между выходом фильтра нижних частот 204 и входом блока вычисления сигнала эталонного тока 208, выход задатчика фазового угла тока 206 соединен с входом вычислителя мгновенной реактивной мощности.
Вычислитель мгновенной реактивной мощности 205 формирует значения реактивной мощности q' в соответствии с выражением:
где ϕ - фазовый угол, формируемый задатчиком фазового угла тока 206.
l
Сумматор 207 выполняет сложение значения постоянной составляющей мгновенной активной мощности р' и значения мощности потерь p для того, чтобы компенсировать потери энергии в однофазном активном фильтре.
Блок вычисления сигнала эталонного тока 208 формирует сигнал эталонного тока i' в соответствии с выражением
Введение вычислителя мгновенной реактивной мощности 205 и задатчика фазового угла тока 206 позволяет, во-первых, отказаться от операции вычисления мгновенной реактивной мощности и ее последующей фильтрации в генераторе сигнала эталонного тока 111, что упрощает систему управления. Во-вторых, позволяет формировать сигнал эталонного тока с управляемым фазовым углом относительно напряжения питающей сети, что позволяет расширить функциональные возможности однофазного активного фильтра по сравнению с прототипом, обеспечивая, помимо уменьшения искажения кривой тока, управляемую компенсацию реактивной мощности нагрузки. Задатчик фазового угла 206 может принимать внешние управляющие сигналы.