ГИБРИДНЫЙ КОМПЕНСАТОР ПАССИВНОЙ МОЩНОСТИ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИМ Российский патент 2002 года по МПК H02J3/18 

Изобретение относится к энергетической электронике и предназначено для компенсации так называемых пассивных составляющих мгновенной электрической мощности, то есть в равной мере как реактивной мощности, так и мощности искажения в однофазных сетях переменного тока.

Известны идея и общие принципы построения и управления гибридных статических компенсаторов в виде системы взаимодополняющих устройств компенсации реактивной мощности (КРМ), предназначенных для устранения базовой составляющей пассивной мощности, имеющей по сравнению с другими наиболее низкую частоту взаимодействия сети и нагрузки и устройств компенсации мощности искажения (КМИ), способствующих доведению тока сети, образованного сложением тока компенсируемой нагрузки и тока КРМ, до синусоидальной формы с амплитудным значением, равным активной составляющей основной гармоники тока нагрузки (см. , например, Энергетическая электроника: Справочное пособие. Пер. с нем. - М.: Энергоатомиздат, 1987, с.237-243; Патент РФ 2146848). Необходимость разработки объединенных систем компенсации объясняется ограниченными функциональными возможностями современных компенсаторов, а именно недостаточно широкой полосой пропускания КРМ, не позволяющей использовать их для компенсации мощности искажения - с одной стороны, а также ограниченной энергоемкостью КМИ, не позволяющей в процессе энергообмена генерировать мощность на достаточно продолжительных временных интервалах - с другой. В качестве прототипа принимается устройство, в котором функции КРМ выполняет компенсационный преобразователь по однофазной двухполупериодной схеме выпрямления, выполненный на двухоперационных вентилях, работающих на индуктивную нагрузку в виде сглаживающего накопительного дросселя в диапазоне опережающих углов управления, близких к α = -π/2, а функции КМИ возложены на инвертор напряжения с накопительным полярным конденсатором в цепи постоянного тока и согласующим дросселем на сетевом входе (см., например, Супронович Г. Улучшение коэффициента мощности преобразовательных установок: Пер. с польск. - М.: Энергоатомиздат, 1985, с. 133). Здесь и далее полагается, что напряжение сети сохраняет синусоидальную форму, компенсационный преобразователь работает при идеально сглаженном токе нагрузки, а коэффициент трансформации силового согласующего трансформатора равен единице.

Недостатком прототипа следует признать ограниченный диапазон плавного регулирования реактивной мощности, вследствие того что при известном способе фазового управления компенсационным выпрямителем наблюдается одновременное изменение обоих параметров, определяющих реактивную мощность компенсатора, - тока и фазового сдвига его основной гармоники относительно напряжения на сетевом входе, что в условиях, близких к короткому замыканию выпрямителя, ограничивает длапазон возможного изменения угла α. Известное решение, направленное на расширение диапазона регулирования, предполагает, что инвертор в составе КМИ может служить не только для компенсации мощности искажения, создаваемой высшими гармониками тока, но также и низкочастотной (реактивной) составляющей пассивной мощности. Однако, как показали исследования, это возможно лишь при ограниченных фазовых углах нагрузки при наличии специальных цепей подзаряда накопительного конденсатора, что ведет к дополнительному искажению сетевого тока в виде тока "недокомпенсации" и усложнению устройства.

Целью изобретения является расширение диапазона регулирования реактивной мощности на сетевом входе гибридного компенсатора, что создает условия для мощностной разгрузки инвертора в составе КМИ и, следовательно, упрощения его конструкции за счет устранения указанных дополнительных цепей подзаряда накопительного конденсатора.

Для этого предлагается конструктивное объединение КРМ и КМИ на основе одного общего согласующего трансформатора со средней точкой вторичных полуобмоток, к которым подключены два полностью управляемых вентиля КМИ, зашунтированные обратными диодами и одновременно две пары вентилей КРМ, причем последний выполнен в виде двух одинаковых параллельно включенных относительно обмоток трансформатора вентильных комплектов, каждый из которых выполнен по двухполупериодной схеме выпрямления со средней точкой и содержит в своей цепи выпрямленного тока накопительно-сглаживающий дроссель.

Известные способы управления гибридными компенсаторами направлены на получение требуемой величины и формы мгновенного тока на сетевом входе путем сложения токов КРМ и КМИ, каждый из которых формируется по принципу автоматического регулирования по отклонению от тока задания. Сигналом задания тока КРМ может служить суммарная пассивная составляющая тока компенсируемой нагрузки, которая получается вычитанием из полного тока нагрузки его полезной части в виде активной составляющей первой гармоники, имеющей частоту и форму сетевого напряжения. Управление вентилями компенсационного преобразователя в составе КРМ осуществляется, как правило, импульсно-фазовым способом, например, с трехкратным включением каждого вентиля на периоде сетевого напряжения. Сигналом задания тока сети в контуре регулирования КМИ является указанная полезная составляющая тока нагрузки. Переключение вентилей инвертора КМИ происходит с высокой частотой, лежащей за пределами частотной полосы пропускания КРМ. При этом каждое включение вентиля приводит к некоторому увеличению мгновенного тока на входе инвертора за счет частичного разряда накопительного конденсатора, а последующее выключение - к уменьшению тока, которое сопровождается повторным зарядом накопительного конденсатора реактивным током. Чередование указанных интервалов с высокой частотой и регулирование их длительности на основе релейного или широтно-импульсного принципов модуляции позволяет добиться желаемой формы мгновенного тока на входе гибридного компенсатора.

С целью расширения диапазона регулирования при периодическом изменении тока компенсируемой нагрузки предлагается управление вентилями компенсационного преобразователя в составе КРМ осуществлять с помощью двух управляющих сигналов U_i, U_ϕ, пропорциональных соответственно активной и реактивной составляющим основной гармоники тока задания КРМ с отстающим относительно начала положительной полуволны сетевого напряжения на аноде вентиля углом управления при каждом первом включении на периоде сети

с постоянным значением угла управления α₂ = π при каждом втором включении на периоде сети и опережающим углом управления при каждом третьем включении, по модулю равным

при этом сигнал ошибки регулирования, образующийся в результате вычитания из сигнала задания тока КМИ тока сети, подавать на управляющий вход модулятора длительности включенного состояния вентилей инвертора напряжения в составе КМИ.

В случаях непериодического характера изменения тока нагрузки предлагаемый алгоритм следует дополнить подачей отпирающих импульсов одновременно на каждые два вентиля в составе разных вентильных комплектов, подключенные к одной полуобмотке трансформатора при совпадении знаков мгновенных значений тока задания и тока на сетевом входе КРМ или подачей отпирающих импульсов на вентили, подключенные к разным полуобмоткам трансформатора при несовпадении знаков указанных координат, чередуя работу параллельно включенных вентильных комплектов в выпрямительном и инверторном режимах от одного полупериода сетевого напряжения к другому.

Суть предлагаемого решения состоит в независимом параметрическом регулировании в любых необходимых пределах величины и фазы тока компенсатора в функции соответствующих параметров нагрузки, создающим условия для двухстороннего обмена реактивной мощностью между нагрузкой и компенсатором. В случае непереодического изменения тока нагрузки возможному обмену реактивной мощностью компенсатора с сетью можно воспрепятствовать путем кратковременного шунтирования трансформаторного входа на интервалах несовпадения знака мгновенных значений тока задания и тока компенсатора. Данные меры ведут к разгрузке инвертора КМИ от низкочастотной составляющей пассивной мощности, в результате это устройство будет работать при кратковременном чередовании положительного и отрицательного знака мгновенной мощности, не требуя для этого дополнительной подзарядки накопительного конденсатора.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема силовой части и блок-схема цепей управления предлагаемого устройства; на фиг.2 - временные диаграммы, иллюстрирующие работу компенсационного преобразователя в режиме КРМ; на фиг. 3 - характеристики функционального построителя, предназначенного для преобразования параметрических сигналов управления реактивной мощностью U_i, U_ϕ в управляющие сигналы U_y1, U_y2 на входе СИФУ компенсационного преобразователя; на фиг. 4 - временные диаграммы, иллюстрирующие способ управления гибридным компенсатором.

Силовая схема выполнена с применением трехобмоточного согласующего трансформатора 1, первичная обмотка которого подключена к сети параллельно компенсируемой нагрузке. КРМ выполнен на двух параллельно включенных относительно обмоток трансформатора вентильных комплектах, один из которых содержит двухоперационные вентили 2, 3, а другой - 4, 5. Нагрузкой данных выпрямителей служат накопительно-сглаживающие дроссели 6, 7, которые своим общим выводом соединены со средней точкой трансформатора и одновременно - с одним из полюсов полярного накопительного трансформатора 8. Последний входит в состав КМИ, который выполнен в виде однофазного инвертора на вентилях 9, 10, зашунтированных обратными диодами 11, 12, которые посредством магнитно-связанных дросселей 13, 14 соединяют обмотки трансформатора с другим полюсом накопительного конденсатора.

Управляющие цепи, выполненные по т.н. минимальной конфигурации, содержат задатчик сетевого тока 15 и параметрический анализатор тока нагрузки 16, входные зажимы которых соединены с датчиками напряжения сети 17 и тока нагрузки 18. Сигнал задания тока сети i*_н1a в контуре регулирования КМИ сравнивается с помощью узла сравнения 19 с сигналом обратной связи по току сети i*_c, образуя сигнал ошибки регулирования Δi*ки

, который поступает на вход модулятора 21 длительности включенного состояния вентилей КМИ. Получаемые с выходов блока 16 сигналы параметрического управления реактивной мощностью U_i, U_ϕ направляются на входы функционального построителя 22, на выходах которого в соответствии с аналитическими зависимостями (8) и (9) формируются управляющие сигналы U_y1, U_y2, обеспечивающие включение вентилей КРМ с углами управления α₁, α₃ с помощью системы импульсно-фазового управления (СИФУ) 23 с подключенным на выходе согласующим устройством 24. Назначением последнего является изменение порядка подачи управляющих импульсов на вентили 2, 3 и 4, 5 с целью поочередного перевода вентильных комплектов в выпрямительный и инверторный режим по команде сигнала, поступающего с одного из выходов анализатора 16.

Получим уравнения, доказывающие возможность параметрического регулирования реактивной мощности на сетевом входе компенсатора. Для этого выражение реактивной составляющей тока компенсируемой нагрузки представим в виде произведения двух сомножителей
I_н1р = I_н1sinϕ_y1 = U_i•U_ϕ, (1)
где U_i=I_н1/I_н1мах - относительный токовый параметр, приведенный к некоторому максимальному току I_н1мах;
U_ϕ = sinϕ₁ - фазовый параметр нагрузки. Покажем, что подобным образом может быть представлена и реактивная составляющая тока компенсатора. Диаграммы на фиг.2 показывают, что при управлении с трехкратным включением каждого вентиля КРМ на периоде сети путем соответствующего изменения углов управления α₁, α₃ можно добиться независимого регулирования по желаемому закону средневыпрямленного напряжения U_d и тока I_d - с одной стороны и фазового сдвига основной гармоники тока ϕ₁ - с другой. Раскладывая кривую тока компенсатора i_к(ν) в тригонометрический ряд, запишем выражения коэффициентов Фурье при первом слагаемом


что дает возможность получить действующее значение основной гармоники этого тока и ее фазовый сдвиг

Записав выражение для средневыпрямленного тока компенсационного преобразователя

приходим к выводу, что реактивная составляющая основной гармоники тока на сетевом входе КРМ также зависит от произведения двух параметров
,
где a*1

=sinϕ_к1 - фазовый параметр тока компенсатора;
относительный токовый параметр компенсатора.

Условие полной компенсации реактивной мощности нагрузки предполагает равенство I_к1р= -I_н1р, что достигается за счет уравнивания параметров нагрузки и компенсатора a*1

= -U_ϕ, b*1 = U_i, при условии I_н1мах = 8U/π²R_d. Полагается, что выработка параметрических сигналов управления U_i, U_ϕ в соответствии с указанными соотношениями происходит на выходах блока 16. Их дальнейшее преобразование осуществляется с помощью функционального постороителя 22, характеристика которого легко отыскивается, если переписать уравнения (2), (3) в следующем виде
U_ϕ = sinα₁-sin|α₃|; (6)
U_i = cosα₁+cosα₃-1. (7)
Данная система уравнений совместна и ее решение относительно угла управления при первом включении вентиля на периоде сети дает
α₁ = arccosU_y1, (8)
где

Аналогично отыскивается модульное значение опережающего угла управления при третьем включении вентиля на периоде сети
|α₃| = arccosU_y2, (9)
где

Получаемые в соответствии с (8), (9) управляющие сигналы U_y1, U_y2 поступают на входы СИФУ (блок 23), которая согласно известному вертикальному принципу вырабатывает управляющие импульсы в моменты их равенства с опорными сигналами косинусоидальной формы (см. фиг.2). Рассчитанные по (8), (9) характеристики функционального построителя U_y1,2 = f(U_i, U_ϕ) приведены на фиг.3.

Работу гибридного компенсатора иллюстрируют временные диаграммы на фиг. 4. Полагается, что компенсируемая нагрузка потребляет несинусоидальный периодический ток i_н, в составе которого можно выделить активную i_н1а и реактивную i_н1р составляющие. Путем вычитания из полного тока нагрузки его полезной части получается сигнал задания тока КРМ (показано сплошной линией на фиг.4а). Анализ данных составляющих приводит к появлению на выходах блока 16 управляющих сигналов U_i, U_ϕ, а на выходах блока 22 сигналов U_y1, U_y2 (фиг. 4б, в). Переключение вентилей КРМ с углами управления α₁, α₃ приводит к появлению на сетевом входе тока компенсатора i_к (фиг.4г). При периодической форме тока нагрузки необходимость в двух параллельно включенных вентильных комплектах отсутствует, поэтому полагается, что на универсальной схеме фиг.1 управляющие импульсы поступают лишь на вентили одного из комплектов, например при положительной полуволне сетевого напряжения - на вентиль 2, а при отрицательной полуволне - на вентиль 3.

Реактивная составляющая тока компенсатора должна быть в противофазе с реактивной составляющей тока нагрузки i_к1р+i_н1р=0, что обеспечивает предлагаемый способ управления. Однако в общем случае в токе нагрузки присутствуют высшие гармоники Δi_н=i_н-(i_н1а+i_н1р), а в составе мгновенного тока компенсатора может быть также и активная составляющая Δi_к=i_к-i_к1р (см. фиг.4д, е). Суммарное значение этих составляющих образует ток недокомпенсации сети Δi_c = Δi_н+Δi_к (фиг. 4ж), который может быть получен на выходе узла 19 как сигнал ошибки регулирования в контуре управления КМИ Δi*ки

= -Δi*c. Отработка этого сигнала, как отмечалось, предполагает высокочастотное переключение с помощью блока 21, в зависимости от полярности сигнала Δi*ки, вентиля 9 или 10. Так, например, включение 9 приведет к частичному разряду накопительного конденсатора по цепи с элементами 8, 13, 9 и, соответственно, к некоторому увеличению тока в обмотке трансформатора, а последующее выключение названного вентиля - к замыканию уменьшающегося реактивного тока по цепи с элементами 14, 8, 12 и повторному заряду конденсатора 8. Полагается, что указанные ампер-добавки тока должны привести к компенсации составляющей Δi_c, в результате чего в сети будет протекать ток i_с по величине и форме, близкий сигналу задания i*_н1a (фиг.4з).

Достигаемая разгрузка КМИ от реактивной составляющей тока проявляется в том, что ток недокомпенсации Δi_c (ток задания КМИ) имеет форму импульсов чередующейся полярности. Кратковременность этих импульсов на интервалах отрицательного знака мгновенной мощности (знак мгновенной мощности КМИ указан на фиг.4ж) способствует поддержанию постоянства напряжения на обкладках накопительного конденсатора, что является условием работоспособности КМИ. Вместе с тем, наличие активной составляющей в токе недокомпенсации может вызывать недопустимое снижение уровня указанного напряжения, что особенно затрудняет работу КМИ при нарушениях переодичности тока нагрузки.

Для дополнительной мощностной разгрузки КМИ в указанных условиях предлагается выполнение КРМ в виде двух параллельно включенных вентильных комплектов. Это позволяет кратковременно отключать КРМ от сетевого входа на интервалах несовпадения знаков мгновенного тока задания и тока компенсатора при поддержании выпрямленного тока в цепях накопительных дросселей, что также будет способствовать циркуляции низкочастотной составляющей мощности между компенсатором и сетью. Для этого достаточно одновременное включение двух вентилей, подключенных к разным полуобмоткам трансформатора, находящихся в составе разных комплектов, например вентилей 2 и 5. В результате встречного протекания токов через вторичные полуобмотки трансформатора результирующее значение тока в сетевой обмотке на указанном интервале будет равно нулю. Так как один из вентильных комплектов в это время будет переведен в инверторный режим, его ток в накопительном дросселе будет снижаться. Для предотвращения данного явления предлагается указанное шунтирование обмоток трансформатора осуществлять в процессе чередования работы вентильных комплектов в выпрямительном и инверторном режимах от одного полупериода сети к другому. Работа гибридного компенсатора при данном алгоритме управления иллюстрируется диаграммами на фиг.5. В отличие от рассмотренных данные кривые отражают процессы при изменении в момент ν₁ фазового параметра нагрузки, при этом диаграмма тока компенсатора i_к на интервалах шунтирования трансформатора показана пунктирной линией.

Изобретение предназначено для компенсации пассивных составляющих мгновенной электрической мощности в однофазных цепях, т. е. в равной мере как реактивной мощности, так и мощности искажения. Представляет собой конструктивное объединение на основе одного согласующего трансформатора со средней точкой компенсатора реактивной мощности в виде компенсационного выпрямителя, нагруженного на индуктивную нагрузку в виде накопительно-сглаживающего дросселя и компенсатора мощности искажения на основе однофазного инвертора напряжения с накопительным конденсатором в цепи постоянного тока и согласующим дросселем на сетевом входе. Способ управления направлен на получение требуемой величины и формы мгновенного тока на сетевом входе в результате сложения токов компенсатора реактивной мощности и компенсатора мощности искажения. С целью расширения диапазона регулирования реактивной мощности управление вентилями компенсационного выпрямителя осуществляется путем трехкратного включения каждого вентиля на периоде сетевого напряжения в моменты равенства периодических опорных напряжений и управляющих напряжений, представляющих собой нелинейную функциональную зависимость от двух управляющих воздействий, с помощью которых обеспечивается независимое пропорциональное регулирование фазового сдвига и величины первой гармоники тока компенсатора. Технический результат - расширение диапазона регулирования и мощностная разгрузка инвертора напряжения от низкочастотной составляющей компенсируемой мощности, способствующая упрощению конструкции за счет устранения вспомогательных цепей для подзаряда накопительного конденсатора. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Гибридный компенсатор пассивной мощности, силовая схема которого содержит компенсатор реактивной мощности (КРМ), содержащий согласующий однофазный трехобмоточный трансформатор, к вторичным полуобмоткам которого подключен комплект двухоперационных вентилей с накопительно-сглаживающим дросселем в цепи постоянного тока, а также компенсатор мощности искажения (КМИ) по схеме однофазного инвертора на двухоперационных вентилях, зашунтированных обратными диодами, подключенными одними выводами к соответствующим вторичным полуобмоткам согласующего трансформатора, а другими выводами - к одному из зажимов полярного накопительного конденсатора, второй зажим которого подключен к средней точке вторичных полуобмоток трансформатора и цепи управления, выполненные в виде системы автоматического управления, основными элементами которой являются устройство задания тока сети с подключенными на входе датчиками напряжения сети и тока нагрузки, узел сравнения сигнала задания с сигналом обратной связи по току сети, система импульсно-фазового управления двухоперационными вентилями КРМ и модулятор длительности включенного состояния вентилей КМИ, осуществляющий переключение упомянутых вентилей, при этом образованный узлом сравнения сигнал ошибки регулирования поступает на вход указанного модулятора, отличающийся введением в состав КРМ второго идентичного комплекта двухоперационных вентилей с накопительно-сглаживающим дросселем в цепи постоянного тока, а также двух магнитно-связанных дросселей для работы в цепях переменного тока, при этом вентильные комплекты относительно сетевых входов соединены параллельно, а двухоперационные вентили КМИ подключены к соответствующим вторичным полуобмоткам трансформатора через указанные магнитосвязанные дроссели. 2. Способ управления гибридным компенсатором пассивной мощности по п.1, путем импульсно-фазового управления двухоперационными вентилями КРМ на основе синхронно-вертикального принципа с трехкратным включением каждого вентиля на периоде сети и независимого управления величинами выпрямленного напряжения и тока - с одной стороны и величиной фазового сдвига основной гармоники тока на сетевом входе - с другой стороны, путем высокочастотного регулирования моментов переключения двухоперационных вентилей КМИ на основе широтно-импульсного или релейного способа модуляции, отличающийся тем, что управление двухоперационными вентилями КРМ осуществляется с помощью двух сигналов U_i, U_ϕ, пропорциональных, соответственно, активной и реактивной составляющим основной гармоники тока задания КРМ с отстающим относительно начала положительной полуволны сетевого напряжения на аноде углом управления при каждом первом включении вентиля на периоде сети

с постоянным значением угла управления α = π при каждом втором включении на периоде сети и опережающим углом управления при каждом третьем включении, по модулю равным

при этом сигнал ошибки регулирования, образующийся в результате вычитания из сигнала задания тока КМИ тока сети, подают на управляющий вход модулятора длительности включенного состояния двухоперационных вентилей КМИ. 3. Способ управления по п.2, отличающийся подачей отпирающих импульсов одновременно на каждые два вентиля в составе разных вентильных комплектов, подключенных к одной полуобмотке трансформатора при совпадении знаков мгновенных значений тока задания и тока на сетевом входе КРМ и подачей отпирающих импульсов на вентили, подключенные к разным полуобмоткам трансформатора при несовпадении знаков указанных токов, чередуя работу параллельно включенных вентильных комплектов в выпрямительном и инверторном режимах от одного полупериода сетевого напряжения к другому.