Способ совместной частичной компенсации реактивной мощности, подавления токов высших гармоник и симметрирования токов тяговой нагрузки железной дороги Российский патент 2018 года по МПК H02J3/01 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способам подавления высших гармоник, компенсации реактивной мощности и симметрирования токов нагрузки.

Способ может быть реализован в устройстве, установленном на стороне контактной сети переменного тока тяговых трансформаторов железной дороги, где электровозы являются мощной нелинейной несимметричной нагрузкой относительно трехфазной питающей сети.

Тяговая нагрузка железной дороги при потреблении электроэнергии создает существенную несимметрию и несинусоидальность токов, которые создают в питающей сети несимметрию и несинусоидальность напряжений, превышающие величины, нормируемые ГОСТом 32144-2013. Также тяговая нагрузка потребляет реактивную мощность, которая способствует снижению напряжения в узлах сети, к которым подключены тяговые подстанции и соответственно на самой тяге. Для повышения напряжения используют устройства компенсации реактивной мощности, для симметрирования токов нагрузки используют симметрирующие устройства, для подавления токов высших гармоник используют фильтры токов высших гармоник. В настоящее время функции компенсации реактивной мощности, симметрирования токов и подавления токов высших гармоник совмещают в активных фильтрах [ресурс Интернета http://lm-inverter.ru/ru/produkciya-i-razrabotki/katalog/aktivnye-filtry/afsk].

Известен способ, реализованный в активном фильтре высших гармонических составляющих токов и устройстве коррекции коэффициента мощности [патент US №5977660, дата приоритета: 08.08.1997], в котором выполняют процедуру прогноза тока в следующий промежуток времени с целью уменьшения создаваемой нагрузкой разницы фаз между током и напряжением сети. Управляющая процедура выполняет интегрирование разницы между реальными токами в нагрузке и их требуемыми значениями в эквивалентные промежутки времени на различных циклах переменного тока основной частоты. Интегральные величины комбинируют с пропорционально регулируемыми разностными токами для снижения или полной компенсации гармонических токов. Процедура балансировки токов позволяет активному фильтру выравнивать токи в фазах нагрузки.

Недостатки данного способа заключаются в применении алгоритма широтно-импульсной модуляции (ШИМ) напряжения активного фильтра, усложняющего систему управления и необходимость использования отдельного звена постоянного тока активного фильтра.

Известен способ и устройство для адаптивного подавления гармоник тока в силовой линии [патент США №5726504, дата подачи заявки: 24.05.1996], содержащее датчик тока, шаблонную цепь, цепь сравнения и цепь коррекции тока. Датчиком тока измеряют амплитуду тока силовой линии на каждой половине периода основной гармоники. В шаблонной цепи формируют чистый синусоидальный ток основной частоты в качестве эталона. В цепи сравнения получают сигналы с датчика тока и шаблонной цепи и формируют сигнал разности этих двух сигналов. Полученный сигнал передают в цепь коррекции, которая несколько раз на полупериоде основной гармоники поглощает часть тока силовой линии, если этот ток превышает шаблонный, или формируют добавочный ток, если ток линии меньше шаблонного. Цепь коррекции тока содержит накопитель энергии, который заряжается при поглощении тока линии и разряжается при необходимости генерации тока в линию. Недостатком способа является отсутствие фазовых преобразований измеренного тока и напряжения компенсируемой сети. При этом не осуществляют компенсацию высших гармоник и коррекцию коэффициента мощности в условиях режима работы нелинейной нагрузки с динамическим изменением потребляемого искаженного тока, не выполняют симметрирование токов нагрузки.

Известен способ и устройство для компенсации появляющихся в сети искажений формы сетевого напряжения [патент Германия №19738125, дата подачи заявки: 01.09.1997] на основе активного фильтра, содержащее импульсный преобразователь тока в виде инвертора и индуктивно-емкостную связь колебательного контура. Способ заключается в формировании импульсов управления силовыми ключами инвертора на основе определения пространственных векторов искаженного напряжения сети. Недостатком способа является отсутствие фазовых преобразований и фазовой синхронизации измеренного тока и напряжения компенсируемой сети, что не позволяет осуществить компенсацию высших гармоник и коррекцию коэффициента мощности сети в условиях режима работы нелинейной нагрузки с динамичным изменением потребляемого искаженного тока. Инвертор согласно способу работает в режиме постоянной частоты широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Также не выполняют симметрирование токов нагрузки.

Известен способ формирования группы управляющих сигналов для полупроводникового преобразователя активного фильтра для компенсации гармонических и других колебаний и устройство для осуществления способа [патент Германия №10244056, дата подачи заявки: 10.09.2002]. В соответствии со способом измеряются токи или напряжения в сетевых проводах. Из измеренных сигналов удаляется, по меньшей мере, основная составляющая с частотой f0. Для выработки управляющего сигнала или сигналов используется преобразованная функция tr(t) на каждом измеренном сигнале. Недостатком способа является отсутствие фазовых преобразований и фазовой синхронизации измеренных напряжений и токов компенсируемой сети.

Известен способ управления активным фильтром в системе компенсации реактивной мощности [патент Япония №6087631, дата подачи заявки: 19.01.1988], который заключается в формировании импульсов управления силовыми ключами инвертора в составе активного фильтра на основе вычисления разности между полным током сети и суммой активной и реактивной составляющей тока сети. Реактивная мощность контролируется по вычисленной величине полного тока и напряжению сети. По среднему значению реактивной мощности и стандартному синусоидальному сигналу, синхронному с напряжением сети, вычисляется реактивный ток неизменяющейся составляющей тока нагрузки. По величине тока нагрузки и напряжению сети вычисляется активная мощность, которая используется вместе со стандартным синусоидальным сигналом для вычисления активной составляющей тока. Из полного тока вычисляется активная и реактивная составляющие и в соответствии с полученным значением формируются импульсы управления силовыми ключами инвертора активного фильтра. Недостатком способа является отсутствие фазовых преобразований измеренных напряжений и токов искаженной сети. Также не выполняют симметрирование токов нагрузки.

Известен способ компенсации высших гармоник и коррекции коэффициента мощности сети [патент РФ №2354025, дата подачи заявки: 4.05.2008], заключающийся в формировании импульсов управления силовыми ключами инвертора с использованием фазовой синхронизации напряжения и тока сети. Недостатком является отсутствие возможности компенсации реактивной мощности основной составляющей (первой гармоники). Способ эффективен при компенсации реактивной мощности, которую создают высшие гармоники.

Известен способ симметрирования и повышения коэффициента мощности электротяговой нагрузки [патент РФ №2396663 опубл. 10.08.2010], в котором с помощью дополнительного трансформатора понижают напряжение тяговой отстающей фазы а и формируют опорное напряжение, совпадающее с ней по фазе. С помощью фазосмещающего трансформатора понижают напряжение тяговой опережающей фазы с и формируют первое фазосдвигающее напряжение. С помощью второго фазосмещающего трансформатора понижают напряжение тяговой свободной фазы b и формируют второе фазосдвигающее напряжение.

За счет геометрического сложения опорного напряжения вторичной обмотки дополнительного трансформатора и первого фазосдвигающего напряжения вторичной обмотки первого трансформатора формируют вектор первого результирующего напряжения U1, подаваемого на выводы переменного напряжения первого автономного инвертора напряжения имеющий угол сдвига по фазе относительно напряжения тяговой отстающей фазы а, равный ψ1.

За счет геометрического сложения опорного напряжения вторичной обмотки дополнительного трансформатора и второго фазосдвигающего напряжения вторичной обмотки второго трансформатора формируют вектор второго результирующего напряжения U2, подаваемого на выводы переменного напряжения второго автономного инвертора напряжения, имеющий угол сдвига по фазе относительно напряжения тяговой отстающей фазы а, равный ψ2.

Коэффициент трансформации дополнительного трансформатора определяют необходимым уровнем опорного напряжения, совпадающего по фазе с тяговой отстающей фазы а, который, в свою очередь, выбирается исходя из минимальных затрат на преобразовательное, конденсаторное и трансформаторное оборудование.

Угол сдвига фаз между токами прямой и обратной последовательности каждого из трансформаторно-конденсаторных блоков определяется коэффициентом трансформации первого и второго фазосдвигающих трансформаторов.

Напряжение Е1, формируемое первым автономным инвертором, синхронизируют по фазе с первым результирующим напряжением U1, а напряжение Е2, формируемое вторым автономным инвертором, синхронизируют по фазе со вторым результирующим напряжением U2.

Изменяя моменты отпирания и запирания тиристоров автономных инверторов напряжения, независимо друг от друга изменяют напряжения на конденсаторных блоках и соответственно независимо изменяют напряжения Е1 и Е2, формируемые инверторами.

В зависимости от соотношения Е1 и U1, Е2 и U2 генерируют или потребляют реактивную мощность.

Достоинством является то, что изменения напряжений, токов и реактивных мощностей выполняются мгновенно, безынерционно и непрерывно.

Для обеспечения симметрирования и повышения коэффициента мощности электротяговой нагрузки обеспечивают формирование специальной системы токов прямой последовательности, компенсирующей в необходимой степени реактивную систему токов тяговой нагрузки, а также обеспечивает одновременное формирование специальной системы токов обратной последовательности, которая уравновешивает систему токов обратной последовательности тяговой нагрузки. Причем выполнение этих двух функций обеспечивается независимым регулированием только величины генерируемых токов и I1 и I2.

Для уменьшения гармонических составляющих в напряжениях Е1 и Е2 и в токах I1 и I2 инверторы напряжения с соответствующими блоками конденсаторов выполнены по трехточечной схеме исполнения.

Недостаток способа заключается в сложной системе управления, что скажется на надежности устройств, реализованных по указанной схеме.

Известен способ симметрирования напряжений и компенсации реактивной мощности в электроэнергетической трехфазной системе [А.С. №1651340, опубл. 23.05.1991 г., бюл. №19], в котором формируют в реальном времени реактивные сопротивления симметро-компенсирующего устройства, при условии, что его активные сопротивления равны нулю. Способ обеспечивает заданную компенсацию токов обратной последовательности и реактивной мощности несимметричной нагрузки.

Недостаток заключается в отсутствии плавного изменения параметров реактивных сопротивлений при управлении в режиме автоматического регулирования. Кроме того, данный способ не позволяет устранить высшие гармоники, создаваемые нелинейной несимметричной нагрузкой.

Рассмотренные аналоги выполняют лишь частичные совместные функции - фильтрацию высших гармоник и компенсацию реактивной мощности, симметрирование и компенсацию реактивной мощности, поэтому рассмотрим в качестве прототипа сборный способ.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого способа, следующие: измеряют в проводах мгновенные значения токов, выявляют в измеренных токах токи искажения от синусоидальной формы, по значениям которых формируют мгновенные токи, противоположные по значению токам искажения, подают их в провода, выявляют в измеренных токах несимметрию и реактивную составляющую токов нагрузки, по значениям которых формируют токи противоположные по значению и подают их в провода.

Предлагаемый по прототипу способ позволяет подавить токи гармоник в проводах нагрузки, уменьшить несимметрию токов и реактивную мощность нагрузки.

Однако, для случая тяговой нагрузки не определены места измерения токов, условия формирования компенсирующих токов при автоматическом управлении и места их подачи в сеть.

Изобретение направлено на решение задачи вначале подавления токов высших гармоник, затем одновременных компенсации реактивной мощности и симметрирования токов тяговой нагрузки.

Технический результат изобретения заключается в совместной частичной или полной компенсации реактивной мощности, симметрировании токов и подавлении токов высших гармоник тяговой нагрузки.

Технический результат достигается тем, что в способе совместной компенсации реактивной мощности, подавления токов высших гармоник и симметрирования токов тяговой нагрузки железной дороги, предварительно измеряют в проводах мгновенные значения токов, выявляют в измеренных токах токи искажения от синусоидальной формы, по значениям которых формируют мгновенные токи, противоположные по значению токам искажения, подают их в провода, выявляют в измеренных токах несимметрию и реактивную составляющую токов нагрузки, по значениям которых определяют токи противоположные по значению, по которым определяют величины реактивных сопротивлений, обеспечивающих симметрирование токов и компенсацию реактивной составляющей в них.

Далее в соответствие с формулой изобретения мгновенные значения токов i_a, i_b измеряют в проводах двух фаз контактной сети, присоединенных к обмоткам трехфазного трансформатора, соединенным в треугольник, подают после точек измерения токов сформированные токи, противоположные токам искажения, в рассечку проводов, включенных параллельно тем обмоткам трехфазного трансформатора, соединенным в треугольник, к которым подключены фазы контактной сети.

Затем измеряют токи в проводах фаз контактной сети в точках, после точек подачи токов подавляющих токи искажения, определяют комплексные значения фазных токов контактной сети , относительно измеренных линейных напряжений , , за текущее полпериода первой гармоники, определяют токи прямой и обратной последовательностей нагрузки по выражениям:

где: а=e^j120;

, - комплексные значения фазных токов контактной сети, А,

определяют значения реактивных сопротивлений X_ab, X_bc, X_ca, определяют комплексные значения трех добавочных токов , , по выражениям:

где: , , - комплексные значения линейных напряжений, В;

jX_ab, jX_bc, jX_ca - значения реактивных сопротивлений, Ом,

По значениям трех добавочных токов , , формируют синусоидальные мгновенные значения токов Δi_ab, Δi_bc, Δi_ca, которые подают в следующий период основной частоты в рассечку проводов, включенных параллельно соответственно трем обмоткам трехфазного трансформатора, соединенным в треугольник. При этом, реактивные сопротивления могут получиться как индуктивными, так и емкостными, что следует учесть в блоке формирования синусоидальных мгновенных значений токов Δi_ab, Δi_bc, Δi_ca.

Отличия от прототипа доказывают новизну технического решения, охарактеризованного в формуле изобретения.

Новый подход позволяет определить места измерения токов, условия формирования компенсирующих токов и места их подачи в сеть. После подачи компенсирующих токов параллельно тяговой нагрузке трехфазные токи тяговой нагрузки относительно питающей сети будут синусоидальными, симметричными и чисто активными, что подтверждает соответствие заявляемых технических решений условию патентоспособности «промышленная применимость».

Из уровня техники неизвестны отличительные существенные признаки заявляемого способа, охарактеризованного в формуле изобретения, что подтверждает их соответствие условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Изобретение поясняется чертежом, где:

на фиг. 1 представлена схема электроснабжения тяговой нагрузки железной дороги на переменном токе от трехфазной сети с измерением токов, их обработкой и формированием регулируемых источников тока;

на фиг. 2 представлена схема регулируемого источника тока;

на фиг. 3 представлена осциллограмма, поясняющая принцип работы способа;

на фиг. 4 представлена осциллограмма искажающих токов, удаляемых из фазных токов нагрузки;

на фиг. 5 представлена осциллограмма токов, компенсирующих несимметрию и реактивные токи в фазных токах нагрузки.

На фиг. 1 показаны обмотки трехфазного трансформатора 1, соединенные по схеме звезда-треугольник. К обмоткам, соединенным треугольником подключены фазные провода 2, 3, 4, между которыми включены тяговые нагрузки 5 и 6. Токи в фазных проводах измеряют трансформаторами тока 7, 8, 9 и 10. Напряжения измеряют трансформатором напряжения 11. От трансформаторов тока 7, 8 и напряжения 11 измерения подают в измерительный модуль 12, далее в расчетный модуль 13, далее в формирователи импульсов 14 и 15 и источники токов 16 и 17. От трансформаторов ток 9, 10 и напряжения 11 измерения подают в измеритель 18, далее в расчетный модуль 19, далее в формирователи импульсов 20, 21, 22 и источники токов 23, 24, 25.

На фиг. 2 показана схема регулируемого источника тока 16, компенсирующего токи искажения в фазе а. Сигнал от расчетного модуля 13 подают в формирователь импульсов 14. В формирователе импульсов 14 создаются управляющие сигналы, которые подают на биполярные транзисторы 26 источника тока 16. Транзисторы 26 мгновенно реагируют на управляющие сигналы и, используя энергию конденсаторной батареи 27 или реактора 28, создают компенсирующий ток в проводе. Другие источники тока 17, 23, 24, 25 выполняют аналогично.

На фиг. 3 показаны осциллограммы токов в фазных проводах, полученные на математической модели, где: на первом участке показаны токи в проводах 2, 4 фаз а, b, измеренные трансформаторами тока 7, 8 и ток в проводе 3 фазы с, полученный расчетным путем; на втором участке показаны токи в проводах 2, 4 фаз а, b, измеренные трансформаторами тока 9, 10 и ток в проводе 3 фазы с, полученный расчетным путем, на третьем участке показаны токи в проводах 2, 3, 4, после компенсации токов искажения, компенсации токов несимметрии и реактивных составляющих токов, полученные расчетным путем.

На фиг. 4 показаны осциллограммы токов, компенсирующих токи искажения в токах нагрузки, полученные на математической модели.

На фиг. 5 показаны осциллограммы токов, компенсирующих несимметрию и реактивные составляющие токов в фазных токах нагрузки.

Компенсация реактивной мощности тяговой нагрузки выполнена наполовину.

Для реализации способа измеряют токи в проводах 2 и 4, потребляемые тяговой нагрузкой 5 и 6, с помощью ТТ 7 и 8, и напряжение с помощью ТН 11. Измерение напряжения необходимо для определения углов сдвига токов относительно базовой величины. Подают измеренные значения токов и напряжений в измерительный модуль 12, где формируют цифровые значения измеренных величин, которые передают в расчетный модуль 13, где выделяют за текущий полпериода первую гармонику в токе каждой фазы и мгновенные величины токов, являющихся разностью измеренного тока и синусоидального тока первой гармоники, которые подают в формирователи импульсов 14 и 15. В формирователях импульсов 14, 15 создаются управляющие сигналы, которые подают на биполярные транзисторы 26 источников тока 16, 17. Транзисторы 26 мгновенно реагируют на управляющие сигналы и, используя энергию конденсаторных батарей 27 или реакторов 28, создают компенсирующие токи в проводах.

Далее измеряют токи , в проводах 2 и 4 с помощью ТТ 9 и 10, и линейные напряжения , , с помощью ТН 11.

Подают измеренные значения токов и напряжений в измерительный блок 18, где формируют цифровые значения измеренных величин, которые передают в расчетный модуль 19, где определяют значения токов прямой и обратной последовательностей нагрузки по выражениям:

Далее определяют значения реактивных сопротивлений X_ab, X_bc, Х_са [Висящев А.Н., Тигунцев С.Г. Методика выбора параметров симметро-компенсирующих устройств, - Техническая электродинамика, 1984, №5, с. 66-70] по выражениям:

где: U_1A - значение фазного напряжения прямой последовательности, В;

I_1A, I_1p - значения активной и реактивной составляющей тока прямой последовательности компенсирующего устройства. Обычно I_1A равно нулю, a I_1p определяют величиной необходимой компенсации реактивной мощности нагрузки, А;

I_2A, I_2p - значения активной и реактивной составляющей тока обратной последовательности компенсирующего устройства. Обычно составляющие тока определяют величиной тока обратной последовательности нагрузки, А.

Далее определяют комплексные значения трех добавочных токов , , по выражниям:

где: , , - комплексные значения линейных напряжений, В;

jX_ab, jX_bc, jX_ca - значения реактивных сопротивлений, Ом.

По значениям добавочных токов , , формируют синусоидальные мгновенные значения токов Δi_ab, Δi_bc, Δi_ca с помощью формирователей импульсов 20, 21, 22 и источников тока 23, 24, 25, которые подают в следующий период основной частоты в рассечку проводов, включенных параллельно соответственно трем обмоткам трехфазного трансформатора, соединенным в треугольник. При этом, реактивные сопротивления могут получиться как индуктивными, так и емкостными, что следует учесть в схеме регулируемых источников тока 23, 24, 25, включая ключами 29, 30 по необходимости конденсатор 27 или реактор 28 в зависимости от значений X_ab, X_bc, Х_са при формировании синусоидальных мгновенных значений токов Δi_ab, Δi_bc, Δi_ca. Учитывая особенности тяговой нагрузки - изменение мощности в фазах контактной сети в широком диапазоне случайным образом, следует предварительно определить предельные значения мощностей реактивных элементов источников тока 23, 24, 25.

Рекомендуется биполярные транзисторы источников тока 16 и 17 выполнять с более высокими частотными характеристиками, чем источников 23, 24, 25, что позволит подавлять высшие гармоники более высоких порядков.

Для схемы электроснабжения тяговой нагрузки железной дороги на переменном токе от трехфазной сети были проведены серии расчетов. Полученные результаты позволили определить расчетные компенсирующие токи и показали, что во всех режимах обеспечиваются синусоидальные, симметричные и чисто активные трехфазные токи тяговой нагрузки относительно питающей сети.

Предлагаемый способ симметрирования тяговой нагрузки позволяет отказаться от фазировки тяговых трансформаторов, т.е. подключать однотипно все тяговые трансформаторы к питающей сети.

В способе совместной компенсации реактивной мощности, подавления токов высших гармоник и симметрирования токов тяговой нагрузки железной дороги измеряют в проводах мгновенные значения токов, в проводах двух фаз контактной сети, присоединенных к обмоткам трехфазного трансформатора, соединенным в треугольник, подают после точек измерения токов сформированные токи, противоположные токам искажения, в рассечку проводов, включенных параллельно тем обмоткам трехфазного трансформатора, соединенным в треугольник, к которым подключены фазы контактной сети. Далее измеряют токи в проводах фаз контактной сети в точках, после точек подачи токов, подавляющих токи искажения, определяют комплексные значения трех добавочных токов относительно базового напряжения за текущее полпериода первой гармоники, по которым формируют синусоидальные мгновенные значения токов, которые подают в следующий период основной частоты в рассечку проводов, включенных параллельно соответственно трем обмоткам трехфазного трансформатора, соединенным в треугольник. Для схемы электроснабжения несимметричной несинусоидальной тяговой нагрузки железной дороги на переменном токе от трехфазной сети проведены серии расчетов. Получены величины расчетных мгновенных компенсирующих токов, создаваемых источниками тока с реактивными элементами, которые во всех режимах обеспечивают синусоидальные, симметричные и чисто активные трехфазные токи тяговой нагрузки относительно питающей сети. 5 ил.

Способ совместной компенсации реактивной мощности, подавления токов высших гармоник и симметрирования токов тяговой нагрузки железной дороги, в котором измеряют в проводах мгновенные значения токов, выявляют в измеренных токах токи искажения от синусоидальной формы, по значениям которых формируют мгновенные токи, противоположные по значению токам искажения, подают их в провода, выявляют в измеренных токах несимметрию и реактивную составляющую токов нагрузки, по значениям которых определяют токи противоположные по значению, по которым определяют величины реактивных сопротивлений, обеспечивающих симметрирование токов и компенсацию реактивной составляющей в них, отличающийся тем, что мгновенные значения токов i_a, i_b измеряют в проводах двух фаз контактной сети, присоединенных к обмоткам трехфазного трансформатора, соединенным в треугольник, подают после точек измерения токов сформированные токи, противоположные токам искажения, в рассечку проводов, включенных параллельно тем обмоткам трехфазного трансформатора, соединенным в треугольник, к которым подключены фазы контактной сети, измеряют токи в проводах фаз контактной сети в точках, после точек подачи токов, подавляющих токи искажения, определяют комплексные значения фазных токов контактной сети относительно измеренных линейных напряжений за текущее полпериода основной частоты, определяют токи прямой и обратной последовательностей нагрузки по выражениям

где

, - комплексные значения фазных токов контактной сети, А, определяют значения реактивных сопротивлений Х_ab, Х_bc, Х_сa, определяют комплексные значения трех добавочных токов , , по выражениям

где , , - комплексные значения линейных напряжений, В;

jX_ab, jX_bc jX_ca - значения реактивных сопротивлений, Ом, по которым формируют синусоидальные мгновенные значения токов Δi_ab, Δi_bc, Δi_ca, которые подают в следующий период основной частоты в рассечку проводов, включенных параллельно соответственно трем обмоткам трехфазного трансформатора, соединенным в треугольник.