Способ компенсации высших гармоник и повышения качества потребляемой электроэнергии Российский патент 2018 года по МПК H02J3/01 

Изобретение относится к электроэнергетике и электротехнике, и может быть использовано для повышения качества электрической энергии в энергетических или автономных системах электроснабжения, в частности к способам подавления и компенсации высших гармоник в электрических сетях и коррекции коэффициента мощности. Способ может быть использован в системах электроснабжения промышленных предприятий с большим количеством нелинейной нагрузки, генерирующей высшие гармоники сети, для приведения в соответствие с требованиями нормативной документации величины коэффициента искажения синусоидальности и коэффициента n-й гармонической составляющей кривой тока.

Из патента Германии на изобретение № DE19738125(C2) от 25.01.2001, МПК G05F1/70; H02J3/18, патентообладатель - Сименс АГ, известен способ и устройство для компенсации возникновения искажений напряжения в линии электропередачи, 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).

Из патента РФ на изобретение № 2413350 от 27.02.2011, МПК H02J3/18, патентообладателем которого является «Санкт-Петербургский государственный горный институт имени Г.В. Плеханова», известен способ, который заключается в формировании импульсов управления силовыми ключами инвертора с использованием фазовой синхронизации напряжения и тока сети, обработке сигналов от датчиков напряжения фазовым преобразователем до фазовой синхронизации напряжения и тока, при этом выходные сигналы от датчика тока сети поступают на вход первого дополнительного фазового преобразователя, выходные сигналы которого вместе с выходными сигналами блока фазовой синхронизации поступают на вход второго дополнительного фазового преобразователя, выходные сигналы от которого вместе с выходным сигналом регулятора напряжения накопительного конденсатора и выходными сигналами блока фазовой синхронизации поступают на вход блока формирования напряжений, выходные сигналы от которого поступают на вход фазового преобразователя, выходные сигналы которого вместе с выходным сигналом регулятора напряжения накопительного конденсатора поступают на вход блока релейных регуляторов. В описанном способе, релейные регуляторы работают по принципу изменения ширины и частоты гистерезиса.

К недостаткам данного способа можно отнести то, что для релейных регуляторов с изменяемой шириной гистерезис, характерными являются ограничения частоты переключения и смещение точки переключений системы из расчетных положений, отходя от прогнозируемых оптимальных значений. Что требует введения дополнительных блоков вычисления с целью устранения данных отклонений.

Также из уровня техники известен способ повышения качества энергии с помощью активного фильтра, патент № EP2556575B1 от 18.03.2015, МПК H02J3/01 патентообладателем которого является компания Данфосс. Согласно указанному изобретению, раскрыт способ компенсации высших гармоник и повышения качества потребляемой электроэнергии, состоящий в том, что определяют первую и высшие гармоники питающей сети, выполняют расчет сигналов напряжений регулирования, формируют импульсы управления силовыми ключами инвертора активного фильтра с применением широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Сущность изобретения заключается в работе активного фильтра, состоящего из инвертора, включающего в себя ряд управляемых переключателей, указанный инвертор соединен с LCL-фильтром, являющимся частью указанного активного фильтра, а также в генерировании сигналов ШИМ для каждого из указанных управляемых переключателей, в соответствии с определенными высшими гармониками токов, которые должны подавляться в электросети, при этом частота модуляции, по крайней мере, одного сигнала управления ШИМ, изменяется непрерывно, согласно значению, по меньшей мере, одного измеренного электрического параметра. В соответствии с рассматриваемым способом, подлежат измерению ток, протекающий через LCL-фильтр, ток на выходе активного фильтра и ток сети электропитания, полученные в результате измерений данные, используются для управления инвертором ШИМ активного фильтра. Согласно рассматриваемому способу достигаются минимальные потери энергии за счет подавления саморезонанса LCL-фильтра без использования гасящего сопротивления и путем применения переменной частоты переключения в ШИМ инверторе, который функционально подключается к LCL-фильтру.

К недостаткам описанного способа можно отнести использование дополнительных измерителей тока, а также использование переменной частоты переключения силовых ключей инвертора, что может приводить к отклонениям по воздействию из-за ограничения частоты переключения.

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является улучшение качества потребляемой электроэнергии, снижение искажений синусоидальной формы кривых тока и напряжения сети при наличии нелинейной нагрузки электроустановок промышленных предприятий и распределительных сетей напряжением 0,4 кВ, частотой 50/60 Гц.

Технический результат, достигнутый от реализации заявленного изобретения, заключается в достижении минимальных показателей искажения тока, оперативном реагировании на изменения гармонического состава тока, обеспечении наиболее эффективного помехоподавления в необходимом диапазоне частот, увеличении скорости и точности процесса расчета определения мгновенных значений канонических гармоник входного тока.

Сущность заявленного изобретения заключается в том, что измеренные в точке подключения активного фильтра и преобразованные в двухкоординатную систему α/β, сигналы фазного напряжения U_c пропускают через фильтр, настроенный на первую гармонику напряжения питающей сети, в тоже время, исходя из измеренных и преобразованных в двухкоординатную систему α/β сигналов фазных токов Ic сети и токов Iaf инвертора активного фильтра, формируют сигналы токов нагрузки Iн, а также сигналы токов нагрузки Iн1 по первой гармонике напряжения питающей сети, которые фильтруют с применением каскада резонансных фильтров и формируют сигналы токов высших гармоник. Основываясь на полученных и преобразованных во вращающуюся систему координат d/q сигналах токов первой и высших гармоник, реализуют расчет сигналов ошибки и вывод сигналов напряжений регулирования Udq1…Udqn, Udc_control, по каждой гармонике. Суммируют сигналы напряжений регулирования, формируют управляющий сигнал напряжения Udq_Control исходя из которого формируют сигнал задания ШИМ путем выполнения расчета времен включения силовых ключей инвертора. При этом, исходя из сигналов фазного напряжения U_c, также определяют частоты питающей сети, выполняют фазовую синхронизацию и на этапе формирования сигналов токов высших гармоник, выполняют автоматическую настройку каскада фильтров высших гармоник относительно первой гармоники сети. Формирование сигналов токов высших гармоник выполняют цикличным способом, при этом вычисления на k-итерации выполняют с учетом суммы вычисленных гармоник на (k-1) итерации.

Сущность заявляемого изобретения поясняется, но не ограничивается следующими изображениями:

фиг. 1 – Структурная схема устройства компенсации высших гармоник;

фиг. 2 – Структурная схема обработки сигналов в системе управления;

фіг.3 – Осциллограмма формы тока сети от роботы нагрузки без реализации способа компенсации высших гармоник;

фіг.4 – Спектральный состав тока сети от работы нагрузки без реализации способа компенсации высших гармоник;

фіг.5 – Осциллограмма формы тока сети от работы нагрузки при реализации способа компенсации высших гармоник;

фіг.6 – Спектральный состав тока сети от роботы нагрузки, при реализации способа компенсации высших гармоник.

Исходя из вышеизложенного следует отметить, что заявляемый способ предусматривает различные варианты и альтернативные формы реализации. Конкретный вариант осуществления показан посредством схем на чертежах и в описании изобретения. Однако, изобретение не ограничивается конкретной раскрытой формой и может охватывать все возможные варианты исполнения, эквиваленты и альтернативы, в рамках существенных признаков раскрытых в формуле изобретения.

Заявляемый способ может быть реализован на базе устройства, такого как активный фильтр, включенного в сеть питания параллельно нагрузке 1 (фиг.1), характеризующегося наличием инвертора 2, батареи накопительных элементов 3, выходного пассивного Т-образного сглаживающего фильтра 4, системы управления 5 и набора измерительных элементов: измерителя напряжения 6, датчика сетевого тока 7, датчика тока инвертора активного фильтра 8.

Способ компенсации высших гармоник и повышения качества потребляемой электроэнергии, заключается в алгоритме работы активного фильтра, реализованного в системе управления.

Условно можно выделить три функциональных блока алгоритма работы активного фильтра, включающих в себя ряд внутренних блоков, отображенных на структурной схеме обработки сигналов в системе управления.

Первый функциональный блок 9 (фиг.2) определения частоты питающей сети по сигналам напряжений включает в себя блок 10, выполненный в виде фильтра, настроенного на первую гармонику напряжения питающей сети; блок 11, предназначен для вычисления угла θ поворота вектора напряжения питающей сети относительно неподвижной системы координат α/β (осуществление фазовой синхронизации) и амплитудного значения напряжения питающей сети Um.

Второй функциональный блок 12, резонансных фильтров токов нагрузки, настроенных на гармоники, которые вносят существенное влияние на искажение синусоидальности формы тока и напряжения включает в себя: блок 13, выполненный в виде фильтра, настроенного на первую гармонику частоты питающей сети и блок 14 представленный в виде фильтра, настроенного на первую гармонику частоты инвертора активного фильтра; блок суммирования «∑1» 15, формирует разностный сигнал по текущим значениям токов сети и активного фильтра (ток нагрузки Iн); блок суммирования «∑2» 16, формирует ток нагрузки Iн1 по первой гармонике напряжения питающей сети; блок 17, выполняет фильтрацию группы высших гармоник, которые вносят основной вклад в искажение формы тока и напряжения при работе нелинейной нагрузки; блок преобразования «α/β→d/q» 18, выполняет преобразование из двухкоординатной, неподвижной системы координат α/β во вращающуюся систему координат d/q (преобразование Парка).

Третий функциональный блок 19, формирования управляющих импульсов в d/q системе координат для силовых ключей с применением ШИМ, включает в себя: блок 20, в котором реализован расчет задания для ПИ-регуляторов 21 (пропорционально-интегральных регуляторов), расчет сигналов ошибки и вывод сигналов напряжений регулирования Udq1…Udqn, Udc_control, по каждой гармонике; блок суммирования «∑₄» 22, суммирует сигналы напряжений Udq1…Udqn регулирования по гармоникам и напряжения регулирования Udc_control на батарее накопительных элементов. На выходе формирует управляющий сигнал напряжения U_{dq_Control}; блок 23 формирования задания ШИМ, выполняет расчет времен включения силовых ключей Ta,b,c, формирование сигналов, которые поступают на драйвер управления силовыми ключами инвертора.

Описание алгоритма работы активного фильтра.

Измеренные в точке подключения 6 активного фильтра и преобразованные в двухкоординатную систему α/β, сигналы фазного напряжения U_c пропускают через фильтр 10, настроенный на первую гармонику напряжения питающей сети. После прохождения фильтра сигнал поступает на блок 11, где определяют частоты питающей сети, выполняют фазовую синхронизацию и на этапе формирования сигналов токов высших гармоник, выполняют автоматическую настройку каскада фильтров высших гармоник относительно первой гармоники сети.

Одновременно, исходя из измеренных и преобразованных в двухкоординатную α/β систему сигналов фазных токов Ic сети и токов Iaf инвертора 2 активного фильтра, выделяют две ветви формирования сигналов. В первой из указанных ветвей, в блоке суммирования «∑1» 15, формируют разностный сигнал по текущим значениям токов сети и активного фильтра (ток нагрузки Iн), во второй ветви, в блоке суммирования «∑2» 16, формируют ток нагрузки Iн1 по первой гармонике напряжения питающей сети, то есть, после пропускания сигналов через фильтры блоков 10, 13, 14.

Сформированные в блоках суммирования 15,16 сигналы токов нагрузки Iн, Iн1 поступают на вход блока 17, где формируют сигналы токов высших гармоник, которые вносят основной вклад в искажение формы тока и напряжения при работе нелинейной нагрузки. Сформированные в двухкоординатной системе координат α/β сигналы токов первой и высших гармоник I1…In, поступают в блок преобразования «α/β→d/q» 18, где выполняют преобразование из двухкоординатной неподвижной системы координат α/β во вращающуюся систему координат d/q (преобразование Парка).

Основываясь на полученных и преобразованных во вращающуюся систему координат d/q сигналах токов первой и высших гармоник Idq1…Idqn, в блоке 20 реализуют расчет сигналов ошибки для ПИ-регуляторов 21, который определяет величину недостающего сигнала напряжения для компенсации гармоник и вывод сигналов напряжения регулирования Udq1…Udqn по каждой гармонике.

В это же время сигнал напряжения на батарее накопительных элементов Udc подается на блок 24, выполненный в виде фильтра нижних частот для фильтрации сигнала напряжения батареи накопительных элементов 3. После фильтрации Udc, формируют сигнал Udc_sm, который подают на сумматор «∑3» 25, где формируют сигнал ошибки Udc_err по отношению к «заданию Udc», для ПИ-регулятора напряжения 26. На выходе ПИ-регулятора формируют сигнал напряжения регулирования Udc_control.

Полученные в результате, выполненных действий значения сигналов напряжений регулирования по гармоникам и напряжения регулирования на батарее накопительных элементов, Udq1…Udqn, Udc_control, поступают на блок суммирования «∑4» 22, где выполняют суммирование сигналов напряжений регулирования, формируют управляющий сигнал напряжения Udq_Control исходя из которого в блоке 23, формируют сигнал задания ШИМ путем выполнения расчета времен включения силовых ключей инвертора.

В основе системы управления 5 лежит алгоритм формирования сигналов токов высших гармоник, который реализован в блоке 17 и выполняется посредством использования каскада резонансных фильтров, которые настраивают на первую и высшие гармоники. Формирование сигналов токов высших гармоник выполняют цикличным способом, при этом вычисления на k-итерации выполняют с учетом суммы вычисленных гармоник на (k-1) итерации.

Где k-номер итерации (шаг цикла) (1,2..n).

Реализация описанного способа, обеспечивает достижение заявленного технического результата, позволяя минимизировать показатели искажения тока. Способствует оперативному реагировании на изменения состава гармоник тока, а также обеспечению наиболее эффективного помехоподавления в заданном диапазоне частот, с увеличенной скоростью и точностью процесса расчета.

Аппаратная реализация заявляемого изобретения выполнена с помощью существующих силовых электротехнических, электронных и микропроцессорных устройств: СУ Триол серии АК06 с АФКУ. Как пример, на фиг. 3-6 приведены осциллограммы работы устройства с реализованным способом компенсации высших гармоник. На фиг. 3 и 4 отображены форма и спектральный состав тока сети от работы нагрузки 1 (фиг.1) с явными искажениями синусоиды тока и наличием 5, 7, 11, 13 высших гармоник. При включении параллельно нагрузке устройства с реализованным способом компенсации высших гармоник, форма кривой тока (фиг. 5), приобретает форму синусоиду, а спектральный состав тока сети (фиг. 6) свидетельствует о значительном снижении уровня высших гармоник.

Использование: в области электроэнергетики и электротехники. Технический результат - достижение минимальных показателей искажения тока и оперативное реагирование на изменения гармонического состава тока. Согласно способу измеренные в точке подключения активного фильтра сигналы фазного напряжения U_c пропускают через фильтр, настроенный на первую гармонику напряжения питающей сети, в то же время, исходя из измеренных сигналов фазных токов Ic сети и токов Iaf инвертора активного фильтра, формируют сигналы токов нагрузки Iн, а также сигналы токов нагрузки Iн1 по первой гармонике напряжения питающей сети, которые фильтруют с применением каскада резонансных фильтров и формируют сигналы токов высших гармоник. Реализуют расчет сигналов ошибки и вывод сигналов напряжений регулирования Udq1…Udqn, Udc_control по каждой гармонике. Суммируют сигналы напряжений регулирования, формируют управляющий сигнал напряжения U_{dq_Control}, исходя из которого формируют сигнал задания ШИМ путем выполнения расчета времен включения силовых ключей инвертора. При этом, исходя из сигналов фазного напряжения U_c, также определяют частоты питающей сети, выполняют фазовую синхронизацию и на этапе формирования сигналов токов высших гармоник, выполняют автоматическую настройку каскада фильтров высших гармоник относительно первой гармоники сети. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ компенсации высших гармоник и повышения качества потребляемой электроэнергии, заключающийся в алгоритме работы устройства компенсации высших гармоник, состоящем в том, что определяют первую и высшие гармоники питающей сети, выполняют расчет сигналов напряжений регулирования, формируют импульсы управления силовыми ключами инвертора активного фильтра с применением широтно-импульсной модуляции (ШИМ), отличающийся тем, что измеренные в точке подключения активного фильтра и преобразованные в двухкоординатную систему α/β сигналы фазного напряжения U_c пропускают через фильтр, настроенный на первую гармонику напряжения питающей сети, в то же время исходя из измеренных и преобразованных в двухкоординатную систему α/β сигналов фазных токов Ic сети и токов Iaf инвертора активного фильтра, формируют сигналы токов нагрузки Iн, а также сигналы токов нагрузки Iн1 по первой гармонике напряжения питающей сети, которые фильтруют с применением каскада резонансных фильтров и формируют сигналы токов высших гармоник, основываясь на полученных и преобразованных во вращающуюся систему координат d/q сигналах токов первой и высших гармоник, реализуют расчет сигналов ошибки и вывод сигналов напряжений регулирования Udq1…Udqn, Udc_control, по каждой гармонике, суммируют сигналы напряжений регулирования, формируют управляющий сигнал напряжения U_{dq_Control}, исходя из которого формируют сигнал задания ШИМ путем выполнения расчета времен включения силовых ключей, при этом исходя из сигналов фазного напряжения U_c, также определяют частоты питающей сети, выполняют фазовую синхронизацию и на этапе формирования сигналов токов высших гармоник выполняют автоматическую настройку каскада фильтров высших гармоник относительно первой гармоники сети.

2. Способ компенсации высших гармоник и повышения качества потребляемой электроэнергии по п.1, отличающийся тем, что формирование сигналов токов высших гармоник выполняют цикличным способом, при этом вычисления на k-итерации выполняют с учетом суммы вычисленных гармоник на (k-1) итерации.