Способ динамической компенсации искажения напряжения Российский патент 2019 года по МПК H02J3/00 

Заявляемое изобретение относится, в основном, к многофазным силовым системам и устройствам переменного тока, а именно к способам поддержания постоянного уровня переменного напряжения на нагрузке, путем динамической компенсации искажений напряжения питающей сети, с целью уменьшения либо устранения существенных для различных видов нагрузки просадок и скачков напряжения.

Известно, что на различные типы электрических устройств может влиять даже незначительные искажения напряжения. К таким устройствам относятся двигатели, приводы с регулируемой скоростью, высокоинтенсивное разрядное освещение и устройства управления, а также такие устройства, как компьютеры, контакторы и программируемые логические контроллеры.

Напряжения, возникающие при искажениях питающей сети, могут оказывать значительное влияние на производственное и иное оборудование. Одиночные фазные и межфазные напряжения могут быть совершенно разными при наличии искажения напряжения, чем могут вызвать сбои в работе оборудования, а также ускорить его износ и выход из строя.

Важно учитывать, что весь технологический процесс может зависеть от чувствительности того или иного оборудования к искажениям напряжения в питающей сети, а прерывание технологического процесса может привести к значительным финансовым и временным потерям.

Различают следующие устройства, защищающие промышленное электрооборудование от провалов напряжения: маховик, статический источник бесперебойного питания (ИБП), динамический компенсатор искажений напряжения, статический компенсатор (Статком), повышающий преобразователь, активный фильтр и бестрансформаторный последовательный усилитель.

Источники бесперебойного питания имеют номинальную мощность до 1000 кВА требуют контроля состояния аккумуляторных батарей, имеют особые требования к помещению их установки. Однако из-за их большой стоимости закупки и обслуживания ИБП устанавливаются только на основных структурных объектах, в местах, где повреждения вызванные проблемами с электропитанием могут причинить значительный урон.

Динамические компенсаторы искажений напряжения (ДКИН) предназначены для устранения перенапряжений, а также провалов напряжения и представляют собой более простое и дешевое устройство защиты потребителей, чем источники бесперебойного питания, благодаря чему получили широкое применение.

Одним из основных направлений в развитии подобных устройств является усовершенствование алгоритмов их работы с повышением точности и скорости выполнения расчетов, что позволит максимально быстро определять и выполнять регулирование искажений напряжения питающей сети.

Из патента на изобретение US 5469044 от 21.11.1995; МПК H02J 3/18 известен способ регулирования напряжения линии электропередач, согласно которому, устанавливают фазовый передающий угол, используемый в работе регулятора, выполняют изменение (увеличения и уменьшения) установленного угла во всем желаемом диапазоне управления. При этом, посредством шунтирующего трансформатора, выполняют переход к неподвижной системе координат с определением фиксированных квадратурных значений напряжения питающей сети. Генерируют напряжения регулирования, включающее сигнал переменного регулирующего напряжения на основной частоте переменного тока и заданный фазовый угол, относительно напряжения питающей сети, причем упомянутое переменное регулирующее напряжение имеет заданную амплитуду.

Выполняют векторное суммирование сигналов регулируемого переменного напряжения и переменного корректирующего напряжения для генерирования объединенного сигнала напряжения добавки, последовательно с напряжением питающей сети.

Согласно описанному способу, контролер потока мощности включает в себя: шунтирующий трансформатор, установленный на входе линии питающей сети инвертор, генерирующий управляемое напряжение с управляемым фазовым углом относительно напряжения питающей сети.

Средство формирования напряжения регулирования, генерирующее напряжение регулирования при заданном фазовом угле относительно питающего напряжения, на заданной основной частоте, а также средства связи, с векторным суммированием управляемого напряжения, генерируемого переключающим преобразователем мощности, и напряжения регулирования для генерации комбинированного напряжения, добавляемого последовательно с напряжением линии питающей сети.

К недостаткам указанного способа можно отнести использование шунтирующего трансформатора, что усложняет конструкцию устройства и может привести к снижению скорости регулирования, а также привязку к основной частоте, что может привести к нестабильной работе системы при наличии отклонений в таком показателе.

Так же из патента на изобретение US 5883796 от 16.03.1999, МПК H02J 3/18, известен способ динамической компенсации искажения подаваемого на нагрузку многофазной линии электропередач, согласно которому, устройство компенсации напряжения включают в сеть между источником питания и нагрузкой, определяют разность между напряжением на нагрузке и заданным значением напряжения, формируют посредством инвертора сигнал добавки напряжения, позволяющий обеспечить напряжение на нагрузке на уровне заданного. Согласно описанному способу, сигнал напряжения, подаваемый на нагрузку в многофазных линиях электропередач, определяется значениями векторов сбалансированного напряжения на нагрузке, имеющими величины, равные величинам векторов напряжения до момента искажения напряжения питающей сети, при этом значения фазного угла векторов напряжения нагрузки приводят к значениям напряжения на грузке до момента искажения напряжения.

К недостаткам описанного способа можно отнести то, что при компенсации искажения напряжения, выполняют привязку к значениям фазного угла на нагрузке до момента искажения напряжения, что может привести снижению скорости и точности регулирования, а также требует установки дополнительного шунтирующего трансформатора с выполнением перехода к вращающейся системе координат dq.

Технической задачей на решений которой, направлено заявляемое изобретение, является реализация способа динамической компенсации искажения напряжения с увеличенной скоростью и точностью формирования корректирующих сигналов, а также с возможностью выполнения регулирования во внутреннем контуре устройства компенсации искажения напряжений, при существенных искажениях напряжения питающей сети.

Технический результат, достигнутый от реализации заявляемого изобретения, заключатся в увеличении скорости и точности формирования сигналов регулирования с целью выполнения динамической компенсации искажения напряжения на нагрузке.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что при компенсации искажения напряжения, подаваемого на нагрузку:

- определяют мгновенные значения основных составляющих линейных напряжений источника питания и нагрузки;

- выполняют привязку одного из линейных напряжений нагрузки к одноименному линейному напряжению источника питания, посредством значения его фазного угла;

- формируют сигналы рассогласования между значениями фазных углов источника питания и нагрузки;

- после чего, исходя из полученных сигналов, а также сигналов рассогласования амплитудных значений линейного напряжения нагрузки и заданного значения напряжения, формируют задание для регулирования, которое реализуют посредством линейной широтно-импульсной модуляции;

- формируют сигнал напряжения рассогласования, под управлением которого, приводят величины углов между линейными напряжениями к значениям, близким к 120°, устраняя рассогласование между значениями фазных углов источника питания и нагрузки;

- при существенных искажениях питающего напряжения, также осуществляют регулирование напряжения во внутреннем контуре устройства компенсации напряжения, посредством ограничения тока инвертора;

- Сущность заявляемого изобретения поясняется, но не ограничивается следующими изображениями:

фиг. 1 - схема устройства динамической компенсации искажения напряжения;

фиг. 2 - блок схема алгоритма согласно способу динамической компенсации искажения напряжения.

Заявляемый способ может быть реализован на базе устройства динамической компенсации искажения напряжения, которое содержит вольтодобавочный трансформатор 1 (фиг. 1), включенный в сеть между источником питания 2 и нагрузкой 3. Подключенный к указанному трансформатору, источник напряжения вольтодобавки, представленный в виде, по меньшей мере, одного управляемого инвертора 4, соединенного, в свою очередь, с регулируемым звеном постоянного тока, включающим активный выпрямитель 5 с зарядным устройством б. Также упомянутое устройство может содержать звено 7 накопления и передачи энергии.

Описанный в изобретении способ условно можно разделить на функциональные блоки определения сигналов и выполнения расчетов. На первом этапе в блоках 8, 9 (фиг. 2), исходя из измеренных линейных напряжений питающей сети Uabc_ст и нагрузки Uabc_нг, определяют мгновенные значения основных составляющих линейных напряжении источника питания U1_ст и нагрузки U1_нг. Затем, на втором этапе, в блоке 10, реализуют привязку одного из линейных напряжений нагрузки к одноименному линейному напряжению источника питания, посредством мгновенного значения его фазного угла θab_1ст, и формируют сигналы рассогласования Δθab₁ между мгновенными значениями фазных углов источника питания θab_1ст и нагрузки θab_1нг. На следующем этапе в функциональном блоке 11, исходя из полученных сигналов, а также сигналов рассогласования ΔUm амплитудных значений линейного напряжения нагрузки Um_нг и заданного амплитудного значения напряжения Um, формируют задание для регулирования U_{зад.шим}, которое реализуют в блоке 12, посредством линейной широтно-импульсной модуляции, с обеспечением сигналов, устраняющих рассогласование между значениями фазных углов источника питания и нагрузки. При этом, задание на регулирование, формируют общее для всех фаз, а регулирование реализуют отдельно по каждой фазе с формированием задания для каждого линейного напряжения, причем задания между собой линейно зависимы. Как результат, приводят величины углов между линейными напряжениями к значениям, близким к 120°, устраняя рассогласование между значениями фазных углов источника питания и нагрузки. Также, в рамках описанного способа предусмотрен этап, реализуемый в блоке 13, согласно которому, при существенных искажениях питающего напряжения, осуществляют регулирование напряжения во внутреннем контуре устройства компенсации напряжения, посредством ограничения тока инвертора I_lim.инв., до заданного значения, что позволяет устранить нежелательные пульсации тока, которые возникают во внутреннем контуре при просадках напряжения более 30%.

Реализация заявляемого способа, способствует достижению указанного технического результат, обеспечивая увеличение скорости и точности формирования сигналов регулирования за счет привязки к мгновенным значениям основных составляющих напряжения питающей сети и реализации сформированного задания, посредством линейной ШИМ, позволяющей формировать линейные напряжения с высокой точностью.

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 реализации, эквиваленты и альтернативы, в рамках существенных признаков раскрытых в формуле изобретения.

Использование: в области электротехники. Технический результат - увеличение скорости и точности формирования сигналов регулирования с целью выполнения динамической компенсации искажения напряжения на нагрузке. Согласно способу при осуществлении компенсации искажений напряжения определяют мгновенные значения основных составляющих линейных напряжений источника питания и нагрузки. Выполняют привязку одного из линейных напряжений нагрузки к одноименному линейному напряжению источника питания посредством значения его фазного угла. Затем формируют сигналы рассогласования между значениями фазных углов источника питания и нагрузки, после чего исходя из полученных сигналов, а также сигналов рассогласования амплитудных значений линейного напряжения нагрузки и заданного амплитудного значения напряжения формируют задание для регулирования, которое реализуют посредством линейной широтно-импульсной модуляции, формируя сигнал напряжения рассогласования, под управлением которого приводят величины углов между линейными напряжениями к значениям, близким к 120°, устраняя рассогласование между значениями фазных углов источника питания и нагрузки. При искажениях питающего напряжения более 30% осуществляют регулирование напряжения во внутреннем контуре устройства компенсации напряжения посредством ограничения тока инвертора. 2 ил.

Способ компенсации искажения напряжения, подаваемого на нагрузку, согласно которому устройство компенсации напряжения включают в сеть между источником питания и нагрузкой, определяют разность между параметрами напряжения на нагрузке и заданными значениями напряжения, формируют посредством инвертора сигнал добавки напряжения, позволяющий обеспечить напряжение на нагрузке на уровне заданного, отличающийся тем, что определяют мгновенные значения основных составляющих линейных напряжений источника питания и нагрузки, выполняют привязку одного из линейных напряжений нагрузки к одноименному линейному напряжению источника питания посредством значения его фазного угла, затем формируют сигналы рассогласования между значениями фазных углов источника питания и нагрузки, после чего исходя из полученных сигналов, а также сигналов рассогласования амплитудных значений линейного напряжения нагрузки и заданного амплитудного значения напряжения формируют задание для регулирования, которое реализуют посредством линейной широтно-импульсной модуляции, формируя сигнал напряжения рассогласования, под управлением которого приводят величины углов между линейными напряжениями к значениям, близким к 120°, устраняя рассогласование между значениями фазных углов источника питания и нагрузки, при искажениях питающего напряжения более 30% осуществляют регулирование напряжения во внутреннем контуре устройства компенсации напряжения посредством ограничения тока инвертора.