Активный фильтр гармоник с автоматической подстройкой под периодическую переменную нагрузку Российский патент 2021 года по МПК H02J3/01 H02J3/18 

Изобретение относится к электротехнике и электроэнергетике и может быть использовано в системах электроснабжения промышленных предприятий или в судовой (буровой) электростанции в качестве устройства компенсации гармонических искажений токов трехфазной сети как высшими гармониками, так и интергармониками.

Известно устройство компенсации искажений тока, содержащее силовую часть и систему контроля и управления, при этом в силовую часть входит преобразователь постоянного тока в переменный, выполненный на основе IGBT-инвертора, с накопителем энергии в виде конденсатора, включенного на стороне постоянного тока преобразователя, и интегрирующий фильтр, связанный с выводами переменного тока упомянутого преобразователя и включенный через блок защиты в сеть, а система контроля и управления содержит первый и второй датчики тока, блок ШИМ, в котором имеется широтно-импульсный модулятор (ШИМ), датчик напряжения, первый, второй и третий блоки аналого-цифрового преобразования (блоки АЦП), блок цифровой обработки, блок цифроаналогового преобразования (блок ЦАП). (Богачев B.C., Устройство компенсации искажений тока и реактивной мощности. Патент РФ №2393609, МПК H02J 3/18, опубл. 27.06.2010).

Данное устройство имеет низкое быстродействие и невысокую точность компенсации гармонических компенсаций из-за запаздывания, вызванного потерей времени при обработки сложного алгоритма работы, выработки ШИМ-модуляции управляемого инвертора. Также представленное устройство компенсации искажений тока и реактивной мощности не компенсирует провалы напряжения, которые могут возникать при пуске мощных приборов.

Известен трехфазный активный силовой фильтр, состоящий из трехфазного мостового инвертора напряжения на полностью управляемых полупроводниковых ключевых элементах со встречно-параллельными диодами, соединенного выходами с сетью последовательно через датчик тока фильтра и фазные реакторы, полумостового инвертора на полностью управляемых полупроводниковых ключевых элементах со встречно-параллельными диодами, параллельно соединенного с трехфазным мостовым инвертором на стороне постоянного тока и выходом подключенного к нулевой линии сети, емкостного накопителя на стороне постоянного тока, датчика тока нагрузки, соединенного входами с сетью, а выходами с нелинейной нагрузкой, системы управления, реализованной на микропроцессоре, входы которой подключены к выходу датчика тока нагрузки и выходу датчика тока фильтра, а выходы - к управляющим выводам полупроводниковых ключевых элементов, отличающийся тем, что он снабжен блоком оперативной памяти, вход и выход которого подключены к системе управления (Токарев В.Г., Брованов С.В., Колесников В.А., Метальников Д.Г. Трехфазный активный силовой фильтр. Патент РФ № 175607, H02J 3/26, опубл. 12.12.2017). Недостатком данного трехфазного активного силового фильтра является невысокое быстродействие, значительный суммарный коэффициент гармонических составляющих формируемого тока в сети.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство подавления высших гармоник и коррекции коэффициента мощности сети, содержащее инвертор, накопительный конденсатор, выходной сглаживающий пассивный фильтр и контроллер системы управления, при этом сетевой дроссель входом подключен к выходным цепям выходного пассивного фильтра, а выходом - к сети питающего напряжения, фильтр выделения первой гармонической составляющей напряжения питающей сети входами подключен к выходам датчика напряжения сети, первая гармоническая составляющая выходного напряжения инвертора, выделенная пассивным фильтром, посредством датчика выходного напряжения инвертора передается на вход формирователя импульсов управления транзисторами инвертора. Дополнительно к сети подключается датчик тока нелинейной нагрузки, выход которого соединен с входом фильтра выделения первой гармонической составляющей напряжения питающей сети, выход которого соединен с блоком выбора режима работы устройства, выход которого подключен к входу формирователя импульсов и входу блока регулирования индуктивности сетевого дросселя, выход которого соединен с сетевым дросселем (Абрамович Б.Н., Сычев Ю.А., Зимин Р.Ю. Устройство компенсации искажений тока и реактивной мощности. Патент РФ №198721, МПК H02J 3/01, опубл. 23.07.2020). Недостатком устройства является применение большого числа фазовых преобразований, что значительно усложняет схему и ведет к недостаточному быстродействию в условиях резкопеременной нелинейной нагрузки.

Цель изобретения - увеличение быстродействия системы управления активным фильтром за счёт заранее рассчитанного алгоритма работы при периодической переменной нагрузке. Вычислительная сложность системы управления предложенного изобретения равна вычислительной сложности классических методов только на первоначальном этапе подстройки, который занимает не более чем 10 секунд.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, работающего по возмущению, заключается в точности работы активного фильтра при меньшей вычислительной сложности, чем в классических активных фильтрах, работающих по отклонению тока от референтного синусоидального.

Техническая задача решается предлагаемым активным фильтром гармоник с автоматической подстройкой под периодическую переменную нагрузку, содержащий последовательно подключенный пассивный фильтр для первоначального отсеивания шумов и высокочастотных составляющих, параллельно подключенный с нагрузкой трехфазный неуправляемый мостовой выпрямитель, конденсатор для накопления электрической энергии и сглаживания выпрямленного напряжения и подключенного к сети через LC-фильтр трехфазного автономного мостового инвертора на базе IGBT-транзисторов со встречно-параллельными диодами и системой управления, вырабатывающей импульсы на основании разницы реального тока, полученной через трансформатор тока, и выделенной из него первой гармоники, разложенная в ряд Фурье с выделение интергармонических составляющих тока и переданная путем ШИМ-модуляции на трехфазный автономный мостовой инвертор как сумма нескольких синусоид с интергармонической частотой, что обеспечит более высокое быстродействие и увеличит качество подавление помех, возникающих при периодической переменной нагрузке.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема активного фильтра гармоник с автоматической подстройкой под периодическую переменную нагрузку.

На фиг. 2 изображен алгоритм работы активного фильтра гармоник с автоматической подстройкой под периодическую переменную нагрузку.

Активный фильтр гармоник с автоматической подстройкой под периодическую переменную нагрузку подключается между источником трёхфазного напряжения 1 и периодической нелинейной нагрузкой 2 и состоит из мостового автономного инвертора напряжения 3, набранного из IGBT-транзисторов с обратно подключенными диодами, накопительного конденсатора 4, выходного пассивного Т-образного LC-фильтра 5, датчиков тока нагрузки 6-8, датчиков тока активного фильтра 9-11, системы управления 12, мостового неуправляемого выпрямителя 13, сглаживающего фильтра 14, дроссель для сглаживания выпрямленного тока 15, контактов 16 для коммутации выпрямителя с инверторов, контактов 17 для коммутации выпрямителя 13 с сетью, пассивного Г-образного LC-фильтра 18 для предварительной фильтрации и устранения высших гармоник и контактов 19, шунтирующих пассивный фильтр 18.

Работает активный фильтр гармоник с автоматической подстройкой под периодическую переменную нагрузку следующим образом.

Пассивный Г-образный LC-фильтр 18 выполняет функцию фильтра нижних частот, что часто нужно при работе асинхронного двигателя через частотный преобразователь или на силовую полупроводниковую технику. В случае необходимости его можно шунтировать трехфазным контактом 19. Питание для работы активного фильтра получает через трехфазны неуправляемый мостовой выпрямитель 13. Конденсаторы 14 служат для сглаживания выпрямленного напряжения, дроссель 15 служит для сглаживания выпрямленного тока, конденсатор 4 обеспечивает накапливания энергии для генерации тока через инвертор 3.

Датчики тока 6-8 собирают измерительную информацию о гармонических искажениях тока периодической переменной нагрузки 2 и передаёт в систему управления 12, где происходит преобразования из аналогового сигнала в цифровой с фильтрацией сигнала от случайных помех. На основании полученной информации производится разложение токов в ряды Фурье с основной гармоникой, разной частоте сети, откуда происходит выделение несущей (первой) гармонической составляющей тока. Далее производятся разности Δi₁ между реальными токами и несущими гармониками. Происходит сравнение между разностями Δi₁ всех трёх фаз. В случае, если разница заключается только в фазовом смещении, то расчёты проводятся для одной фазы, а остальные смещаются на 120 электрических градусов.

Зная разность Δi₁ производится быстрое преобразование Фурье, на основание которого производится спектральный анализ возмущений, вносимых периодической переменной нагрузкой. По спектральному анализу определяется частота интергармоники ƒ_И1 с наибольшей амплитудой. Для определенной частоты интергармоники ƒ_И1 разность Δi1 раскладывается в ряд Фурье и снова выделяется несущая амплитуда и фаза гармоники i_И1 на частоте ƒ_И1. Система управления с использованием ШИМ-модуляции генерирует переменный ток с помощью мостового автономного инвертора напряжения 3 и подает его в сеть. Контроль за работой инвертора 3 осуществляется с помощью трансформаторов тока 9-11. Выходной пассивный Т-образный LC-фильтр 5 предназначен для сглаживания тока, полученного с инвертора 3.

Датчики тока 6-8 фиксируют изменения тока после создания первой интергармоники i_И1 и передают данные через аналогово-цифровой преобразователь в систему управления 12, где происходит вычисление коэффициента несинусоидальности тока. В случае, если коэффициент несинусоидальности превышает установленное значение, по спектральному анализу определяется следующая по амплитуде гармоника ƒ_И2. Аналогичным образом определяется амплитуда и фаза второй интергармоники. Система управления 12 складывает полученные интергармоники и моделирует ток на выходе инвертора 1 путём подачи импульсов на открытия IGBT-транзисторов. После этого снова анализируется коэффициент несинусоидальности тока и в случае неудовлетворения требований, процесс поиска и введения следующей интергармоники повторяется снова до момента, когда коэффициент несинусоидальности тока не станет приемлемым. После того, как коэффициент несинуссоидальности войдет в допустимый диапазон, расчёты прекратятся, ОЗУ будет очищено и система управления будет подавать заранее рассчитанные импульсы на IGBT-транзисторы для управления инверторов 3. Параллельно этому будет контролироваться коэффициент несинусоидальности тока в заданные промежутки времени для того, чтобы не пропустить изменение нагрузки.

При желании оператор может выключить питание от выпрямителя 13 с помощью контактов 16 и 17 и перевести инвертор 3 в режим компенсации реактивной мощности.

Представленный активный фильтр гармоник с автоматической подстройкой под периодическую переменную нагрузку отличается от классического тем, что периодические возмущения математически возможно обработать и настроить фильтр таким образом, чтобы после первоначальной подстройки, система будет работать с такими показателями качества, которых невозможно добиться с помощью следящей системы, работающей в реальном времени, из-за запаздывания системы при обработке и выделения интергармонического сигнала в токе или напряжении. Таким образом, представленный активный фильтр гармоник работает по возмущению, а классические фильтры - по отклонению, поэтому предложенный способ компенсации интергармонических составляющих будет более точен и у него будет большее быстродействие, по сравнению с традиционными образцами. Производительность предложенного метода выше за счёт того, что расчёты производятся всего лишь раз, система управления активным фильтром гармоник подстраивается и работает без изменения до выключения непериодической нагрузки или до её изменения. Слежение за постоянством периодично изменяемой нагрузки значительно проще с точки зрения производительности, чем в каждый интервал дискретного времени производить новые расчёты для компенсации интергармоник.

Аппаратная реализация предлагаемого устройства может быть осуществлена с помощью существующих силовых электротехнических, электронных и микропроцессорных устройств, при надлежащем выборе и настройке соответствующих параметров.

Изобретение относится к электротехнике и электроэнергетике и может быть использовано в системах электроснабжения промышленных предприятий или в судовой (буровой) электростанции в качестве устройства компенсации гармонических искажений токов трехфазной сети, как высшими гармониками, так и интергармониками. Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, работающего по возмущению, заключается в точности работы активного фильтра при меньшей вычислительной сложности, чем в активных фильтрах, работающих по отклонению тока от референтного синусоидального. Активный фильтр гармоник с автоматической подстройкой под периодическую переменную нагрузку содержит последовательно подключенный пассивный фильтр для первоначального отсеивания шумов и высокочастотных составляющих, параллельно подключенный с нагрузкой трехфазный неуправляемый мостовой выпрямитель, конденсатор для накопления электрической энергии и сглаживания выпрямленного напряжения и подключенного к сети через LC-фильтр трехфазного автономного мостового инвертора на базе IGBT-транзисторов со встречно-параллельными диодами и системой управления. Система управления вырабатывает импульсы на основе разницы реального тока, полученной через трансформатор тока, и выделенной из него первой гармоники, разложенной в ряд Фурье с выделением интергармонических составляющих тока и переданной путем ШИМ-модуляции на трехфазный автономный мостовой инвертор, как сумма нескольких синусоид с интергармонической частотой. Это обеспечит более высокое быстродействие и увеличит качество подавления помех, возникающих при периодической переменной нагрузке. 2 ил.

Активный фильтр гармоник с автоматической подстройкой под периодическую переменную нагрузку содержит последовательно подключенный пассивный фильтр для первоначального отсеивания шумов и высокочастотных составляющих, параллельно подключенный с нагрузкой трехфазный неуправляемый мостовой выпрямитель, конденсатор для накопления электрической энергии и сглаживания выпрямленного напряжения и подключенного к сети через LC-фильтр трехфазного автономного мостового инвертора на базе IGBT-транзисторов со встречно-параллельными диодами и системой управления, вырабатывающей импульсы на основании разницы реального тока, полученной через трансформатор тока, и выделенной из него первой гармоники, разложенной в ряд Фурье с выделением интергармонических составляющих тока и переданной путем ШИМ-модуляции на трехфазный автономный мостовой инвертор как сумма нескольких синусоид с интергармонической частотой, что обеспечит более высокое быстродействие и увеличит качество подавления помех, возникающих при периодической переменной нагрузке.