Способ управления фильтрокомпенсирующим устройством при нестационарных нелинейных нагрузках и устройство для его осуществления Российский патент 2022 года по МПК H02J3/18 G05F1/70 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к электротехнике и электроэнергетике, в частности к способам и устройствам компенсации неактивных составляющих мощности, и может быть использовано в системах энергоснабжения электротехнических и энергетических цепей с искажающими ток и напряжение нестационарными нелинейными нагрузками с целью повышения эффективности передачи, потребления и улучшения качества электроэнергии.

Уровень техники

Известен способ управления кондиционером электросети (патент RU №2408122 C1), заключающийся в том, что измеряют входное напряжение и ток однофазной электросети, сигнал напряжения умножают на управляющий сигнал и сравнивают с сигналом датчика тока электросети. Полученный разностный сигнал используют для управления широтно-импульсным модулятором силового канала кондиционера.

Недостатками данного способа является инерционность за счет операций выпрямления и интегрирования сигнала датчика тока нагрузки, некорректное формирование управляющего сигнала для случаев нестационарных и резкопеременных нагрузок.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа способа, является способ генерирования компенсационного тока в питающую сеть (патент RU №2183897), заключающийся в том, что измеряют мгновенные значения тока потребителя и мгновенные значения напряжения питающей сети, определяют их производные, активную мощность потребителя и действующее значение напряжения питающей сети. Затем вычисляют величины произведений индуктивности реактора на производную напряжения сети, предварительно умноженную на частное от деления активной мощности потребителя на квадрат действующего напряжения питающей сети, и на производную тока потребителя. Находят разность полученных величин, и к результату прибавляют мгновенное значение напряжения питающей сети. Определенное таким образом напряжение прикладывают к реактору, подключенному к питающей сети, чем достигается генерирование требуемого компенсационного тока в питающую сеть.

Недостатком данного способа является невозможность компенсации неактивных составляющих мощности при нестационарных режимах работы электрических нагрузок по причине жесткого требования неизменности активной мощности нагрузки на интервале наблюдения (периоде сетевого напряжения).

Известно устройство с использованием однофазного активного электрического фильтра (патент RU №2458381 С2), содержащего систему преобразования входной информации, соединенной с входом синхронизованного с сетью системы формирования сигнала ошибки. Выход синхронизованной с сетью системой формирования сигнала ошибки соединен с инвертором. Выход инвертора соединен с входом широтно-импульсного модулятора (ШИМ). К выходу ШИМ подключен вход буферного каскада, выходы буферного каскада соединены с входами импульсного усилителя мощности, а к выходу импульсного усилителя мощности подключена входная цепь LC-фильтра. Выходы LC-фильтра подсоединены к фазе питающей сети.

Недостатками данного однофазного активного электрического фильтра являются: необходимость изменения режима работы фильтра при изменении спектрального состава напряжений и токов в питающей сети, ухудшение качества фильтрации при нестационарных нагрузках.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является однофазный активный фильтр (патент RU №2670961), выбранный в качестве прототипа устройства, содержащий инвертор, накопительный конденсатор, фильтр пульсаций, измерительный преобразователь тока нагрузки, измерительный преобразователь тока фильтра, измерительный преобразователь напряжения фильтра, измерительный преобразователь напряжения накопительного конденсатора, контроллер системы управления. Контроллер системы управления включает регулятор напряжения накопительного конденсатора, генератор сигнала эталонного тока, сумматор-вычислитель сигнала тока искажения, сумматор, вычислитель сигнала тока ошибки, регулятор тока, широтно-импульсный модулятор.

Недостатком данного устройства является ограниченная функциональность: возможность работы только при динамически изменяющейся нелинейной нагрузке, но не для случаев нестационарных режимов работы.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является введение в способ (алгоритм) управления устройством операции прогнозирования значения активной мощности нагрузки на предстоящем периоде напряжения питающей сети по результатам наблюдения за изменением активной мощности нагрузки на протяжении предшествующих периодов и статистической обработки полученных данных.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение эффективности и электромагнитной совместимости преобразования электрической энергии при совпадении формы тока электросети при нестационарных нагрузках с формой напряжения электросети при условии, что напряжение синусоидально.

Технический результат достигается при помощи способа управления фильтрокомпенсирующим устройством при нестационарных нелинейных нагрузках, заключающегося в том, что в течении заданного числа периодов напряжения питающей сети измеряют мгновенные значения напряжения и тока нагрузки однофазной электросети, по которым для каждого периода наблюдения определяют и запоминают активную мощность, отличается тем, что по полученным результатам измерений вычисляют прогнозируемое значение активной мощности на последующем периоде (интервале управления) напряжения питающей сети, при этом прогнозируемое значение активной мощности используется для определения требуемого мгновенного значения тока, генерируемого в сеть ФКУ, подключаемого параллельно к нагрузке, как разность между мгновенным значением тока нагрузки и произведением мгновенного напряжения питающей сети, умноженным на частное от деления спрогнозированной ранее активной мощности потребителя на квадрат действующего значения напряжения питающей сети.

Технический результат достигается при помощи устройства по способу управления фильтрокомпенсирующим устройством при нестационарных нелинейных нагрузках, содержащего однофазный мостовой инвертор, накопительный конденсатор, Г-образный фильтр, имеющий в своем составе дроссель и конденсатор, цифровой контроллер, широтно-импульсный модулятор, аналого-цифровые преобразователи, при чем в состав системы управления устройством введен дополнительный блок прогнозирования активной мощности, который своими входами подключается к выходным портам основного цифрового управляющего контроллера, своими выходами соединяется со входными портами основного цифрового управляющего контроллера.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 изображена функциональная блок-схема ФКУ с основными элементами для осуществления предлагаемого способа управления.

На фиг. 2 приведены результаты математического моделирования прогнозирующего алгоритма в среде MathCAD.

Осуществление изобретения

Сущность предлагаемого способа управления состоит в том, что в течении заданного числа периодов напряжения питающей сети без промежутков между интервалами измеряют мгновенные значения напряжения и тока однофазной электросети, по которым для каждого периода наблюдения (интервалов наблюдения) определяют и запоминают активную мощность. Затем вычисляют прогнозируемое значение активной мощности на последующем периоде (интервале управления) напряжения питающей сети. Прогнозируемое значение активной мощности используется для определения требуемого мгновенного значения тока, генерируемого в сеть ФКУ, подключаемого параллельно к нагрузке, как разность между мгновенным значением тока нагрузки и произведением мгновенного напряжения питающей сети, умноженным на частное от деления спрогнозированной ранее активной мощности потребителя на квадрат действующего значения напряжения питающей сети.

Способ управления ФКУ осуществляется следующим образом.

Основным соотношением предлагаемого способа для определения выходного тока ФКУ при условии параллельного подключения его к нагрузке является известное выражение для определения неактивной (пассивной) составляющей тока потребителя:

где i_п(t) - мгновенные значения неактивной (пассивной) составляющей тока нелинейной нагрузки;

i_н(t) - мгновенные значения тока нелинейной нагрузки, потребляемого из сети;

u_c(t) - мгновенные значения напряжение сети;

Р - активная мощность нагрузки;

U - действующее напряжение сети.

Активная мощность нагрузки определяется по результатам измерений мгновенных значений напряжения сети и тока нагрузки:

Действующее напряжение сети определяется по результатам измерений мгновенных значений напряжения сети:

Действующее напряжение сети будет считаться неизменным.

Соотношение (3) имеет существенное ограничение, связанное с обязательным требованием неизменности активной мощности на интервале усреднения (периоде сетевого напряжения). Однако, для нестационарных нагрузок это требование невыполнимо.

С целью устранения имеющегося противоречия, в изобретении предлагается использовать прогнозируемое значение активной мощности потребителя на предстоящем периоде по результатам наблюдения за изменением активной мощности на предыдущих периодах (предыстории) и статистической обработки исходных данных, а именно:

Определение прогнозируемой величины может выполняться при помощи известных методов экстраполяции: сплайнов, вейвлетов, автокорреляционных функций и другими.

Для примера приводится соотношение для прогнозирования значений временного ряда, основанное на корреляционном анализе. В иностранной литературе это соотношение известно, как рекурсивный алгоритм Бурга:

где A_k - исходный временной ряд,

μ - вычисляемый коэффициент,

V_k - копия исходного временного ряда с обратным порядком следования элементов,

A_k+1 - исходный временной ряд, но с дополнительным элементом, содержащим значение коэффициента экстраполяции для k-го шага процедуры рекурсии.

Коэффициент μ вычисляется при помощи автокорреляционных функций при условии минимизации суммы квадратов ошибки экстраполирования. Рекуррентная формула имеет вид:

где N - количество элементов исходно временного ряда,

k - количество экстраполирующих элементов,

ƒ_k - последовательность из элементов исходного ряда для k-го экстраполирующего элемента,

b_k - последовательность из элементов исходного ряда, но с обратным порядком следования элементов для k-го экстраполирующего элемента.

Прогнозируемое значение определяется по выражению:

Р_{прогноз} - прогнозируемое значение;

m - количество последних элементов исходного временного ряда P_N, согласно которым строится прогноз;

a_i - коэффициенты экстраполяции;

P_N - исходный временной ряд, содержащий N элементов.

Результаты математического моделирования прогнозирующего алгоритма в среде MathCad при использовании встроенной функции predict(y, m, n) приведены на фиг. 2. Где у - вектор действительных значений, взятых через равные промежутки значений аргумента; m - количество последовательных значений вектора у, согласно которым строится прогноз; n - количество элементов векторы прогноза. В примере использованы следующие аргументы функции predict: у=200, m=50, n=100.

Для примера на фиг. 2 приведены 200 значений исходного временного ряда, вычисляемые по функции y(x)=exp(-x/100)*sin(x/10) (кривая 1). Прогнозируемые значения вычисляются после 100 значений исходного временного ряда (кривая 2). Для сравнения результатов прогноза со значениями исходного ряда, последний представлен для вторых ста значений в виде кривой 3.

Анализ полученных результатов свидетельствует об эффективности прогнозирующего алгоритма при непосредственной близости к последним значениям исходного временного ряда. Применительно к заявляемому способу управления ФКУ рассматриваемый прогнозирующий алгоритм применим, так как для заявляемого способа управления достаточно иметь не более одного, двух прогнозируемых значений активной мощности на предстоящих периодах управления.

Устройство по способу управления фильтрокомпенсирующим устройством при нестационарных нелинейных нагрузках (фиг. 1) состоит из источника электроэнергии 1, нагрузки в виде нелинейного сопротивления 2, ФКУ 3. ФКУ получает сигналы от датчика напряжения сети 4, датчика тока линии 5, датчика тока нагрузки 6, датчика выходного тока ФКУ 7. В состав ФКУ входят однофазный мостовой инвертор 8, накопительный конденсатор 9, Г-образный фильтр, имеющий в своем составе дроссель 10 и конденсатор 11. Управление однофазным мостовым инвертором 8 производится с помощью цифрового контроллера 12 через широтно-импульсный модулятор 13. Входными сигналами контроллера являются данные от предикатора 14 и аналого-цифровых преобразователей 15, 16, 17, 18.

Устройство по способу управления ФКУ при нестационарных нелинейных нагрузках работает следующим образом. При коммутации силовых ключей однофазного мостового инвертора 8 по сигналам системы управления должно выполняться подключение накопительного конденсатора 9 через Г-образный фильтр 10, 11, параллельно к нагрузке 2 таким образом, чтобы ток ФКУ, вводимый в сеть, был равен неактивной (пассивной) составляющей тока потребителя, вычисляемой по формуле (4) с противоположным знаком. Именно при этом условии будет обеспечиваться компенсация неактивной (пассивной) составляющей тока потребителя в составе тока сети.

Однофазный мостовой инвертор 8 управляется сигналами широтно-импульсного модулятора 13, который получает сигналы управления от цифрового контроллера 12. Входными сигналами цифрового контроллера 12 являются выходные сигналы от аналого-цифровых преобразователей 15, 16, 17, 18 и предикатора 14. Входы аналого-цифровых преобразователей подключены к выходам датчика напряжения сети 4, датчика тока линии 5, датчика тока нагрузки 6, датчика выходного тока ФКУ 7 соответственно. Работа всей системы управления устройством синхронизирована с сигналом напряжения сети.

Предикатор 14 работает следующим образом. На протяжении заданного числа периодов напряжения питающей сети, предикатор запоминает значения активной мощности нестационарной нагрузки, вычисляемые цифровым контроллером 12 по формуле (2) в дискретном виде.

Затем производится вычисление прогнозируемого значения активной мощности нестационарной нагрузки по формуле (5). Полученное значение прогнозируемого значения возвращается цифровому управляющему контроллеру и используется в формировании закона управления выходным током ФКУ по формуле (4). Далее цикл работы предлагаемого устройства и его системы управления повторяется, но уже с обновленным значением активной мощности нестационарной нагрузки на последнем периоде наблюдения.

Система управления может быть выполнена на однокристальном микроконтроллере общего применения (например, ATMega168) или специализированном цифровом сигнальном процессоре (например, ADSP2104).

Применение предлагаемого способа ФКУ активного типа позволяет существенно повысить качество электрической энергии в распределенных на значительном пространстве электросетях с нелинейной нестационарной нагрузкой путем коррекции формы тока и, как следствие, напряжения электросети.

Сущность предлагаемого устройства состоит в том, что дополнительно введенный в состав системы управления блок прогнозирования активной мощности на предстоящем периоде напряжения питающей сети - предикатор - своими входами и выходами подключается к выходным и входным портам основного цифрового управляющего контроллера.

Из приведенных выше исследований можно сделать вывод, что предлагаемое изобретение обладает в отношении известных разработок следующими преимуществами:

1. Наличие в способе управления устройством операции прогнозирования значения активной мощности нагрузки на предстоящем периоде напряжения питающей сети;

2. Применение в составе ФКУ дополнительного блока прогнозирования активной мощности, подключаемого к цифровому управляющему микроконтроллеру.

3. Предлагаемый способ управления ФКУ является универсальным, так как сохраняет свою работоспособность не только для случаев нестационарных режимов нелинейных нагрузок, но и для случаев стационарных режимов линейных и нелинейных нагрузок.

Использование: в области электротехники и электроэнергетики. Технический результат - повышение эффективности передачи, потребления и улучшение качества электроэнергии. Фильтрокомпенсирующее устройство (ФКУ) содержит однофазный мостовой инвертор, накопительный конденсатор, Г-образный фильтр, имеющий в своем составе дроссель и конденсатор, цифровой контроллер, широтно-импульсный модулятор, аналого-цифровые преобразователи, датчик напряжения сети, датчик тока линии, датчик тока нагрузки, датчик выходного тока ФКУ. В состав системы управления устройством введен дополнительный блок прогнозирования активной мощности, который своими входами подключается к выходным портам основного цифрового управляющего контроллера, своими выходами соединяется со входными портами основного цифрового управляющего контроллера. 2 ил.

Фильтрокомпенсирующее устройство для нестационарных нелинейных нагрузок, содержащее однофазный мостовой инвертор, имеющий в своем составе накопительный конденсатор, Г-образный фильтр, подключенный к выходу однофазного мостового инвертора, имеющий в своем составе дроссель и конденсатор, через которые происходит подключение устройства к электросети параллельно нагрузке, цифровой контроллер, входы которого подключаются к выходам аналого-цифровых преобразователей и ко входу широтно-импульсного модулятора, выход которого подключается ко входу однофазного мостового инвертора, аналого-цифровые преобразователи, входы которых подключаются к выходам датчика напряжения сети, датчика тока линии, датчика тока нагрузки, датчика выходного тока ФКУ, вход датчика напряжения сети подключается к линейному и нулевому проводникам сети, вход датчика тока линии подключается в разрыв линейного проводника сети до точки подключения устройства, вход датчика тока нагрузки подключается в разрыв линейного проводника сети после точки подключения устройства, вход датчика выходного тока ФКУ подключается в разрыв выходного проводника ФКУ до точки подключения к линейному проводнику, отличающееся тем, что в состав системы управления устройством введен дополнительный блок прогнозирования активной мощности, который своими входами подключается к дополнительным выходным портам основного цифрового управляющего контроллера, а своими выходами соединяется с дополнительными входными портами основного цифрового управляющего контроллера.