Способ управления фильтром высшей гармоники в системе электроснабжения Советский патент 1989 года по МПК H02J3/18 

СД

00

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть исполь- зова;но в системах промышленного электроснабжения, содержащих нагрузки с нелинейными вольт-амперными характеристиками (вентильный электропривод, электротехнологические установки, электрифицированный транспорт). Целью изобретения является уменьшение потерь электрической энергии. Изобретение позволяет улучшить качество электроэнергии путем настройки фильтра высшей гармоники, которая обеспечивает минимальное значение модуля входного сопротивления системы электроснабжения, внешней по отношению к ветви с нелинейной нагрузкой. Для этого в каждом цикле управления одновременно измеряют квадратурные составляющие гармоники напряжения на шинах питания нелинейной нагрузки, гармоники тока в цепи питания этой нагрузки и гармоники тока в цепи фильтра высшей гармоники. Определяют полные входные сопротивления фильтра и системы электроснабжения, питающей нелинейную нагрузку и устанавливают новое значение реактивного .сопротивления фильтра, вычисленное по формуле, указанной в тексте описания. 7 ил. easm bliB:::

1

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано в системах промышленного электроснабжения, содержащих нагрузки с нелинейными вольт-амперными характеристиками (вентильный электропривод, электротехнологические установки, электрифицированный транспорт и др.).

Целью изобретения является уменьшение потерь электрической энергии.

На фиг. 1 приведена упрощенная схема узла системы электроснабжения; на фиг. 2 - схема замещения; на. фиг. 3 - функциональная схема устройства ДЛЯ реализации способа; на фиг. 4 - схема фиксации аналоговых сигналов; на фиг. 5 - схема согласующего устройства; на фиг. 6 - схема блока управления; на фиг. 7 - схема формирователя сигналов управления. Сущность изобретения поясняется следующим.

у

В соответствии со схемой замещения (фиг. 2) полное входное сопро.тив- ление электрической сети, внешней по отношению к ветви с нелинейной нагрузкой, на частоте гармоники равно

го о

Ьф.т; L с.л) - ф. с }

(О

где

полное сопротивление резонансного фильтра;

L(.rc,;+JXj,- полное сопротивле-. ние питающей системы.

Модуль входного сопротивления сети на частоте )-й гармоники можно записать в виде следующего выражения (индекс ) опущен)

ч.

()(r -4-xl)

т ;+г;7 +тх;+хф7

(2)

Если определить значение реактивного сопротивления резонансного фильтра (Х,), при котором значение модуля входного сопротивления сети, внешней по отношению к ветви с нелиней- ной нагрузкой минимально на частоте гармоники, то будет иметь место соотношение

х; l; (2r,r.+r +x jV4x r

-(2гфге- г х).(3).

Введя обозначение А 2гфгс+Гс+Хс, формула (З) запип ется в, виде

х; -1- ().

(4)

Минимум потерь электроэнергии в элементах фильтра и питающей систе- мь имеет место при минимальном зна- черии уровня остаточного напряжения гармоники на шинах питания нелинейной нагрузки.

В свою очередь, минимальное значение остаточного напряжения имеет место при минимуме модуля входного со противления всей электрической сети, внешней по отношению к ветви с нелинейной нагрузкой. Следовательно, формула (4) определяет оптимальную настройку фильтра.

Из формулы (4) следует, что для определения искомого значения реактивного сопротивления фильтра необходимо знать полное сопротивление питающей системы.

Его значение удобно получить по /, результатам измерения полного входного сопротивления электрической сети и лолного сопротивления силового сЬильтра в соответствии с формулами:

UK+JU

.„ .

iri +jlj ..

кн Uk+jUc

(5) (6)

где г Xjx активная и реактивная составляющие полного входного сопротивления;

и. пары квадратурных составляющих гармоник соответственно напряжения на шинах питания нелинейной нагрузки, тока в цепи питания этой нагрузки и тока в цепи резонансного фильтра; Гф,Х ф - активная и реактивная

составляющие полного сопротивления фильтра. Используя (1), получим составляющие полного сопротивления питающей системы:

5

Хс 5(Х,,/Гф/ -Хф/Ь.У );

(Ьф/ -Гф/VM,

(7)

(8)

0

0

В

где Б() + () . В этих формулах

(L4(M+xV,

где составляющие г и Хф получены пу- с тем измерения значений напряжения и тока. В каждом цикле управления в соответствии с основной формулйй (4) устанавливают новое значение реактивного сопротивления фильтра.

Устройство для реализации способа (фиг. 3) содержит трансформатор 1 тока в цепи питания нелинейной нагрузки, трансформатор 2 напряжения, подключенный к шине питания нелиней- 5 ной .нагрузки, трансформатор 3 тока в цепи силового фильтра, схему 4 фиксации аналоговых сигналов, блок 5 управления, аналого-цифровой преобразователь 6, вычислительное устройство 7, формирователь 8 сигнала управления силовым фильтром и управляемый элемент 9 реактивного сопротивления силового фильтра 10, нелинейную нагрузку 11.

Устройство работает следующим образом.

По сигналу из блока 5,сикхронизи- ровайного сетью через трансформатор 2, схема 4 запоминает тройку (три)

0

5

мгновенных значений сигналов, имеющих место на вторичных обмотках транформаторов 1, 2 и 3, После этого блок 5 вырабатывает последовательно во времени три одинаковые серии из двух импульсов. Первым управляется схема 4, на выходе которой появляется мгновенное значение первого из трех сигналов, хранящихся в памяти схемы 4 (например, мгновенное значение сигнала с выхода трансформатора- 2, а В f третьей - трансформатора З). Все описанные процессы циклически повторяются N раз через одинаковые промежутки в течение времени длительностью в один период основной частоты сети. В результате в вычислительное устройство за время одного периода частоты сети, поступают 3N выборок (отсчетов) трех непрерывных аналоговых сигналов..Вычислительное устройство 7 производит счет.количества выборок до 3N. После этого оно вычисляет квадратурные составляющие

UK Uc , , ICH

Тсфпоформуле

дискретного преобразованияФурье, т.е. .. .

iv-t --liilli Х(К)1х(п) -е (9)

П О

где Х(К) - комплексное значение К-й

гармоники;

х(п) - последовательность экви- дистантных отсчетов (выборок) мгновенных значений непрерывной кривой - (в нашем случае, тока или напряжения); N - количество отсчетов на

одном периоде кривой; и

11- l,,...ji4,-J-I 1

в которой вместо чисел х(п) используются выборки соответствующей кривой. Затем вь1числительное устройство 7 производит вычисление величин L

(и

и Ьф соответственно по формулам и (6) и значения искомого параметра Хф по формуле (4). После этого вычислительное устройство 7 передаёт вычисленное значение Х на вход формирователя 8, который одновременно осуществляет пропорциональное Хф регулирование управляемого элемента силового фильтра и формирует импульс запуска блока 5. Этот импульс является сигналом начала следующего цикла работы устройства для управления силовым фильтром внешней гармоники

с14589266

в системе электроснабжения. Следующий цикл идентичен предыдущему, Дпительность цикла управления при умеренных требованиях к быстродействию вычислительного устройства составляет 0,2-0,5 с.

Схема 4 фиксации аналоговых сиг- налов (фиг. 6) содержит согласующие

0 устройства 12, фильтры 13 Н{шних . частот, схемы 14 выборки - запоминания и аналоговый коммутатор 15. Согласугацие устройства 12 необходимы для того, чтобы преобразовать :

5 вторичный ток трансформаторов 1 и 3 в напряжение, которое более удобно для дальнейшей обработки.

Согласующее устройство реализовано по схеме а1стивного трансформатора

0 тока (фиг. 5). Эта схема, состоящая из трансформатора ТР и операционного усилителя ОУ, обеспечивает гальваническую развязку и имеет линейную амплитудно-фазочастотную ха5 рактеристику в широкой частотной полосе. Фильтры 13- нижних частот нужны для ограничения по спектру сигналов, поступающих на их входы. Ограничение необходимо для того, чтобы

0 исключить погрешности из-за эффекта наложения частот при дальнейшей обработке и вычислении квадратурных составляющих высшей гармоники вычис лительным устройством 7, Частота сре5 за F фильтров 13 должна выбираться из соотношения (условия теоремы Ко- тельникова-Шеннона о дискретизации),

FS2Vfc,

0 где fc.50 Гц - частота первой гармоники сети.

Схема 4 фиксации работает следующим образом,

По сигналу из блока 5 срабатывают

5 схемы 14 и запоминают мгновенные значения. Затем на управляющий вход аналогового коммутатора из блока 5 поступают последовательно три сигнала, а коммутатор поочередно передает ана0 логовые значения на выход схемы 4.

Блок 5 управления (фиг. 6) содержит компаратор 16, умножитель I7 ча стоты, одновибраторы 18, логические элементы И 19, 20, двоичные счетчики

5 21 и 22, триггеры 23-25, кнопку 26 и логический элемент ИЛИ 27. Компаратор 16 необходим для формирования прямоугольных импульсов в моменты пет рехода через нуль напряжения сети.

Умножитель 17 частоты умножает частоту входной импульсной последовательности J порождая на первом выходе тактовый сигнал с частотой Ъ N раз, больше частоты сети, а на втором выходе - вспокогательнзпо последовательность импух1ьсов частоты-большейS чем тактовая, например в 8. раз (Н - как и прежде, количество мгновенных значений аналогового сигнала на периоде основной частоты сети).

Блок 5 работает следующим образом.

Исходное положение блока задается нажатием кнопки 26. При этом триггер 23 через элемент 27 сбрасывает в О счетчик 2, устанавливает триггер 24 в положение, при котором он создает разрешающий потенциал на входе элемента 19, и запрещает прохождение импульсов через элемент 19. При отпускании кнопки триггер 23 выдает сигнал, которьй разрешает прохождени импульсов через элемент 9 и через элемент 27 выдает сигнал, разрешающий счет счетчику 21, Счетчик 21 производит счет импульсов до К, а счетчик 22 - до тех трех. На выходе одновибратора 18 имеют место задержанные импульсы частотой 8N. Первые три импульса с выхода этого одновибратора, .проходя через элементы 19 и 20J изменяют состояние счетчика 22, кодовое слово которого управляет аналоговым коммутатором 15 и является выходным сигналом блока 5. Импульс переполнения счетчика 22 изменяет состояние триггера 25 на противоположное,- который запирает элемент 20, запрещая прохождение имщшьсов на вход счетчика 22.Триггер 25 выдает разреп1ение на прохождение следутощих трех импульсов в счетчик 22 только к моменту прихода следующего импульса тактовой ча- -гстоты с выхода уьшожителя 17. Одно- вибратор 18 с задержкой по времени относительно каждого входного импульса счетчика 22 формирует импульсы запуска аналого-цифрового преобразователя 6,

По истечении N тактовых импульсов на выходе счетчика 21 появляетс сигнал переполнения, изменяющий состояние триггера 24 на противоположное. Триггер 24 запирает элемент 19 На этом заканчивается один цикл работы блока 5,Следующий цикл работы

5

0

блока 5 начинается при появлении импульса на входе элемента 27, поступающего от формирователя 8. Таким образом, кнопка 26 необходима только для начального пуска блока 5, а вся дальнейшая работа осуществляется автоматически. Умножитель 17 частоты выполнен по схеме фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с делителем частоты в цепи обратной связи.

В качестве вычислительного устройства 7 может быть использована серийная микроэвм или микроконтроллер.

Конструктивное выполнение формирователя может быть различным в зависимости от конструкции управляемого элемента 9 реактивного сопротивления силового фильтра.

Формирователь сигналов может быть выполнен по схеме на фиг. 7. Схема содержит регистр 28, цифроаналого- вый преобразователь 29 и усилитель 30 мощности. Формирователь работает 25 так. По сигиалу, поступающему по одной из линий выхода данных вычислительного устройства 7 (этот же сигнал является вторым выходом формирователя 8, поступающим на первый вход . блока 5), срабатывает регистр 28 и . запоминает код выходного слова вычислительного устройства 7. Одновременно этот код поступает на вход преобразователя 29, которьй преобразует его в аналоговое напряжение. Усилитель 30 пропорционально.усиливает это напряжение по мощности (по току) и, тем самым, регулирует величину индуктивного сопротивления управляемого 40 элемента 9 силового фильтра высшей

гармоники.

Предложенный:способ управления фильтром высшей гармоники в системе электроснабжения обладает следующими

45 основными преимзга ествами: .. уменьшаются потери электроэнергии, обусловленные током гармоники в цепи фильтра и в элементах системы, питаннцей нелине:йную нагрузку; повышается качество электроэнергии, так как мини-. мизируется уровень остаточного напряжения гармоники на шинах питания нелинейной нагрузки; ловышается надежность работы фильтра, что обусло55 влено снижением несинусоидальности напряжения, приложенного к батарее конденсаторов, и уменьшением действующего значения несинусоидального тока в цепи фильтра.

30

35

50

91458926

Форм у;;л.;а изоВре-тениягде

Способ управления фильтром высшей гармоники в системе электроснабжения содержащей нелинейную нагрузку, заключающийся в том, что регулируют реактивное сопротивление резонансного- фильтра, отличающийся тем, что, с целью уменьшения потерь электроэнергии, управление производят идентичными независимыми циклами, причем в каждом цикле управления одновременно измеряют квадратурные составляющие U, U напряжения гармоники на шинах питания нелинейной нагрузки, квадратурные составля- кяцие , Трнтока гармоники в цепи питания нелинейной нагрузки, квадратурные составляюрще 1с,тока гар МОНИКИ..в цепи резонансного фильтра, определяют полное сопротивление электрической сети, внешней по отношению к ветви с нелинейной нагрузкой, по формуле.

Ux+jUc

-в

-

10

активная и реактивная составляющие полного входного сопротивления;

и полное сопротивление резонансного фильтра по формуле

p -i;7n:

,

где г-ф,Хф - активна.я и реактивная

составляюш е полного сопротивления фильтра, и устанавливают новое значение реак- .тивного сопротивления резонансного фильтра равным вычисленному по формуле

х; (/ГЫх 4-А),

где B(r4x-r,j)()

Хс с Ё(ГВХ

,

1,..

А 2г Гс+ГсХс

фиАьтр ёысшеи, гармоники.

фиг.1

1458926

Вводное сопротивление системы электроснабжения

Питанлдая среда

К транарорнатару К тромс1рормат)ру2 К трацс(рорнаторуЗ

Фиг.5