Способ динамической компенсации неактивных составляющих мощности Советский патент 1990 года по МПК H02J3/18 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам повышения качества электроэнергии, и может быть использовано для повышения качества компенсации неактивных составляющих мощности при любых режимах в системах энергоснабжения, содержащих промежуточное звено преобразования.

Целью изобретения является повышение качества компенсации неактивных составляющих мощности при любых формах кривых напряжения и тока.

На чертеже представлена функциональная схема устройства компенсации.

Устройство, реализующее предлагаемый способ динамической компенсации неактивных составляющих мощности, состоит из датчиков тока 1 и напряжения 2, подсоединенных входами к питающей сети, а выходами - соответственно к первым входам умножителей 3 и 4 и входам квадратурных фильтров 4 и 6, вторые входы умножителей 3 и 4 подключены соответственно к выходам квадратурных фильтров 5 и 6 а выходы - к вычитающему и суммирующему входам сумматора 7, который по выходу связан с первым умножителем 8, генераторы 9 и 10 квадратичных функций входами лодклюел

ЈП

О СП

;о ю

чены соответственно к выходам датчи- Ка 2 напряжения и квадратурного фильтра 6, а выходами - к входам сумматора 11, подсоединенного выходом к первому входу делителя 12, второй вход которого подключен к выходу квадратурного фильтра 6, а вы- Ход - к второму входу умножителя 8, генератор 13 тока компенсации, управ- шющие входы которого подсоединены

выходу умножителя 8, а силовые зходы и выход нагружены на питающую сеть, причем генератор 13 тока содер-

К

сит трансформатор 14, первичная обмотка которого нагружена на питаю(ук сеть, а вторичная обмотка вклю- чена в диагональ переменного тоха выпрямителя 15; сглаживающего фильтра 16, однополярный вход которого нагружен на диагональ постоянного тока выпрямителя 15, а положительный и отрицательный выводы являются входами питания двухтактного усилителя 17 класса D, нулевой вывод подключен к нулевой шине сети; сглаживающий дроссель 18, связывающий выход усилителя

17 с нулевой шиной сети; датчика 19 тока, который по входу подключен между дросселем 18 и ненулевой шиной, а по выходу - к инверсному ,ьходу сумматора 20, прямой вход которого явля

0

5

ется управляющим входом генератора; компаратора 21, связанного по входу с выходом сумматора 20, а прямым и инверсным выходом - с входами усилителя 22, выходы которого подключены к управляющим входам силовых ключей усилителя 17.

Устройство компенсации, реализующее предлагаемый способ динамической компенсации неактивных составляющих мощности, работает следующим образом.

Анализ энергетического процесса в сечении электрической системы или цепи ведется в двух пространствах - исходном (реальном) и сопряженном (расчетном) - в реальном масштабе времени. Действительно, любому полигармоническому периодическому сигналу тока i(t) или напряжения U(t) можно построить сопряженный полигармонический периодический сигнал i(t) или U(t) , которые связаны между собой прямым и обратным преобразованиями посредством линейных унитарных кососимметрнчных операторов Кирхгофа

i - Н , D, L,

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам повышения качества электроэнергии, и может найти применение в системах энергосбережения, содержащих промежуточное звено преобразования. Цель изобретения - повышение качества компенсации неактивных составляющих мощности при любых режимах. Измеряют мгновенные значения питающего напряжения U (T) и тока I (T) потребителя, формируют сопряженные сигналы напряжения U (T) и тока I (T) путем разложения измеренных сигналов на гармонические составляющие с последующим сдвигом фаз гармоник на четверть периода собственных частот и суммированием сдвинутых копий. Получают сигнал тока, пропорциональный току компенсации по выражению, приведенному в формуле изобретения, приводят к уровню тока питающей сети и генерируют в питающую сеть. 1 ил.

т«е.

i(t) (t) i(t) r (t)j; U(t) U(t) C {u(t)}

j I

Z;(t) i(t) + jl(t); Zu(t) - U(t) + jU(t) .

где H,D,L - операторы преобразования Гильберта приведенных дифференцирования и интегрирования.

40

Произведение комплексно-сопряженн аналитической функции сигнала ток и аналитической функции сигнала н пряжения определяет аналитическую функцию мгновенной мощности

Исходный и сопряженный сигналы объединяются в рамках аналитических функций сигналов тока в напряжения

Ги и

ы-ыдез-Ь

tf uj

где z - матричная запись аналитической функции;

Sp(t) U(t) i(t) + U(t) i(t) ; S(t) U(t)i(t) -U(t)i(0

Р j sP(t)dt 2Г | )i(t) + U(t)i(t)dt;

Произведение комплексно-сопряженной аналитической функции сигнала тока и аналитической функции сигнала напряжения определяет аналитическую функцию мгновенной мощности

(1)

исходная и сопряженная части ана-1 литической функции. Отсюда активная, реактивная и полная комплексная мощности определяются как средние значения функций

т

Q - j Vt)dt 2f-J u(Oi(t)-U(t) i(

оо

S ™- j Zp(t)dt P + JQ.

о,

Осуществив обратное преобразова- ij(t) и реактивную ia(t) составля- ние от (1) по напряжению, получаем ющие

U

А

где i(t) ip(t) + i,,(t) т- ( U-i + Ui) + ---jr OJ-i-Ui). Г U%UU +U

Именно реактивная составляющая тока подвергается компенсации путем суммирования токов источника и устU(t)

LK

(t) -in(t)

u(.uz(t)

Путем измерения определяют напряжение, пропорциональное мгновенному значению тока i(t) U напряжение, пропорциональное мгновенному значению напряжения U(t). Формируют сопряженные сигналы напряжения U(t) и тока i(t) путем разложения измеренных сигналов на гармонические составляющие с последующим сдвигом фаз гармоник на четверть периода собственных, частот и суммированием сдвинутых копий посредством квадратурных фильтров и перемножают исходный сигнал напряжения с сопряженным сигналом тока и сопряженный сигнал напряжения с исходным сигналом тока с помощью умножителей, определяют разность полученных произведений, используя сумматор с инверсным входом, т. е. получают функцию

-S-Ct) u (t)i(t)-u(t)i(t) .

Вычисляют частное от деления сопряженного сигнала напряжения на сумму квадратов мгновенных значений измеренного и сопряженного сигналов напряжения посредством генераторов квадратичных функций, сумматора и делителя, которое, используя умножитель, перемножают с полученной

т

f-J u

ройства компенсации, т.е.

uct)i(t) -наше. (2

разностью произведений, формируя сигнал, пропорциональный току компенсации (2) и генерируемый в питающую сеть.

Датчики тока 1 и напряжения 2 измеряют напряжения, пропорциональные мгновенным значениям тока, и напряжения сети. Измеренные сигналы поступают на первые входы умножителей 3 и 4 и входы квадратурных фильтров

5 и 6„ Алгоритм фильтрации соответствует прямому преобразованию Гильберта - все гармаоники порядка КЭ; 1 получают сдвиг фаз Т/4К с сохранением амплитуд, где Т - период основной частоты. Сформированные фильтра- ми 5 и 6 сопряженные сигналы тока i(t) и напряжения u(t) поступают соответственно на вторые входы умножителей 4 и 3, на первых

входах которых присутствуют исходные сигналы напряжения и тока,

измеренные датчиками. Умножитель 4

вычисляет первое, а умножитель 3 второе слагаемые сопряженной части

S(t) аналитической функции p(t) мгновенной мощности, разность которых или саму функцию вычисляет сумматор 7, для чего информация на суммирующий вход последнего поступает с выхода умножителя 4, а на вычитающий - с выхода умножителя 3. В ,итоге на первый вход умножителя 8 подается сигнал, пропорциональный сопряженной части Zp(t). Квадрат огибающей аналитической функции напряжения в процессе работы устройства вычисляют генераторы 9 и 10 квадратичных функций, на входы которых непрерывно поступают мгновенные значения исходного и сопряженног© сигналов напряжения,, и сумматор 11, складывающий значения квадратов функций с выходов генераторов 9 и 10 Делитель 12 вычисляет частное от деления значений сопряженного сигнала напряжения и квадрата огибающей аналитической функции сигнала напряжения, которые формируются квадратурным фильтром 6 и сумматором 11. Частное от деления, поступая на второй вход умножителя 8, перемножается с сигналом, пропорциональным -Sn(t),, в результате чего формируется функция (2). В процессе работы устройства последовательное соединение трансформатора 14, выпрямителя 15 и фильтра 16 образует двуполярный источник постоянного тока для питания усилителя 17, работающего в ключевом режиме, сглаживание выходного тока которого осуществляет дроссель 18. При формировании сигнала управления усилителем 17 датчик 19 тока измеряет мгновенные значения напряжения, пропорциональные току компенсации, где его коэффициент трансформации одинаков с тем же коэффициентом датчика 1 тока. Сумматор 20, один из входов которого инверсный, определяет рассогласование между управляющим и сформированным сигналами тока компенсации. Компаратор 21 из сигнала рассогласования формирует две инверсные импульсные последовательности, изменяющие свою длительность согласно широтно-импульсному регулированию. Усилитель 22 обеспечивает необходимую мощность сигналов управления. Усилитель 17 совместно с дросселем 18 формируют кривую тока, повторяющую по форме управляющий сигнал на прямом входе сумматора 20. Так в случае синусоидального режима питающей сети и активно-реактивному характеру нагрузки потребителя, когда напряжение сети и ток нагрузки .равны

U(t) U(Y1sinUt; i(t)I sinCut-t

±Ф ,

где (+)-U() - операции соответству- ющие активно-емкостному и активно-индуктивному характеру нагрузки;

функция тока компенсации, сформиро- ванная на выходе умножителя 8,равна

ik(t.) | (o3t +q) - sin (COt iq) .(3)

,При этом квадратурные фильтры 5 и 6

5

0

определяю1 ; сопряженные сигналы тока нагрузки iM(t) R-Jmcos((Ot f 4) и напряжения сети U(c) -Umcoscot. Остаточный ток питающей сети равно сумме тока нагрузки и устройства компенсации

5

0

0

5

i(t) iH(t) + iK (t) Im cost sinCx) t

(4)

В случае чисто активного характера нагрузки потребителя сопряженная часть аналитической функции мгновенной мощности равна нулю, что подтвердит сигнал на выходе сумматора 7.

Как следствие, устройство компенсации не функционирует. При активно-емкостном и активно-индуктивном характерах нагруз-ки токи компенсации (3) отличаются только знаками, а остаточ- 5 ный ток сети (4) носит чисто активный характер, т.е. совпадает по форме с питающим напряжением, но обладает действующим значением в 1/cosIf раз меньше, чем до компенсации. При этом, если до компенсации нагрузка потребляла активную мощность Р UIcosq при полной мощности SHJI, то в результате компенсации система компенсатор - потребитель потребляет активную мощность, равную полной мощности или активной мощности до компенсации,т.е.

Рк SK UlcosCf

В случае чисто реактивного характера нагрузки потребителя, когда С|) 4- и/2, ток сети i(t) 0, что следует из выражений токов при активно-реактивном характере после подстановки значений Cf + /2, т.е. реактивный ток нагрузки генерирует устройство компенсации.

Согласно предлагаемому динамической компенсации остаточные ток и мгновенная мощность сети (источника)

U(t)

в процессе компенсации равными

ОСТ

(t) i.(t) -------П- U(t)i(0 + U(t)i(t);

r и V) + иг(0

Pocr (t) (t) i

ОСТ

(t)

Отсюда следует совпадение знаков мгновенных значений остаточного тока с питающим напряжением и положительность ординат кривой остаточной мгно венной мощности, что подтверждает компенсацию обратных потоков- энергии. Действительно исходная часть аналитической функции мгновенной мощности Sn(t) входящая в (5) и (6), принимает только положительные значения, так как состоит из двух сопряженных слагаемых в смысле переменных составляющих. Поэтому когда одно из слагаемых принимает максимальное значение, второе равно нулю и наоборот. При равенстве постоянных составляющих обоих слагаемых их арифметическая сумма всегда больше или равна по модулю сумме переменных составляющих. Знаменатели выражений (5) и (6) или значения квадрата огибающей аналитической функции сигнала напряжения являются положительно определенными величинами. В итоге функция остаточного тока соответствует функции напряжения сети, промодулированной исходной частью аналитической функции мгновенной мощности и квадратом огибающей аналитической функцией сигнала напряжения.

Применим способ динамической компенсации неактивных составляющих мощности при питании нагрузки потребителя от генератора несинусоидальной формы напряжения (например, инвертора напряжения), питаемого от сети переменного тока и являющегося промежуточным звеном между сетью и потребителем. При этом объем энергии, на, (.)U(t)

1кЛи о 4

uz(t) + и (t)

который приводят к уровню тока питаю-. щей сети.

в процессе компенсации становятся равными

(5)

Sp(t) .

(6)

15

20

25

30

35

40

45

50

копленной нагрузкой, возвращаемой в источник постоянного тока, питающего инвертора, через диоды моста возврата будет сведен к минимуму, определяемому временем задержки работы тракта формирования функции тока компенсации. Это дает возможность значительно уменьшить установленную мощность обратных диодов моста возврата инвертора и емкость конденсатора фильтра источника постоянного тока. В итоге уменьшается масса и габариты как фильтра источника, так и инвертора, а значит всего преобразователя, питающего нагрузку, в целом.

Формула изобретения

Способ динамической компенсации неактивных составляющих мощности в питающей сети, соединенной с потребителем и компенсатором заключающийся в том, что измеряют напряжение, пропорциональное мгновенным значениям тока i(t) потребителя, и напряжение, пропорциональное мгновенным значениям питающего напряжения U(t) , и генерируют в питающую сеть ток компенсации, отличающийся тем, что, с целью повышения качества компенсации при любых формах напряжения и тока р формируют сопряженные сигналы напряжения U(t) и тока i(t) путем разложения измеренных сигна- лов на гармонические составляющие с последующим сдвигом фаз гармоник на четверть периода собственных частот и суммированием их, получают сигнал тока, пропорциональный току компенсации по формуле

it - U(t)i(t) ,