Устройство компенсации реактивного тока Советский патент 1990 года по МПК H02J3/18 

Изобретение относится к области электроэнергетики, в частности к компенсации реактивных нагрузок в обгаепромышпенных и автономных электрических сетях с помощью статических компенсаторов .

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей при регулировании генерируемой реактивной мощности в системе генератор - нагрузка на основной и высших гармониках с учетом несинусоидальности форм тока и напряжения.

На чертеже представлена схема устройства.

Схема содержит генератор 1, датчик 2 напряжения, нагрузку 3, батарею конденсаторов с блоком 4 коммутации, датчики 5-7 тока, фильтр 8, вентили 9-12, дроссель 13, дифференгу1атор 14, умножители 15, 16, интеграторы 17, 18, делитель 19, схему 20 дискретизации с запоминанием отсчетов, формирователь 21-импульсов управления вентилями, формирователь 22 импульсов управления, сумматор 23, умножители 24, 25, интеграторы 26, 27, делитель 28, схему 29 дискретизации с запоминанием отсчетов, умножитель 30, сумматоры 31-33, блок 34 запаздывания первого порядка, компаратор 35 с гистерезисом, формирователь 36 импульсов управления вентилАми,

В предлагаемом устройстве силовая часть дроссельного компенсатора, включенная через выходной фильтр 8 параллельно нагрузке 3, содержит четыре управляемых вентиля 9-12, включенных по мостовой схеме, в одну диагональ которой включен дроссель 13, а узлы второй диагонали подсоединены к входным зажимам выходного фильтра 8, датчик 2 напряжения включен параллельно генератору 1 напряжения, датчики 5-7 тока включены последовательно соответственно с нагрузкой 3, конденсаторной батареей с блоком 4 коммутации, включенной параллельно нагрузке 3, и с выходным фильтром В, выход датчика 2 напряжения соединен с вводом дифференциатора . 14, входом формирователя 22 импульсов управления, обеими входами умножителя 24, первым входом умножителя 25, первым входом умножителя 30, выход дифференциатора 14 связан с обеими входами умножителя 16 и с вторыми входом умножителя 15, первый вход которого связан с выходом датчика 5 тока, вторым входом умножителя 25, вторым входом сумматора 23, первый вход которого связан с выходом датчика 6 тока, выход умножителя 15 связа с входом интегратора 17, выход кото

рого связан с первым входом делителя 19, выход умножителя 16 связан с- входом интегратора 18, выход которого связан с вторым входом делителя 19, выход делителя 19 через схему 20 дискретизации с запоминанием отсчетов связан с входом формирователя 2 импульсов управления вентилями, выход которого связан с управляющими электродами вентилей блока коммутации конденсаторной батареи с блоком 4 коммутации, выход умножителя 24 через интегратор 26 связан с вторым входом делителя 28, выход умножителя 25 через интегратор 27 связан с первым входом делителя 28, выход которого через схему 29 дискретизации с запоминанием отсчетов связан с вторым вх одом умножителя 30, выход которого связан с неинвертирукщим входом сумматора, инвертирующий вход которого связан с выходом сумматора 23, выходы формирователя 2 импульсов управления связаны с управляющими входами интеграторов 17, 18, 26, 27 и схем 20, 29 дискретизации с запоминанием отсчетов, выход сумматора 31 связан с неинвертирующим входом сумматора 32, инвертирующий вход которого связан с выходом датчика 7 тока, выход сумматора 32 связан с неинвертирующим входом сумматора 33, выход которого через блок.34 запаздывания первого порядка и компаратор 35 с гистерезисом связан с входом формирователя импульсов ур- равления вентилями, выходы которого связаны с управляющими электродами четырех управляемых вентилей 9-12, выход компаратора 35 с гестерезисом связан также с инвертирующим входом сумматора.

Для компенсации реактивного тока в устройстве осуществляется измерение мгновенных значений напряжения генератора и тока нагрузки, разделение тока нагрузки на активную и реактивную составляющие, формирование тока компенсатора, включенного параллельно нагрузке, равным протироположньм значениям реактивной составляющей тока нагрузки. Таким образом ток, потребляемый от генератора, становится равен активной составляющей тока нагрузки, т.е. форма потребляемого от генератора тока совпадает с формой напряжения на его зажимах.

Разделение тока на1 рузки i(,(t) на составляицие i/(t) и ipU) происходит следуклцим образом.

Если напряжение генератора есть произвольная, периодическая с периодом Т функция U(t), то ток i(,(t) можно представить н виде суммы активной 1д(Ь) и реактивной ip(t) состав- лякхцих

i(t) 1д(с)н-1ри),И)

где ij(t) -5- Up(t);

Л

Р f JiH(t).U.,(t) dt.

о 1 де Р - активная (средняп за период

Т) мощность, потребляемая нагрузкой;U|j - действующее значение пчнряже ния генератора. Для токов ifl(t) и ip(t) пиполняются соотношения Т

где

if,(t) Ur(t) о

|j ip(t) U,(t)

Т2 Т2 ц. TJ

5|Я О 1

(2)

(3) (4)

Lq,jLg,ifl - деистпукщие значения соотпетственно токон i(t), 1д(1), ip(t).

Если параллельно нагрузке подключить компенсатор с током i Ct )-ip (L ) то ток ), потребляемый от генератора, будет равен if.(t)i(L) + i(t) i(t), при зтом компенсатор согласно выражению (3) не будет потреблять активную моп;ность. В результате дейст- вукщее значение тока -енератора, как следует из соотношения (4), снизится до величины Т-ацКомпенсатор состоит из двух частей - батареи конденсаторов с блоком коммутации и дроссельного компенсатора. Выбор емкости конденсаторной батареи, неизменной в течение периода Т, производится из условия максимально возможного снижения величины действующего значения тока генератора (за счет компенсации части реактивного тока i,,(t) нагрузки)

С j i(t)U(t)dt о

jtu;(t) dt

(5)

Действительно, если конденсатор включен параллельно нагрузке, то ток

через него равен i (t).

i,u)-SHtp.

-C LY(t). Дейгтвугацее значение тока, равного сумме токов i.(t) и i,.(t),

LП

определяется из выражения

15

25

10

1а.т1())) р. о

тт

Ji/L)u|.(t)rit-.C2 II (lV(t))dt,

Оо

дифференцируя которое по С

„(t)u;u)dt.2cIj(u;(t))Mt

и 1 риравнипая полученный результат

нулю, определяем неличииу емкости конденсатора (5), соотпптстпующую ми- иимуму функции I q5(C) .

Дроссел ьн,п | laiMiTe icaTop , также п;.люченн,1й и:-ра.члел ьно 1 аггузке, компенсирует огтлнигч нх .я част1 реак- тинного тока 11а1 ручки

i,b(t ) -ip (t)-if t.) .

(Ь)

Компенсация реактивно1 о тока с устройс 1-на п юи подится следующим образом, с; iu)Mouu,H) датчиков 2

30 напряжения и тс1ка 3-7 осчщцстпляется гальваническая рази,ч , согласование уровней оггналоя ; нергс тических цепей и измерительной q.icTi устройства, а также ичмергнио мгновенных нап,, ряжений генератора U(t), тока нагрузки i|(t:), тока кг. щенгаторилй батареи с (ijioKOM ft KoNfTiyTaiBiH ij.(t),

тока дроссс:1ьного кпмпснса i-opa i, (t)

u

на выходе фильтр. 8. Выходное напря- дд жение датчика 2 g(j(x,(t), пропорциональное напряжению 1 енератора L |.(t) (.t,)CHUr (t) ) , поступает на вход ди(1)ференциатпра 14, схемы управления, оба входа ум)1ожитсля 24, первый вход д умножителей 25 и 30. Выходное напряжение датчика 5 4,,, (t), nponopiijioнальное току нагрузки i.,(t;) (U...j.,(t)

/ . /. ч ч

Р|1-ц(Ь};, поступает на входы умножителе|1 15 и 25, а также вход суммато- 5Q ра 23, Сигнал с выхода дифференциатора 14, пропорциональный производной напряжения ) енератора U,(t)K,0( X Uf(t), поступает на оба входа умножителя 16 и на второй вход умножите- -, ля 15, Сигнал с выхода умножителя 16, пропорциональный квадрату производной напряжения генератора U|g(t)K, х

X u|.(t))(j K,Vo h( интегриру- ется в течение периода Т с помощью

интегратора 18. Сигнал с выхода интеграtтора 18 U,g(t)K,gK,gKZ4c J(u(.(t))2dt

о

поступает на второй вход делителя 19, Сигнал с выхода умножителя 15 U,y(t)K,(t)K,,o;nU.(t) интегриру- тся в течение периода Т с помощью интегратора 17.Когда интегрирование за кончено, сигнал с выхода интегратора 17

т )K, K,,4C/HjiH(t)U(t)dt ho

даетсй на первый вход делителя 19, на выходе которого появляется сигнал

u,7(t) т т

VnM- к«--- Kcju;(t)irt(t)dt/f(u;(t)) d Ujs (t; о о

пропорциональный с коэффициентом пропорциональности

К, К,С){:К,

,7к,7к 7 011 9 i7 Ki5 ;/

/(& К16 4 С Ч

величине емкости С конденсаторной, батареи (схемная реализация выражения 5).. Сигнал с выхода делителя 19 подается на вход схемы 20 дискретизации с запоминанием отсчетов, выход которой остается постоянным в течение следующего периода частотного спектра Формирователь импульсов управления вентилями, на вход которого подается сигнал, пропорциональный величине требуемой емкости конденсаторной батареи, обеспечивает такое переключение вентилей в блоке коммутации кон денсаторной батареи, что величина ее емкости становится равной (с точностью, которую может обеспечить набор конденсаторов в батарее) величине, определенной с помощью выражения (5) .

.-

I9/

Сигнал с выхода умножителя 2ч U2(t).(t) поступает на вход интегратора 26 и интегрируется в те- чение периода Т. Сигнал с выхода интегратора, пропорциональный квадрату действующего значения напряжения Ujg(t)Kg и где К К24КгбО/н поступает на второй вход ; ,елителя 28, на первый ыход которого поступает сигнал с выхода интегратора 27, nponopwo- налт.ньй величине мощности., потррйлпе- мой нагрузкой 3 U.,(t) ,

5

ю

J5

t,20

25

. -35 ; t

30

40

45

x|Uj.(t)i(t), где

° Т Р -JU(t)iц(t)dt. На вход интегра0

тора 27 поступает сигнал с выхода умножителя 25, пропор1шональный мгновенной мощности P(t)U((t) ij,(t); U,.(t)Kj5C)(«U,-(t) 0(;it,(t), и также интегрируется в течение периода Т, Сигнал с выхода делителя 28 U2.(t)

к,,(У;Р

28 (jru| к; к-;йни| Р°порциональный P/U, поступает на схему 29 дискретиза Ц1и с запоминанием отсчетов, выход которой остается постоянным в течение следукщегр периода частотного спектра. Сигнал с выхода схемы 29 дискретизации с запоминанием отсчетов подается на вход умножителя 30, на выходе которого появляется сигнал, пропорциональный активной составляюп1ей тока нагрузки

V bo|j,1|0(H(t).

На выходе сумматора 23 формируется сигнал, пропорциональный сумме токов ic(t) и iц(t); (t) (i ntt) + i j.(t)) (коэффипяент передачи датчика 6 тока выбирается равнымо ;), который затем вычитается из сигнала (t) с помощью сумматора 31, Таким образом на выходе сумматора 31 имеат- ся мгновенное опорное (эталонное) значение тока дроссельного компенсатора

V,()(t)

+ ic(t))Ki,(ift(t)-lH(t)-i(t))

Ki,(-ip(t)-ic(t))

(схемная реализация выражения 6, при

этом необходимо, чтобы К(К, Kjjpf;) ,

Сигнал с выхода сумматора 31 поступает на неинпертирующий вход сумматора 32, на инвертирующий вход которого поступает сигнал с датчика 7 тока, пропорционален току дроссельного компенсатора i |(t)rU7(t)o, i i(t) , Выходной сигнал сумматора 32, пропорциональный величине Д i (t)i(t)|,p- )-, поступает на инвертирующий вход сумматора 33, на инвертирующий вход которого поступает си1 нал с выхода компаратора 35 с гистерезисом. На выходе 33 формируется сигнал, яв- ляклцийся управляетдим для формировате

ля импульсов управления вентиля. Для осуществления замкнутой системы управления током дроссельного компенсатора выходной сигнал с сумматора 3 поступает на вход блока ЗА запаздывания первого порядка, передаточная функция которого равна К/(1+Тд), а из него на вход компаратора 35 с гистерезисом, за счет релейной характеристики которого и обратной сыязи на инвертирующий вход сумматора 33 осуществляется непрерывное отслеживание текущим током компаратора ) опорного значения i(t)jf| .

Формирователь 22 импульсов управления вырабатывает импульсы, период которых равен периоду напряжения .генератора, и с помощью них управляет работой интеграторов 17, 18, 26, 27 и схем 20,.29 дискретияации с запоминанием отсчетов.

Сигналы управления с блока 36 управляют работой четырех вентилей 9- 12, включение которых по мостовой схеме позволяет сформировать мгновенную функцию тока дроссельного KONmeii сатора. При прохождении этого сигнал через фильтр 8 из нее фильтруется гармонический си1 нал, чпстота которого равна частоте модуляции выходного сигнала.

Суммирование токов 1ц(1), i(.(t) и i((t) в общем узле позволяет на вькоде генератора 1 получить ток ip(t), пропорциональный выражению UpCt).

Использование устройстп компенсации реактивно1 о тока позволит сократить потери при передаче энергии от генераторов к потребителям, устранить многократные обменные процессы между генератором и потребителями и тем самым повысить эффективность энергопотребления различных систем.

Формула изобретения

Устройство компенсации реактивного тока с зажимами для подключения параллельно генератору и нагрузке, содержащее четыре управляемых вентиля, включенных по мостовой схеме, в одну диагональ которой включен дроссель, а узлы второй диагонали через выходной фильтр подсоединены к зажимам для подключения параллельно генератору и нагрузке, датчик напряжения генератора, датчик тока нагрузки и

0

д

0

5

0

5

5

0

датчик тока, включенный последовательно с пх-одными зажимами выходного фильтра, перпьШ умножитель, входы которого подключеШ) к выходам датчика напряжения и датчика тока нагрузки, а выход - к входу первого интегратора, схему дискретизация с запоминанием отсчетов, выход которой подключен к первому входу второго умножителя, у KoTopoi o второй вход связан с выходом датчика напряжения, формирователь импульсов управления, выход которого соединен с управляняцими входами первого интегг-iTopa и схемы дискретизации с зaпo rинaниeм отсчетов, выход второго умножителя подсоединен к неинпертирующему входу первого сумматора, пьтхоц которого связан с неиивертирующим вхо; 0м второго сумматора, ипвертируюп дп пхо.ч которого соединен с выходом датчика тока в цепи фильтра, третий сумм-.1тор, неин- вертируюипп вход которш о соединен с выходом второго cy мaтopa, л выход подсоединен чероз блок запаздывания перпого порядка к пходу компаратора с rHCTepe3UcoNt, выход которО1 о под- ктючеп к иине)1тирующему пходу третьего сумматора, первый формирователь пмпу:тьсоп iipi iгуления пент1;лями, вход которого срязпн с выходом коьптлратора с гистерезисом, а шлходы попктюче1гы к yiipanjiHioinHM ;1лектрод 1м чстьфех уп- рпиляемьс : пнитплей, о т л и ч л ю - ш е е с я тем, что, с п,олью расигире- пия функциональных РОЗМОХСПОСТСП гри ре г V лир о и л НИИ 1(М1ерирУ«;м м реактивной мо1 :ности в систе ме 1 енерптор - илг- руяк:1 на ociioiuion и высших гармониках с учетом несипусоидальностм форм тока и напряжения, i пего пведены батарея конденсаторов с блоком коммутации на ynpanjiHGMiiix вентилях, датчик тока батареи конденсаторов, дифференциатор, трп уг-1ножителя, три интегратора, дпл дсли.теля, схема дискретизации с запоминанием отсчетов, фop(иpoвaтaль им- ) управления вентилями, сумматор, причем батарея конденсаторов с блоком ком1-1утации и датчиком тока включена к зажимам для подключения параллельно генератору, вход /глффс- ренциатора связан с выходом датчика напряжения, а выход дифференциатора связан с обеими входами первого вве- денно1 О умножителя, первый вход которого связан с выходом датчика тока нагрузки, вторым входом первого умножителя, вторым входом введенного сумматора, первый вход которого связан с выходом датчиксЧ тока батареи кон- денсаторов, выход введенного сумматора соединен с инвертирующим входом первого сумматора, выходы первого и второго введенных умножителей связаны соответственно с входами первого и второго введенных интеграторов, выход второго введенного интегратора связан с первым входом первого введенного делителя, выход первого введенного интегратора связан с вторым входом первого введенного делителя, выход первого введенного делителя через введенную схему дискретизации с запоминанием отсчетов срязан с входом введенного формирователя импульсов управления вентилями, выход

которого связан с входом введенного формирователя импульсов управления вентилями, выход которого связан с управляюцими электродами вентилей блока коммутации конденсаторной батареи, оба входа третьего введенного умножителя соединены с выходом датчика напряжения, а выход умножителя через третий введенный интегратор связан с вторым входом вторО1 о делителя, первый вход которого соединен с выходом первого интегратора, выход второго введенного делителя подключен к входу схемы дискретизации с запоминанием отсчетов, вьжоды формирователя импульсов управления подключены к управляющим входам трех введенных интеграторов и введенной схемы дискретизации с запоминанием отсчетов.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при компенсации реактивного тока в общепромышленных и автономных электрических сетях с помощью статических вентильных компенсаторов. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей при регулировании генерируемой реактивной мощности в системе генератор-нагрузка на основной и высших гармониках с учетом несинусоидальности форм тока и напряжения. Для этого компенсация реактивного тока и напряжения проводится за счет разделения тока нагрузки I_н (T) на активную I_а (T) и реактивную I_р (T) составляющие. При этом алгоритм работы компенсатора, состоящего из конденсаторной батареи с блоком коммутации и дроссельного компенсатора, строится таким образом, чтобы по отношению к своим входным зажимам компенсатор представлял нелинейный элемент, ток которого определяется из соотношения I_к (T) = -I_р (T). Для этого устройство осуществляет измерение периода напряжения генератора, дифференцирование сигнала с датчика напряжения, определение частного от деления двух величин, выработки импульсов управления вентилями блока коммутации конденсаторной батареи, регулирование мощности конденсаторной батареи, измерение мгновенных значений тока конденсаторной батареи, перемножение несинусоидальных сигналов, определение активной мощности, потребляемой нагрузкой, определение квадрата действующего значения напряжения генератора, выработку моментов синхронизации начала и сброса в ноль интеграторов и изменение выходного сигнала схем дискретизации с запоминанием отсчетов, определение мгновенных значений активной составляющей тока нагрузки, суммирование мгновенных значений активной составляющей тока нагрузки с сигналами с датчика тока нагрузки и с датчика тока конденсаторной батареи. 1 ил.