Способ динамической компенсации неактивных составляющих мощности Советский патент 1991 года по МПК H02J3/18 

Изобретение относится к электротехнике в частности к устройствам компенсации неактивных составляющих мощности и мо- жег быть использовано в системах энергоснабжения электротехнических и энергетических цепей с искажающими нагрузками для повы шения эффективности передачи и потребле ния электроэнергии при любых формах кривых ока и напряжения

Целью изобретения является повыше ние качества потребляемой электроэнергии при любых формах ривых напряжения и тока

На чертеже приведена функциональная схема устройства компенсации реализую щего предлагаемый способ динамической

компенсации неактивных составляющих мощности

Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие операции 1) измерить напряжение пропорциональное мгновенным значениям тока 2) измерить напряжение пропорциональное мгновенным значениям напряжения 3) преобразовать исходный (измеренный) сигнал тока в сопряженный 4) преобразовать исходный сигнал напряжения в сопряженный, 5) перемножить исходный сигнал тока с сопряженным сигналом напряжения 6) перемножить исходный сигнал напряжения с сопряженным сигналом тока 7) вычислить разность мгновенных значений пятой и шеО N3 СЛ

ю

00

стой операций; 8) определить квадрат мгновенных значений исходного сигнала тока; 9) определить квадрат мгновенных значений сопряженного сигнала тока; 10) вычислить сумму мгновенных значений восьмой и де- вятой операций; 11) определить частное от деления результатов третьей и десятой операций; 12) перемножить результаты седьмой и одиннадцатой операций; 13) привести сигнал, полученный в результате две- надцатой операции, к уровню напряжения источника питания и сложить указанные напряжения.

Устройство, реализующее предлагаемый способ динамической компенсации не- активных составляющих мощности, состоит из датчиков напряжения 1 и тока 2, подсоединенных входами к питающей сети, а оы- ходами - соответственно к первым входам умножителей 3, 4 и входам квадратурных фильтров 5, 6; вторые входы умножителей 3, 4 подключены к выходам квадратурных фильтров 6, 5 соответственно, а выходы - к вычитаемому и суммирующему входам сумматора 7, который по выходу связан с пер- вым входом умножителя 8; генераторы 9, 10 квадратичных функций своими входами подключены соответственно к выходам датчика 2 тока и квадратурного фильтра 6, а выходами - к входам сумматора 11, связан- ного по выходу с первым входом делителя 12, второй вход которого подключен к выходу квадратурного фильтра 6, а выход - к второму входу умножителя 8; источник 13 напряжения компенсации содержит преоб- разователь 14 переменного напряжения в постоянное, по входу нагруженный на питающую сеть, двухполярный емкостный фильтр 15, состоящий из последовательного соединения двух конденсаторных бата- рей с нулевым выводом и шунтирующий по входу преобразователь 14, двухтактный усилитель 1 б класса АД, питаемый от источника постоянного тока в виде последовательного соединения преобразователя 14 и фильтра 15, выполненный на диодно-транзисторных парах и нагруженный на Г-образный LC- фильтр 17, катушка индуктивности которого одним концом подключена к выходу усилителя 16, а другим - к началу первичной об- мотки суммирующего трансформатора 18, конец которой соединен с нулевым выводом фильтра 15, а сама обмотка зашунтирована накопительным конденсатором фильтра 17, вторичная обмотка трансформатора 18 включена в питающую сеть между источником и потребителем; блок ШИМ источника 13 состоит из генератора 19 опорной функции модуляции, подключенного к одному из входов компаратора 20, второй вход которого является информационным входом источника 13 и связан с выходом умножителя 8, усилитель 21, по входу соединенный с прямым и инверсным выходами компаратора 20. а по выходу - с управляющими входами силовых ключей усилителя 16.

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

Датчики напряжения 1 и тока 2 измеряют напряжения, пропорциональные мгновенным значениям тока и напряжения сети. Измеренные сигналы поступают на первые входы умножителей 3, 4 и входы квадратурных фильтров 5, 6, которые реализуют преобразование Гильберта (14)

S(t) l S(t)-1-. v л.сх, t-гw .Tt

связывающее между собой исходный (измеренный) и сопряженный (расчетный) сигналы, являющиеся соответственно действительной и мнимой составляющими аналитического сигнала Ls(t) S(t) + jS(t), где S(t) - сигнал тока или напряжения В соответствии с теоремой о свертке функции

1

S (t) ;:--- / S (ш) H (a)) e d ш , -Т со

где

о -ЮЛ-if sgn(w)

H H J-T ed t - isgh (oj)e

-co

Jit

- передаточная функция квадратурного фильтра, запишем преобразование Гильберта в виде

S(t)r1{F{S(t)} -jsgn(w)}, где F, F - операторы прямого и обратного преобразований Фурье. Откуда следует, что квадратурные фильтры 5, 6 реализуют разложение измеренных сигналов на гармонические составляющие (в ряд Фурье) с последующим сдвигом их фаз на четверть периода собственных частот и суммированием сдвинутых копий, т.е осуществляют алгоритм фильтраци, согласно которому все гармоники порядка k 1 получают сдвиг по фазе Т/4К с сохранением значений амплитуд. Сформированные фильтрами 5, 6 сопряженные сигналы напряжения U(t) и тока IJt) поступают на вторые входы умножителей 4, 3 соответственно. Необходимость реализации двух операций умножения и операции вычитания объясняется следующим.

Произведение функции аналитического сигнала напряжения и комплексно-сопряженной функции аналитического сигнала гока, представленных в матричной форме

определит функцию аналитической мгновенной мощности (14)

Г - Г А ЧГ 0

U U L-L Sp Sq

Zp

-и и

I I

hSqSp

(D

где - матричная запись аналитической функции,

Sp UL + U D- мгновенная активная квазимощность,

-UC- мгновенная реактивная квазимощность

Согласно (1) умножитель 4 вычисляет первое, а умножитель 3 - второе слагаемые мгновенной реактивной квазимощности Сумматор 7 определяет разность результатов операций умножения, для чего информация на суммирующий вход поступает с выхода умножителя 4, а на вычитающий - с выхода умножителя 3, в результате чего на первый вход умножителя 8 поступает сигнал, пропорциональный мгновенной реактивной квазимощности

Умножитель 8 формирует функцию напряжения компенсации неактивных составляющих мощности, которая посредством источника напряжения компенсации приводится к уровню напряжения питающей сети Процесс вычисления функции тока, позволяющей определить функцию напряжения компенсации из мгновенной реактивной квазимощности, идет параллельно ранее рассмотренному Аппаратурная реализация его следуе: из выражения (1) после следующего обратного преобразования

1

9 7

1/+Г

иг U

Op Oq On On

(ui + u)-i(yi- им ifiii-uh+ oji + 01)1

,2+fj -i(ui+Gi-i(0i uT)-t(Oi-ut) + i(ui +UT5J

где U- - -„-(uu+Uf )-----(UL uM фунi/+l/iS+iкция напряжения сети в которой необходимо скомпенсировать второе слагаемое, равное напряжению компенсации с обратным знаком,т е

Uk(0 - i(U u(t)Kt)-u(t)(t) (2)

L-(t)+ 2(t)

Первый сомножитель напряжения компенсации (2) выч1 ляют генераторы 9, 10 квадратичных функций на входы которых непрерывно поступают мгновенные значения измеренного и сопряженною сигналов тока, сумматор 11 складывающий значения квадратичных функций с выходов генераторов 9, 10, и делитель 12 вычисляющий частное от деления значений сопряженного сигнала тока и результата операции сумми

рования с выхода сумматора 11. Полученные значения, поступая на второй вход умо- жителя 8, перемножаются с сигналом, пропорциональным мгновенной реактивной

5 квазимощности.

Использование изобретения позволяет повысить качество потребляемой энергии и компенсировать неактивные составляющие мощности в масштабе реального времени

10 (по мгновенным значениям тока и напряжения) при любых формах кривых напряжения и тока, что приводит к уменьшению действующего значения питающего напряжения. В случае синусоидального режима пита15 ющей сети и активно-реактивного характера нагрузки потребителя исходные (измеренные) и сопряженные сигналы токов и напряжений будут равны

20 U (t) Um slnwt. L(t) Im (a)).

U (t) -Um COS Ш t , l(t) - Im COS ( Ш t - p) .

Напряжение компенсации определим по формуле (2) 25 .. , - 1т cos ( - р)

Uk (t)

Im sin (an( + Imcos ( )

0

0

5

0

5

X -(Jm COS ОЛ lm Sin ((Л p) + + Um Sff) ШТ. Im COS ( ОЯ - p )

-Dm sirup cos ( ал - p).

откуда напряжение после компенсации станет равным

UOCT (t) U (t) Uk (t) Um Sin an. - Um Sin «3COS (0)l - p) Um Sin (ОЛ - p) ,

т е. напряжение после компенсации носит чисто активный характер, совпадает по фазе и форме с током сети, действующее значение его уменьшилось в 1/созуз раз. Без устройства компенсации нагрузка потребляет активную мощность Р Ulcosy при полной мощности источника S UI. В результате компенсации система потребляет

активную мощность, равную полной мощности или активной мощности до компенсации, т.е. Р S Ulcosy.

При чисто активном характере нагрузки потребителя Uk(t) 0 и устройство компенсации не функционирует. Если характер нагрузки чисто реактивный, то реактивное напряжение нагрузки полностью поставляет устройство компенсации при потреблении тока от питающей сети

В рамках предлагаемого способа динамической компенсации остаточные напряжения и мгновенная мощность сети (источника) в процессе компенсации станон пгя равными U ч (t) Up (t)

uo

L2(t)+L7(t)

x Uvt;l(t) U(t)lft)

Po , (t)UorT (t) L(t)I2 01

7л7Sp(t)

L2 (t) + L2 (t)

Пи юда следует совпадение знаков мгно вонных знамении остаточного нтпряжения с питающим гоком и положительность орди н,)г кривой остаточной мгновенной мощно L т и го подтверждает компенсацию x потоков энергии характерную и II м прототипа Это позволит осу u,t it 14 i i i Типизацию напряжения на потребителя при изменении ее ре к т IRHHX трамегров в случае питания от iоперт юра тока несинусоидальнои формы (т инвертора тока) подключенного i ет.1 пьррмпш ою тока и являющегося к. пс точным звеном между сетью и по м nm тем в результате чего емкость ком ппующего конденсатора будет г имин п мги и выбирается из условия ра о псюты гнвертора При этом величи т фу и кць и пгновемюи реакшвнои i (н 1,111 ;юл кна Ььш уменьшена на вели v v TL вно ч мошности коммуирующс

го конденсатора с целью исключения влияния источника напряжения компенсации нз коммутационные процессы в инверторе

Формула изобретения

Способ динамической компенсации неактивных составляющих мощности в питающей сети соединенной с потребителем и компенсатором заключающийся втом что

измеряют напряжение пропорциональное мгновенным значениям тока u(t) и напряжение пропорциональное мгновенным значениям напряжения U(t) формируют сопряженные сигналы тока ) и напряжения

U(t) путем разложения измеренных сигналов на гармонические составляющие с последующим сдвигом их фаз на четверть периода собственных частот и их суммиро ванием отличающийся тем что с

целью повышения качества потребляемой электроэнергии при любых формах кривых тока и напряжения сигнал пропорциональный напряжению компенсации получают по формуле

Uk

Ш

L2(t) + .

U(t)L(t)-U(t)t(t)J

орыи приводят к уро ню напряжения пи- 1ющеи сети и склад вают с напряжением

1гГ f-T, I

Изобретение относится к тлектротехни ке в частности к устройствам компенсации неактивных составляющих мощности и мо жет быть использовано в система/ энергоснаб жения электротехнических и энергетических цепей с искажающими нагрузками для по вышения эффективности передачи и потребления электроэнергии при любых формах кривых тока и напряжения Цель изобретения - повышение качества потребляемой электроэнергии при любых формах кривых напряжения и тока В питающей сети, соединенной с потребителем и компенсатором, измеряют напряжение пропорциональное мгновенным значением тока Kt) и напряжение пропорциональное U(t) Сопряженные сигналы тока i(t) и напряжения 0(t) формируют путем разложения измеренных сигналов на гармонические составляющие Сдвигают их фазы на четверть периода собственных частот, суммируют их Сигнал пропорциональный напряжению компенсации получают по формуле Uk --r-(LL fU(t) Kt) - ЦО f(t) , iz (t ) + ll t приводят к уровню напряжения питающей сети и складывают с напряжением питающей сети 1 ил